陶瓷坯體3D塑性成形及原料性能研究

張娟娟， 王秀峰， 楊　陽， 曹新強， 樊小蒲，王　佳， 江紅濤， 于成龍

(陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安　710021)

0　引言

陶瓷3D打印技術近年來發(fā)展迅速，已經成為3D打印技術的熱點領域[1].目前主要的陶瓷3D打印技術有選擇性激光燒結技術(SLS)、熔融沉淀技術(FDM)、直接三維打印技術(3DP)和立體光固化技術(SLA)，根據成型方法和使用原料的不同，每種打印技術都有自己的優(yōu)缺點[2-4].

目前，塑性陶瓷泥料主要用于生產陶瓷藝術品、日用瓷、陶瓷潔具等產品.對于陶瓷潔具而言，其產品內部結構復雜，造型差異大，整體尺寸大，生產周期長、產量大，是現代生活的必需品[5,6].對于陶瓷藝術品而言，最突出的特點就是創(chuàng)意產品造型、色彩、寓意不同，可進行個性化定制，特色鮮明，且多采用地方原料[7,8].生產這兩類陶瓷產品時，坯體成形是基礎，后期施釉和燒成是不可缺少的工序.因此研究此類陶瓷制造新技術需考慮所用原料的“地域性”以及“坯釉結合”等問題，在不改變坯體主要組成及釉料成分的前提下進行陶瓷制造新技術的研發(fā)具有重要的現實意義.

本文提出一種陶瓷3D打印新技術：擠出堆積成形技術(Extruded Deposition Modeling，EDM)，用于塑性陶瓷泥料的直接連續(xù)擠出堆積成形.以該技術為中心，主要進行塑性泥料性能研究，3D打印設備搭建及調試，并利用泥料及打印設備進行復雜造型陶瓷坯體打印成型.

1　實驗部分

1.1　打印裝備總體設計

擠出堆積3D打印機總體應滿足剛性好、強度高、速度快、穩(wěn)定性好、可成形大件，適用于塑性泥料直接成形等要求.因此，根據擠出堆積原理，設計打印裝備整體包含：送料系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)，軟件及控制三大系統(tǒng).整體裝備如圖1所示：外部尺寸2 200 mm×2 400 mm×1 800 mm，可打印尺寸1 000 mm×1 200 mm×600 mm，電源220 V，功率3 200 W.

1.2　打印機各系統(tǒng)選擇

打印機包括三個系統(tǒng)：送料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、軟件及控制系統(tǒng).其中送料系統(tǒng)主要用于整個打印設備的原料供給，包括空壓機、壓力料倉、管道、螺旋推進器四部分.螺旋推進器同時作為擠出系統(tǒng)的一部分，用于將泥料擠出至打印噴嘴，并以適當的壓力粘結在前一層上，實現泥料連續(xù)穩(wěn)定供給和累積，其具體結構如圖2所示.

(a)3D打印機模型

(b)3D打印機實體圖圖1　陶瓷3D打印機

圖2　螺旋推進器

選擇SolidWorks建模軟件、ChiTuSlicer切片軟件以及ChiTu V3.6三維數控系統(tǒng)作為打印機的軟件及控制系統(tǒng).控制主板輸入電壓12～24 V，調試打印機在XYZ三軸運動，使得三軸打印誤差X≦0.05 mm，Y≦0.05 mm，Z≦0.06 mm.

1.3　原料及測試

實驗選用中國南方某陶瓷公司配方原料.利用萬能材料實驗機測試泥料應力及應變量.稱取110 g泥料，做成直徑d約為4.5士0.1(cm)的泥球，施加負荷p(kg)使其發(fā)生變形形成裂紋，測量泥球出現裂紋時的高度h(cm).

采用三點彎曲法測試陶瓷抗彎強度.甲基纖維素的加入量分別為原料質量的0%、1%、2%、3%、4%、5%，將泥料制備成長寬高分別為60 mm、10 mm、6 mm的長方體試樣進行測試.

2　結果與討論

2.1　原料基本要求

直接擠出堆積成形的關鍵是解決泥料的可塑性、流動性和穩(wěn)定性.可塑性保證了泥料從噴嘴擠出后可快速凝聚，坯體逐層堆積時不變形.流動性要求泥料含水適中，均勻致密，因此需用真空煉泥機反復練泥，真空度保持在40～50 MPa之間.穩(wěn)定性要求泥料顆粒度小且均勻無雜質，顆粒度直接影響打印精度及打印穩(wěn)定性，顆粒越粗越不易擠出，打印精度越低，因此在預制泥料時需將粉料過280目篩，平均粒徑50μm左右.

2.2　泥料可塑性與含水率的關系

在進行打印時，需根據打印機擠出速度，擠出壓力，三軸移動速度等參數對泥料流動性及塑性進行優(yōu)化，在不改變坯料本身成分的條件下，通過改變含水率調節(jié)泥料塑性，分析了含水率對可塑性的影響.其中，可塑性指標s=(d-h)·p(kg·cm)，裂紋時施加的負荷p即為應力值，用來近似反映屈服值，應變量×100%為泥料裂紋前的最大變形量[9,10].

從圖3(a)曲線分析，應變量隨著泥料含水率的增加而增加，其主要原因是因為泥料中的粒子會進行充分水化，在顆粒表面會形成一層較厚的水化膜，起到了改善粒子間潤滑的作用，可以使泥料在受力過程中更易發(fā)生位移，增大應變量，從而提高泥料流動性[11,12].

曲線中應變量在14%～24%之間，對應含水率在21.5%～23.5%區(qū)間時曲線呈線性變化.因此，針對不同地區(qū)泥料料性不同，在確定含水率時，可利用控制應變量的范圍來定性，即應變量在14%～24%區(qū)間內時泥料適于打印，對應含水率-應變量關系曲線中的含水率區(qū)間即為適于擠出堆積技術的不同地區(qū)泥料含水率的取值范圍.此外，該區(qū)間的線性變化率則反映了泥料在擠出時的難易程度，可根據線性變化率調整對應擠出壓力和擠出速度.

從圖3(b)曲線看出，隨著泥料含水率的增加會導致應力值減小.這是因為含水率增加，顆粒表面的水化膜增厚，顆粒間吸引力減小，導致屈服值逐漸降低.在一定的含水量范圍內，隨著含水率的逐漸降低，顆粒相互靠近吸引力增強，屈服值增高[13-15].當泥料含水率過低時，會造成顆粒間塑性水膜中斷，導致試樣出現裂紋.含水率在21.5%～23.5%之間時，應力值對應在2.5～3 kg附近，因此也可根據應力值范圍確定其他地區(qū)泥料的含水率.

(a)應變

(b)應力圖3　泥料含水率與應力、應變的關系

進一步研究發(fā)現，泥料的含水率對可塑性有極值效應.從圖4曲線可看出，泥料含水量在23%左右時可塑性存在極大值，通過后續(xù)打印發(fā)現含水率為23%時配制泥料既具有良好的可塑性還具有較好的流動性.

圖4　泥料含水率對可塑性的影響

2.3　坯體抗彎強度與甲基纖維素的關系

泥料中的粘結劑含量是控制泥料塑性的主要手段[16,17].可以通過添加甲基纖維素來彌補陶瓷坯料本身塑性的不足，但甲基纖維素的加入會導致坯體中有機物增多，對燒成后的制品性能產生不良影響.

從圖5可以看出，適量的甲基纖維素對泥料可塑性及3D打印制品的抗彎強度均有一定的提高，在含量為3.5%時坯體抗彎強度最大，但當甲基纖維素用量從4%增加到5%時，制品的抗彎強度從47.84 MPa急劇下降到33.47 MPa，過多的甲基纖維素不僅會使得泥料粘度大大增加，還會使打印坯體中有機物增多，泥料密度降低，使材料孔隙率增大導致燒成后坯體強度變低.因此考慮坯體燒成后的強度，選擇甲基纖維素用量在3%左右為宜.

圖5　甲基纖維素對抗彎強度的影響

2.4　打印機各系統(tǒng)參數對坯體質量的影響

通過調節(jié)料倉壓力，螺旋推進器的電機轉速，控制面板擠出速率及擠出量等參數控制打印.結果表明，調節(jié)料倉壓力在0.3～0.6 MPa之間時，采用含水率為23%，甲基纖維素含量為3%的泥料均可實現擠出，且擠出壓力越大，擠出量及擠出速度越大.但當擠出壓力高于0.5 MPa時，噴嘴處有泥料噴涌現象，且打印件尺寸與所設計的模型尺寸偏差較大.當擠出壓力低于0.35 MPa時，噴嘴出泥量較少，在進行逐層堆積至高處時出現塌陷現象，因此根據測試得到擠出壓力為0.4 MPa時，打印質量最好.

對擠出系統(tǒng)而言，赤兔板的擠出速度擠出量以及電機轉速共同控制噴嘴處的出泥量.在打印機Z軸移動速度為300 mm/s的前提下，實驗測得電機轉速為1 300 r/min，赤兔控制面板擠出速度120%，擠出量100%時，擠出量控制良好，不存在擠出過多引起的堆料及擠出不足引起的斷料等情況.打印件表面光滑，層間結合緊密，層厚均勻，層片累積過程中泥料支撐性能良好，不存在塌陷現象.打印測試如圖6所示，模型尺寸均為200 mm×200 mm×100 mm，重疊率15%，圖6左圖形打印時間15 min，圖6右圖形打印時間5 min.

圖6　打印測試圖

經過打印、干燥、修坯、施釉、燒成等后處理，實現了陶瓷工藝品的制造，并且可根據需求對產品造型及尺寸進行調整和打印，如圖7所示.成形產品造型復雜，尺寸精確，薄壁.實現了陶瓷藝術品的創(chuàng)新設計與成形.

(a)　　　高8.3 mm、寬7.6 mm、　　(b)　　　高13.2 mm、寬8.2 mm、　　　　　壁厚0.9 mm　　　　壁厚0.4 mm

(c)　　　高12.6 mm、寬9.5 mm、　　(d)　　　高4.3 mm、寬3.5 mm、　　　　　壁厚0.6 mm　　　　　壁厚0.2mm圖7　3D打印陶瓷藝術品

3　結論

(1)提出了一種運用于藝術陶瓷的3D打印新技術—擠出堆積成形技術.具體指陶瓷塑性泥料依靠外部作用力從噴嘴擠出，借助泥料本身特性直接堆積成形.研究表明，這項技術適合于將數字化成形與傳統(tǒng)原料配方及后期施釉工藝相結合，是藝術陶瓷坯體成形技術的重要突破.

(2)不同地域泥料性能差異較大，因此該技術從原料及打印裝置上進行深入研究，進一步縮小地域化差異，實現同一臺裝備可打印各地不同泥料.發(fā)現對于不同地區(qū)的原料和配方，一般可控制其應變量在14%～24%，應力值在2.5～3.0 kg，此時，應力-應變曲線上對應的含水率即為擠出堆積技術所用泥料的含水率范圍.添加劑甲基纖維素的量控制在3.0%左右.

(3)進行打印裝備選擇，包括供料系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)，軟件及控制系統(tǒng).經打印測試，成功打印出具有復雜結構的陶瓷坯體.該裝備主要應用于陶瓷坯體打樣、設計、評價、直接制造母模原型等方面，有助于加快陶瓷藝術品及復雜結構陶瓷品的新品開發(fā)速度和成功率，實現陶瓷產品多樣化和生產現代化.

[1] 王秀峰,羅宏杰.快速原型制造技術[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2001.

[2] Faes M,Valkenaers H,Vogeler F,et al.Extrusion-based 3D printing of ceramic components[J].Procedia Cirp,2015,28:76-81.

[3] Dimov S S,Pham D T.Rapid prototyping and rapid tooling the key enablers for rapid manufacturing[J].Archive Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2003,217(1):1-23.

[4] Choudhari C M,Patil V D.Product development and its comparative analysis by SLA,SLS and FDM rapid prototyping processes[J].Materials Science and Engineering,2016,3(2):9-12.

[5] Wang X J,De Q L,Huang X H.Modern molding technology for sanitary ceramic wares[J].Die & Mould Industry,2011,37(1):65-67.

[6] Miranda S D,Patruno L,Ricci M,et al.Ceramic sanitary wares: Prediction of the deformed shape after the production process[J].Journal of Materials Processing Tech,2015,215(2):309-319.

[7] 畢海龍.傳統(tǒng)文化與陶瓷造型藝術的融合[J].中國陶瓷,2014,50(7):80-82.

[8] Yu F B,Gao Y.Research on ceramic art design based on rhetorical devices[J].Applied Mechanics & Materials,2013,312:968-971.

[9] Uskov I A.Assessing the plasticity of clay materials[J].Glass & Ceramics,1959,16(3):153-157.

[10] Naeini S A,Ziaie Moayed R.Effect of plasticity index and reinforcement on the CBR value of soft clay[J].International Journal of Civil Engineering,2009,7(2):124-130.

[11] 彭陳亮,閔凡飛,趙晴,等.微細礦物顆粒表面水化膜研究現狀及進展綜述[J].礦物學報,2012,32(4):515-522.

[12] Silvestre J,Silvestre N,Brito J D.Review on concrete nanotechnology[J].European Journal of Environmental & Civil Engineering,2015,20(4):1-31.

[13] 劉素文.陶瓷泥料塑性參數與含水率的相關性分析[J].中國陶瓷,1998,34(1):8-10.

[14] Horpibulsuk S,Suddeepong A,Chinkulkijniwat A,et al.Strength and compressibility of lightweight cemented clays[J].Applied Clay Science,2012,69(21):11-21.

[15] Shibasaki Y,Maeda M,Nishioka A,et al.DSC measurement of the unfrozen water on the surface of clay particles and the plasticity[J].Nendo Kagaku,1992,32(2):78-85.

[16] Andrade F A,Al Qureshi H A,Hotza D.Measuring the plasticity of clays: A review[J].Applied Clay Science,2011,51(1-2):1-7.

[17] Rahmat M N,Ismail N.Sustainable stabilisation of the lower oxford clay by non-traditional binder[J].Applied Clay Science,2011,52(3):199-208.