LDM法3D打印紫砂泥料的制備及參數(shù)控制

張艾麗

(山西省玻璃陶瓷科學(xué)研究所(有限公司)，山西 太原 030013)

0 引 言

隨著材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，陶瓷材料因具有很多優(yōu)良性能而在航天、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。成型技術(shù)作為陶瓷結(jié)構(gòu)件制備的重要環(huán)節(jié)之一，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用具有決定性作用。傳統(tǒng)的成型技術(shù)雖已非常成熟，在規(guī)?；奶沾缮a(chǎn)工業(yè)中也發(fā)揮了重要的作用，但這些技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)已難以滿足個(gè)性化、復(fù)雜化、精細(xì)化的高端產(chǎn)品快速制造的需求，大大限制了高性能陶瓷的開發(fā)研究與應(yīng)用[1-2]。

3D打印技術(shù)作為一種新型的技術(shù)受到了廣泛關(guān)注和高度重視，相對(duì)于傳統(tǒng)陶瓷成型技術(shù)，該技術(shù)可以不受模具制作或加工工藝限制[3-5]，為復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)件的成型提供了途徑，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，3D打印的優(yōu)勢越明顯。可見，3D打印技術(shù)在高性能陶瓷材料的成型制造領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展前景。

目前，3D打印快速成型方法有如下幾種：液態(tài)沉積成型(簡稱LDM)、分層實(shí)體成型(簡稱LOM)、熔化沉積造型(簡稱FDM)、形狀沉積成型(簡稱SDM)、立體光刻(簡稱SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)(簡稱SLS)、噴墨打印法(簡稱IJM)等。

LDM法3D打印技術(shù)(liquid deposit modeling)，又叫液態(tài)沉積成型，其工藝原理是將陶瓷泥料用擠出機(jī)或毛細(xì)血管流變儀做成絲，按照設(shè)計(jì)的模型文件擠制一層、沉積一層，層層疊加打印得到一定形狀的生坯。該工藝能夠滿足多種陶瓷材料的3D打印成型，而且精度較高，設(shè)備操作簡單，成本較低，是目前研究較多，也較為成熟的一種3D打印陶瓷材料成型技術(shù)。

打印材料是制約陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，目前大多3D打印的陶瓷材料需使用有機(jī)粘結(jié)劑或光敏樹脂等有機(jī)材料。但是，這些有機(jī)材料與陶瓷粉體之間的粘結(jié)強(qiáng)度不足，固化后的坯體易受粉體松裝密度的限制，致密度低，力學(xué)性能較差，表面較為粗糙；另外，有機(jī)材料需經(jīng)高溫?zé)崽幚砬宄?，所以陶瓷坯體的體積收縮大且難以控制，結(jié)構(gòu)易變形、坍塌，導(dǎo)致制件精度難以控制[6-7]。

本文以實(shí)現(xiàn)3D打印陶瓷材料需求為目的，制備出滿足LDM法3D打印技術(shù)要求的陶瓷材料，用強(qiáng)可塑性粘土代替有機(jī)粘結(jié)劑，改善陶瓷制品的力學(xué)性能，減少坍塌、開裂、收縮、變形等因素，提高制品的尺寸精度。

紫砂泥屬于粒土——石英云母系，具有頗類制瓷原料的特點(diǎn)，單種原料即具有理想的可塑性，制得的泥坯強(qiáng)度較高，干燥收縮率較小，為多種造型提供了良好的工藝條件。紫砂制品的燒制溫度一般在1100-1200 ℃之間，吸水率大于2%，制品具有結(jié)構(gòu)致密，接近瓷化，強(qiáng)度較大的特點(diǎn)。

本文采用LDM法3D打印制備了紫砂制品，并對(duì)滿足打印條件的紫砂泥料進(jìn)行了相關(guān)工藝參數(shù)的量化控制。先將紫砂原料及配料制備成一定細(xì)度的粉料，再按照成型所需的含水率加入適量的水配制成泥料，泥料的顆粒細(xì)度、含水率和可塑性均要滿足液態(tài)沉積成型(LDM)3D打印成型技術(shù)的要求，打印機(jī)擠壓噴頭沿設(shè)計(jì)的模型制件的每一截面輪廓運(yùn)動(dòng)，泥料通過噴頭擠出沉積成實(shí)際制件的截面薄層，覆蓋于已打印的下層制件之上，這樣逐層由底到頂堆積成坯體。

1 泥料制備

由于LDM法3D打印成型工藝要求的紫砂泥料水分較大，所以干燥收縮也較大，直接使用生紫砂制備泥料容易引起制品的開裂。因此本文調(diào)整了配方，加入一定量的熟料，通過對(duì)原料進(jìn)行預(yù)燒可改變其結(jié)晶形態(tài)和物理性能，降低坯體干燥收縮和變形，加快半成品干燥速度，減少制品開裂，提高制品的質(zhì)量。再加入一定量的專用可塑性粘土以提高泥料的可塑性，使之更加符合工藝要求。

調(diào)整后的原料配比：紫砂熟料10%-20%，生料70%-80%，專用可塑性粘土10%-15%。

LDM3D打印主要流程為：

(1)使用3D打印建模軟件建立陶瓷產(chǎn)品的三維立體模型文件。

(2)將三維立體模型文件導(dǎo)入3D打印切片軟件中，進(jìn)行切片設(shè)置，保存為3D MODEL文件。

(3)將3D MODEL文件輸入到3D打印機(jī)中，將符合打印工藝參數(shù)要求的紫砂泥料裝入打印機(jī)料筒內(nèi)，連接打印機(jī)，選擇要打印的文件，開始打印(打印機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1)。

(4)打印完成后，得到陶瓷坯體(如圖1)。

在整個(gè)打印過程中，要注意避免出現(xiàn)如下問題：

(1)泥料中不能混入大顆粒，否則會(huì)堵塞打印機(jī)噴頭，迫使打印中止。

(2)料筒及連接管中的泥料內(nèi)不能有氣泡，在打印過程中，氣泡會(huì)隨泥料運(yùn)動(dòng)到達(dá)噴頭產(chǎn)生氣流沖擊，致使已成型部分遭到破壞，打印中止不能連續(xù)。

(3)打印若有中斷，一定要保持噴頭、接口等處的密封性，保持泥料的濕度，避免泥料變干變硬致使不能正常打印。

圖1 陶瓷3D打印Fig.1 Ceramic 3D printing

表1 LDM法3D打印機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of LDM 3D printing

2 工藝參數(shù)控制

2.1 泥料顆粒細(xì)度的控制

陶瓷粉料的顆粒細(xì)度一般在0.1-61 μm之間。國內(nèi)的普通陶瓷生產(chǎn)中，通常用萬孔篩(250目，61 μm)來控制坯料的粒度，根據(jù)產(chǎn)品的要求，確定篩余量。

從工藝過程來看，陶瓷泥料的顆粒細(xì)度要足夠細(xì)。只有當(dāng)坯料達(dá)到一定細(xì)度時(shí)，才有可能具備必要的成型性能(如可塑性指標(biāo)達(dá)到中等可塑性指標(biāo)值2.5)。

一方面，顆粒越細(xì)，打印成型精度越高，效果越好；另一方面，細(xì)碎使表面離子的數(shù)量大大增加，粉料越細(xì)，則表面能越大，活性也越大[8]。小的顆粒尺寸還可降低燒成溫度，縮短燒成時(shí)間，提高致密度，改善材料性能。而且，選用較細(xì)的打印針頭可提高打印制品的精度，針頭越細(xì)，所需的泥料顆粒細(xì)度也要越小。

本文配比好的紫砂粉末材料的顆粒細(xì)度用篩余量來控制，應(yīng)至少過250目篩，萬孔篩余≤0.1%。

2.2 泥料含水率的控制

適量的水分是泥料出現(xiàn)可塑性的必要條件，只有泥料中水分適當(dāng)才能呈現(xiàn)最大可塑性。

在測定泥料的可塑性指標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種泥料，泥團(tuán)屈服開裂時(shí)所受到的應(yīng)力隨泥料含水率的增加而減??；而泥團(tuán)的最大應(yīng)變卻隨含水率的增大而增加。由于可塑性指標(biāo)等于泥團(tuán)屈服開裂時(shí)的應(yīng)力乘應(yīng)變，則對(duì)應(yīng)于某一含水率值，泥料的可塑性指標(biāo)可達(dá)到最大值。當(dāng)泥料含水率低于該值時(shí)可塑性指標(biāo)隨含水率遞增，當(dāng)泥料含水率高于該值時(shí)泥料可塑性指標(biāo)隨含水率遞減。由此可知，泥料可塑成型時(shí)的最佳水分應(yīng)該是可塑性最大時(shí)的含水率(又稱可塑水分)(如圖2所示)[9]。

圖2 可塑泥團(tuán)含水率與可塑性的關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between the plastic clay moisture content and plasticity

在實(shí)際打印成型操作中，泥料含水率的影響也是顯而易見的。泥料太硬可能會(huì)在擠制過程中導(dǎo)致泥料干燥過快而堵塞擠制管路及噴頭，或增加擠出螺桿的壓力，甚至?xí)耆珨D不出，導(dǎo)致不能成型；泥料太軟又可能使得打印好的下層坯體強(qiáng)度不夠，因?yàn)榇蛴∈沁B續(xù)的。打印上層時(shí)，如果下層強(qiáng)度不足以承擔(dān)上層泥料的壓力，將會(huì)導(dǎo)致坯體變形、坍塌甚至完全不能成型?？梢?，滿足成型條件的泥料其含水量有一定的范圍，并不是具有可塑性的泥料均滿足成型要求，應(yīng)對(duì)含水率進(jìn)行量化控制。

所以，本文紫砂泥料含水率要經(jīng)過嚴(yán)格控制，而且不同的泥料配方含水率范圍也應(yīng)不同，大致范圍在24%-28%之間。

2.3 泥料可塑性的控制

泥料可塑性的測量主要有兩種方法：一種是可塑性指標(biāo)法；一種是可塑性指數(shù)法。對(duì)于可塑成型，測量可塑性指標(biāo)更有指導(dǎo)意義。

純紫砂泥料的可塑性指標(biāo)并不高，經(jīng)檢測，含水率24.5%的紫砂泥料可塑性指標(biāo)僅為1.9。如果將該純紫砂泥料直接用于3D打印成型，在可塑性方面存在問題，坯體易于開裂變形。研究表明，配制3D打印紫砂泥料時(shí)，在粉末材料中引入一定量的可塑性粘土粉末，有助于改善泥料的可塑性，而且其加入量對(duì)泥料的可塑性指標(biāo)有影響。

在陶瓷工藝中，除礦物種類和顆粒細(xì)度會(huì)影響泥料的可塑性之外，固相顆粒的形狀也是陶瓷泥料可塑性的影響因素。首先，不同形狀顆粒的比表面是不同的，同體積的板片狀、短柱狀顆粒比表面較球狀和立方體顆粒大得多，前二種顆粒更容易形成面與面的接觸，構(gòu)成的毛細(xì)管半徑更小，毛細(xì)管力更大，可塑性更大；而且它們的對(duì)稱性低，移動(dòng)時(shí)阻力大，促使泥料的可塑性增大。另外，片狀結(jié)構(gòu)能夠增加泥料內(nèi)摩擦作用阻礙其相對(duì)滑動(dòng)使粘性增強(qiáng)，從而使可塑性提高[9-10]。由此可見，一定比例片狀結(jié)構(gòu)的固相顆?？商岣吣嗔系目伤苄?。

本文通過特殊方法改進(jìn)某種粘土的傳統(tǒng)加工工藝，促使該粘土礦物在加工成粉末時(shí)片狀結(jié)構(gòu)的比例增加，使得該粘土的可塑性進(jìn)一步提高，研發(fā)出專用的強(qiáng)可塑性粘土。試驗(yàn)結(jié)果表明，3D打印紫砂泥料中加入10%-15%該粉末材料時(shí)，可使其可塑性指標(biāo)在含水率24.5%時(shí)達(dá)到2.5以上，從而滿足LDM法3D打印成型的要求。

2.4 燒制工藝參數(shù)的控制

燒成溫度：1170 ℃±30 ℃；

保溫時(shí)間：30 min；

特點(diǎn)：具有透氣性、吸水性。

表2 工藝參數(shù)控制表Tab.2 The table for controlling technical parameters

表3 樣品收縮率測試表Tab.3 The shrinkage test of the samples

圖3 燒結(jié)后的樣品Fig.3 Sintered samples

綜上所述，滿足LDM法3D打印的紫砂泥料其配制工藝參數(shù)如表2。

3 試驗(yàn)分析

圖3為顆粒細(xì)度為萬孔篩余約0.098%，含水率27%時(shí)，可塑性指標(biāo)約2.62的紫砂泥料LDM法打印成型的坯體。該坯體經(jīng)1200 ℃的高溫?zé)?，保?0分鐘，得到較高精度、強(qiáng)度和密度的制品。

本文測試了燒成后杯型樣品的密度為2.224 g/cm3，強(qiáng)度為25 MPa，吸水率 ＞ 2%。為了便于控制精度，測試了該樣品的收縮率，如表3。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述方法所配制的紫砂泥料，當(dāng)泥料顆粒細(xì)度過250目篩，萬孔篩余 ≤ 0.1%，含水率為24%-28%，加入研發(fā)的可塑性粘土使其可塑性指標(biāo)達(dá)到2.5以上時(shí)，可用于LDM法成功打印出紫砂坯體。泥料中加入熟料，通過對(duì)原料進(jìn)行預(yù)燒可改變其結(jié)晶形態(tài)和物理性能，降低坯體干燥收縮和變形，加快半成品干燥速度，減少制品開裂，提高制品的質(zhì)量。