陶瓷坯體 3D塑性成形及原料性能研究

蔣小英

清遠(yuǎn)市簡(jiǎn)一陶瓷有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511500

陶瓷屬于一類無(wú)機(jī)材料，具有精美實(shí)用的特點(diǎn)，至今已有千年以上的歷史，但與此同時(shí)，因?yàn)樘沾刹牧洗嗲矣捕却?，所以加工難度較大，傳統(tǒng)形式的制備工藝僅能將其加工成為形狀較為簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，并且制作成本較高，周期也較長(zhǎng)。而采用3D塑性成形技術(shù)，可提升陶瓷產(chǎn)品的復(fù)雜程度，還能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷產(chǎn)品應(yīng)用效果和價(jià)值的提升。因?yàn)椴煌奶沾刹牧峡梢猿尸F(xiàn)出的作用各不相同，所以針對(duì)陶瓷坯體3D塑性成形及原料性能進(jìn)行研究十分重要。

1 3D塑性成形技術(shù)原理

3D塑性成形技術(shù)由美國(guó)科學(xué)家根據(jù)快速成型技術(shù)研制而來(lái)，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，需要以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，并采用基層造型的形式逐層堆疊材料，從而逐漸構(gòu)造成為物體，在此過(guò)程中主要需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟：一是數(shù)據(jù)建模，使用計(jì)算機(jī)將設(shè)計(jì)物品轉(zhuǎn)化成為多個(gè)數(shù)據(jù)，或是采用三維掃描儀開(kāi)展立體掃描工作，以獲取其中的3D數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)傳輸至打印機(jī)。二是打印，3D塑性成型技術(shù)中應(yīng)用的打印機(jī)為一類快速成型裝置，其接收3D數(shù)據(jù)以后，可采用疊加材料的形式，將數(shù)據(jù)累積制作為3D實(shí)體[1]。

2 陶瓷坯體3D塑性成形技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)

2.1 打印裝備總體設(shè)計(jì)

可以選擇將擠出堆疊3D打印機(jī)應(yīng)用于陶瓷胚體3D塑性成形技術(shù)當(dāng)中，原因在于其強(qiáng)度、剛性、穩(wěn)定性以及速度均能基本滿足各項(xiàng)打印需求，同時(shí)適用于大件物品的成形操作，十分適合塑性泥料對(duì)打印工作的直接成型要求。所以，需要將擠出堆疊原理作為打印裝備整體設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，其中裝備主要如下：送料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、軟件和控制系統(tǒng)。

2.2 打印機(jī)各系統(tǒng)選擇

上文中已經(jīng)明確，打印機(jī)中包含三個(gè)系統(tǒng)，其中送料系統(tǒng)包含向壓力料倉(cāng)、空壓機(jī)、管道以及螺旋推進(jìn)器四個(gè)部分，在原料供給部分發(fā)揮功能，其中螺旋推進(jìn)器也屬于擠出系統(tǒng)的組成部分，功能為向打印噴嘴擠出泥料，并采用適當(dāng)?shù)膲毫εc前一層粘結(jié)，以保障泥料供給累積過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定。

與此同時(shí)，在打印機(jī)中應(yīng)用的建模軟件、切片軟件以及三維數(shù)控系統(tǒng)分別為SolidWorks、ChiTuSlicer、ChiTu36，控制主板輸入電壓最小為12V，最大為24V，打印機(jī)在X、Y、Z三軸上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，打印誤差可為：X≤0.05mm，Y≤0.05mm，Z≤0.06mm[2]。

2.3 配料

根據(jù)技術(shù)要求以及最終的性能要求，對(duì)最為適宜的原材料進(jìn)行選擇，在一般情況下，應(yīng)該采用陶瓷粉末、添加劑、粘結(jié)劑按比例混合的形式。對(duì)于陶瓷坯體3D塑性成形技術(shù)來(lái)說(shuō)，可以在其中應(yīng)用的陶瓷材料形態(tài)包括以下幾個(gè)方面：（1）漿料，陶瓷與其他溶劑、添加劑共同形成的混合料，由物理處理和化學(xué)處理的形式成形。（2）陶瓷絲材，應(yīng)用于熔融堆積工藝。（3）陶瓷粉末，其中包含陶瓷粉末、粘結(jié)劑以及礦化物等多種物質(zhì)，主要在激光燒結(jié)以及粘接中應(yīng)用。（4）陶瓷薄片，將片狀材料擠壓成形并進(jìn)行粘接。

3 原料性能分析

3.1 原料基本要求

在陶瓷胚體3D塑性成形技術(shù)之中，選擇應(yīng)用擠出堆疊3D打印機(jī)，順利落實(shí)打印工作的關(guān)鍵，即保障泥料的穩(wěn)定性、流動(dòng)性、可塑性。為了保障其中的穩(wěn)定性，應(yīng)首先保障泥料中處于無(wú)雜質(zhì)且顆粒均勻的狀態(tài)，因?yàn)轭w粒度能夠?qū)Υ蛴》€(wěn)定性和打印精度產(chǎn)生直接影響，所以在正常情況下，顆粒越粗，打印過(guò)程中泥料擠出難度越大，相應(yīng)的打印精度隨之降低，所以在預(yù)制工作時(shí)，應(yīng)使用280目篩對(duì)粉料進(jìn)行處理，保持粒徑基本處于50m左右；流動(dòng)性特點(diǎn)則要求泥料之中的含水量適宜，以保障泥料處于致密且均勻的狀態(tài)，所以應(yīng)該采用真空練泥機(jī)進(jìn)行反復(fù)數(shù)次的練泥操作，保持真空度處于45MPa之間；可塑性的維持意義在于保障泥料由噴嘴中擠出以后迅速實(shí)現(xiàn)凝聚，以避免胚體逐層堆積時(shí)發(fā)生變形。

3.2 原料性能影響因素

3.2.1 含水量對(duì)泥料可塑性的影響

在開(kāi)展打印工作的過(guò)程中，在胚料成分不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，泥料含水量越大，應(yīng)變量就越大，應(yīng)變量增加的原因在于，泥料粒子在含水量增加的作用下發(fā)生水化，進(jìn)而在顆粒表面構(gòu)成水化膜，導(dǎo)致粒子間潤(rùn)滑效果增加，泥料也就在受力之后出現(xiàn)位移情況，所以泥料的流動(dòng)性因此增加，可塑性也因此降低。究其原因，主要在于泥料含水量較多時(shí)，其中的應(yīng)力值減少，水化膜厚度進(jìn)一步增加，顆粒之間相互的吸引力進(jìn)一步減弱，使屈服值下降，而若含水量能逐漸降低，顆粒之間可相互吸引，屈服值隨之增加。所以，為了保障陶瓷3D制品質(zhì)量，需要對(duì)泥料中的含水量進(jìn)行充分控制。有研究顯示，將泥料含水量控制在23%左右，泥料的可塑性最好。

3.2.2 泥料擠出壓力對(duì)胚體的影響

打印機(jī)屬于一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，打印效果可受到多方面因素的影響，例如料倉(cāng)壓力、擠出速度、擠出量等，特別是對(duì)于擠出系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，擠出速度、擠出量與擠出壓力成正比，且如果擠出壓力在0.5MPa以上，將出現(xiàn)噴嘴處噴涌泥料的情況，也就是擠出速度和擠出量過(guò)大，而若擠出壓力在0.35MPa以下，能夠擠出的泥量相對(duì)較少，同時(shí)速度較慢，也就極易導(dǎo)致泥料在逐層堆積時(shí)，高處發(fā)生塌陷，所以在打印過(guò)程中，必須充分控制泥料的擠出壓力，以保障泥料擠出量和擠出速度均處于適宜狀態(tài)，進(jìn)而可以保障3D打印制品的表面光滑、層厚均勻且層間合較為緊密，從而有效避免出現(xiàn)制品塌陷等不良情況[3]。

3.2.3 甲基纖維素對(duì)胚體抗彎強(qiáng)度的影響

對(duì)泥料塑性進(jìn)行控制的主要措施之一，即為控制其中粘結(jié)劑含量，由此，胚料自身若存在塑性不足的情況，在其中適量應(yīng)用甲基纖維素，可起到彌補(bǔ)作用。但若甲基纖維素的用量過(guò)多，將導(dǎo)致陶瓷中的有機(jī)物含量過(guò)多，制品性能將因此受到影響。所以在應(yīng)用甲基纖維素時(shí)，必須合理控制用量，以保障其能對(duì)泥料的可塑性起到優(yōu)化作用，也就可以促使3D打印制品具有更加良好的抗彎強(qiáng)度。

在通常情況下，應(yīng)該將泥料中的甲基纖維素含量控制在3%左右，此時(shí)胚體的抗彎強(qiáng)度處于最大狀態(tài)，而若甲基纖維素含量超過(guò)4%，甚至達(dá)到5%，制品的抗彎強(qiáng)度將出現(xiàn)大幅度的下降。原因即在于有機(jī)物過(guò)多導(dǎo)致泥料整體密度下降，受到泥料孔隙率增加的影響，制品強(qiáng)度降低，所以，為了保障制品的質(zhì)量，在需要應(yīng)用甲基纖維素時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制用量。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技發(fā)展，陶瓷胚體3D塑性成形技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了提升制品的質(zhì)量和應(yīng)用效果，有必要針對(duì)其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)深入掌握原料性能。所以需要針對(duì)其中的原料基本要求進(jìn)行充分掌握，同時(shí)了解含水量對(duì)泥料可塑性的影響、泥料擠出壓力對(duì)胚體的影響以及甲基纖維素對(duì)胚體抗彎強(qiáng)度的影響等各方面因素對(duì)材料使用效果的影響，以能夠在開(kāi)展打印工作時(shí)，充分協(xié)調(diào)各方面影響因素，以保障陶瓷3D打印制品的質(zhì)量。