以廢陶瓷為原料的雙噴頭擠出式3D打印機

康友偉，劉鑫宇，聶子杰

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

作為陶瓷總產量最多的國家，中國的陶瓷行業對環境的破壞日益嚴峻。據文獻[1]所知，我國每年生產陶瓷消耗礦物原料超1.24億噸，消耗標煤超3 440萬噸。此外，全國陶瓷廢棄物的每年產量大約為1 000萬噸[2]。但現有的回收利用廢陶瓷的工藝效益低下，限制了廢陶瓷的再利用，而隨著增材制造技術的發展，為陶瓷行業提供了新的方向。

對此，本文設計了一種新型的雙噴頭擠出式3D打印機，實現了對廢棄陶瓷的再利用，節省了資源，減少了對環境的破壞，同時促進了陶瓷3D打印的發展，有助于陶瓷產業朝著高端、綠色的方向轉型升級。

1 制備打印材料

溶劑型陶瓷材料擠出成型有機系統具有脫除粘結過程用時短、易于使用的優點，是最常用的擠出成型陶瓷材料的類型。本文根據典型的粘結劑體系，采用水作為溶劑，甲基纖維素作為粘結劑，甘油作為增塑劑，硼酸作為表面活性劑制備粘結劑。試驗中向56 g純水中分別加入25 g甲基纖維素、13 g甘油和6 g硼酸，用玻璃棒攪拌均勻直至形成均勻混合的溶液。分批次添加廢瓷粉至上述漿料中并緩慢攪拌，每次加入10 g，調制出具有一定流動性的陶瓷膏體，并記錄加入廢瓷粉的次數以便計算膏體的固相含量。

在成型過程中，向注射器中倒入陶瓷膏體并擠壓，使陶瓷膏體從注射器口擠出并在玻璃板上固化，干燥一段時間直至成型。對于不同固含量的陶瓷膏體，觀察成型后的陶瓷外表形態，判斷是否成型、有無裂紋和缺陷，切割后觀察內部形態，判斷是否有孔洞和間隙，得出試驗結論并記錄。

根據上一次的試驗材料的性能，改變相應作用的試劑的用量，重復試驗并做記錄與比對，最后得出適合用于做擠出成型3D打印材料的配方。

2 打印機簡介

2.1 三軸聯動模塊

豎直方向的Z軸由滾珠絲桿和兩平行導桿組成，其一端與步進電機連結，另一端通過軸承與支架相連。水平前后方向的Y軸由兩根平行導桿組成，固定于支架上。平行于導桿上方設置同步帶傳遞運動，同步帶由步進電機驅動。水平左右方向的X軸由兩根平行導桿組成，固定于滑動模塊上，滑動模塊置于Y軸導桿上。平行于導桿上方設置同步帶傳遞運動，同步帶由步進電機驅動。

2.2 擠料模塊

擠料模塊主要由螺桿擠出頭、步進電機、儲料罐、空氣壓縮機、真空泵組成。雙噴頭打印機的兩個噴頭的區別主要體現在噴頭口徑大小的不同，大口徑噴頭對應連接盛裝自制泥料的儲料罐，小口徑噴頭對應連接盛裝普通泥料的儲料罐。兩個噴頭按固定間距△x連接在三軸聯動模塊的移動端上，噴頭中心連線與X軸平行。該3D打印機的模型如圖1所示。

圖1 打印機結構

擠料模塊使用時，將打印用泥料直接加入儲料罐中，攪拌均勻，經過真空泵真空除泡后，通過空氣壓縮機和步進電機的氣動、電動聯合雙驅動，將陶瓷泥料送入3D打印機的打印噴頭并擠出。

3 打印方法簡介

3.1 切片方法

將用于打印的三維模型分為內部填充及外表面成型部分，兩部分的分界線由模型的形狀和外表面部分的厚度決定，外表面部分的厚度由三維建模軟件根據實體需要設定而成。假設噴頭1為精細打印噴頭，噴頭2為粗糙打印噴頭，為了適應新型打印機雙噴頭的不同精度，內外部分分別采用不同成型層厚，即外表面要求精度較高的層厚設置為h，內部填充的層厚設置為2 h。

三維模型切片每一層分為內層和外層，內層填充使用精度較差的噴自制泥料的噴頭進行打印，節約材料；外層使用精度較高的噴普通泥料的噴頭進行打印，保證精度。以曲面形狀邊界為例，提升表面精細度原理如圖2所示，圖示為豎直方向邊界位置的局部截面圖。

圖2 提升表面精細度原理示意圖

3.2 打印方法

首先定義，如果第i層無內層填充，則第i層厚h；如果有填充，則第i層厚2h，包括厚為2h的內層以及厚均為h的i-I外層和i-Ⅱ外層，i-I和i-Ⅱ層的意義如圖2所示。打印底面層，即打印的第一層，為外表面層，只有厚度為h的切片層。三軸聯動模塊回歸初始位置，噴頭1工作出料，三軸聯動模塊在XY平面內牽引打印噴頭按切片文件的規劃路徑運動，直到底面層打印完畢。

打印中間層，中間層具有內部和外表面合成的切片數據。承接前一層，三軸聯動模塊下移h高度，噴頭1工作出料，三軸聯動模塊牽引打印噴頭打印實體外表面兩層中的較低層。三軸聯動模塊再下移h高度，噴頭安裝板向X軸負方向移動△x的距離，噴頭2工作出料，三軸聯動模塊牽引打印噴頭打印實體內部。內部打印完畢后，噴頭安裝板向X軸正方向移動△x的距離，噴頭1工作出料，三軸聯動模塊牽引打印噴頭打印實體外表面兩層中的較高層。至此，一層中間層打印完畢。其余中間層重復上述打印方法打印成型。

打印頂面層，即打印的最后一層，為外表面層，只有厚度為h的切片數據。三軸聯動模塊下移h高度，噴頭1工作出料，三軸聯動模塊牽引打印噴頭按切片文件的規劃路徑運動，直到頂面層打印完畢。至此，整個實體打印完畢。

對于打印成型所需添加的支撐結構，由噴頭2工作出料，逐層堆積成型。選擇小口徑的噴頭1對模型外表面進行打印，可以使工件外表面成型質量得以提高；選擇大口徑的噴頭2對模型內部進行填充，可以節約大量普通陶瓷泥料的使用并能提高打印速率。

4 總結

隨著陶瓷制造領域的發展創新，社會對形狀復雜的陶瓷零部件的需求量越來越大，受傳統制造工藝的限制，制造復雜結構的陶瓷更適合通過3D打印成型。面對發展迅猛的陶瓷3D打印技術，其對陶瓷原料的消耗隨之增加。然而用于3D打印的陶瓷原料日漸減少，原料成本則會越來越高，這給本文所用的技術帶來了廣闊的發展空間，應用前景可觀。