廢棄陶瓷3D打印再生工藝的仿真分析

張文堯，賀夢(mèng)鴿，壽燁俊

廢棄陶瓷3D打印再生工藝的仿真分析

張文堯，賀夢(mèng)鴿，壽燁俊

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

利用3D打印技術(shù)解決廢棄陶瓷污染，實(shí)現(xiàn)廢瓷再生利用的關(guān)鍵是選擇合適的工藝參數(shù)。打印頭直徑?jīng)Q定打印速度，而分層厚度是影響陶瓷制件打印精度的關(guān)鍵因素。掃描速度與打印速度的合理搭配有利于提高打印的精度與打印件質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)掃描速度為12～15 mm/s，層厚為1.1～1.2 mm，打印頭直徑為1.25 mm時(shí)能夠打印出較理想的陶瓷制件。

廢棄陶瓷；3D打印；工藝參數(shù)；仿真分析

陶瓷材料因其高硬度高強(qiáng)度、耐熱不易氧化等優(yōu)良性能，在機(jī)械、能源等相關(guān)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著陶瓷產(chǎn)量逐年增高，陶瓷生產(chǎn)帶來的廢瓷垃圾越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年產(chǎn)生廢棄陶瓷1 300萬噸左右[2]，陶瓷經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后無法降解，導(dǎo)致大量原料的過度消耗和土地資源的不合理占用。3D打印技術(shù)作為一種新興“增材”制造技術(shù)[3]，通過計(jì)算機(jī)三維建模并采用掃描堆積成型，成為有效解決廢棄陶瓷污染實(shí)現(xiàn)廢瓷再生利用的新途徑，是陶瓷回收行業(yè)與現(xiàn)代新科技的完美融合。

主要研究在常溫下利用3D打印技術(shù)廢瓷再生利用的工藝參數(shù)選擇及擠出過程的仿真分析，以確定合適參數(shù)保證廢瓷膏體可在陶瓷3D打印機(jī)上使用并打印預(yù)設(shè)零件。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選用湖北鑫來利建筑陶瓷公司仿古磚生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢瓷為主要原料制備陶瓷漿料及膏體，粘合劑體系由去離子水、中粘CMC、硼酸及甘油按比例配置而成。制備好陶瓷漿料后將其放置在行星式快速球磨機(jī)上充分球磨后，等量放入打印頭內(nèi)密封貯存，為防止水分減少及陶瓷顆粒沉聚對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，實(shí)驗(yàn)所需陶瓷膏體均為現(xiàn)配現(xiàn)用。

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

2.1 擠出壓力參數(shù)選擇

陶瓷坯體由3D打印機(jī)打印頭擠出的膏體在平臺(tái)上逐層堆積而成。膏體放置在料筒中，打印頭的活塞桿推動(dòng)膏體作擠壓運(yùn)動(dòng)從而使膏體被擠出。由Carreau物理模型可知，膏體所受的擠出壓力與擠出口長(zhǎng)度和直徑以及掃描速度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，每次實(shí)驗(yàn)膏體裝載量相同，均為50 mL，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.2 分層厚度參數(shù)選擇

分層厚度是3D打印時(shí)層與層之間的距離，是影響3D打印陶瓷制件精度的關(guān)鍵因素。選用表1所示3種直徑的打印頭，并匹配相應(yīng)分層厚度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù)如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)擠出壓力的參數(shù)設(shè)置

打印頭直徑D/mm擠出壓力/（kg/cm2）打印頭直徑D/mm擠出壓力/（kg/cm2） 0.841.51.253.5 0.842.01.254.0 0.842.51.544.5 1.253.01.545.0

表2 分層厚度設(shè)置

打印頭直徑D/mm分層厚度h/mm 0.840.91，0.97，1.02 1.251.05，1.10，1.18 1.541.20，1.23，1.29

2.3 掃描速度參數(shù)選擇

合理選擇掃描速度與打印速度有利于提高打印件的尺寸精度與表面質(zhì)量。當(dāng)擠出壓力一定時(shí)，掃描速度不同會(huì)導(dǎo)致打印效果不同。本文選取3種不同的掃描速度，分別為10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擠出壓力參數(shù)確定

本實(shí)驗(yàn)通過改變擠出口直徑和壓力，經(jīng)過多次打印試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)擠出壓力為3～5 kg/cm2時(shí)陶瓷膏體擠出過程穩(wěn)定。壓力過小和過大都會(huì)影響膏體擠出過程的狀態(tài)。從理論上來說，打印頭直徑越小則打印精度越高，但由于制備的陶瓷膏體具有一定黏度，打印頭直徑過小時(shí)膏體擠出困難無法有效打印制件。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用的打印頭直徑為1.25 mm，擠出壓力為4 kg/cm2。

3.2 分層厚度參數(shù)確定

分層厚度參數(shù)確定實(shí)驗(yàn)設(shè)置直徑為1.25 mm的打印頭，設(shè)定擠出壓力為4 kg/cm2。根據(jù)直徑為1.25 mm的打印頭選擇1.02 mm、1.10 mm、1.18 mm三種不同的分層厚度并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，分層厚度為1.1 mm時(shí)膏體的擠出成型能力較好。分層厚度過小使擠出體受打印頭垂直壓力作用趨于扁平，影響打印的尺寸精度；分層厚度過大使陶瓷膏體易發(fā)生扭曲變形。

3.3 掃描速度參數(shù)確定

掃描速度決定了3D打印的速度，設(shè)置分層厚度為1.1 mm，改變掃描速度，多次打印結(jié)果。當(dāng)掃描速度為12～15 mm/s時(shí)打印速度較快且打印精度較好。掃描速度過小，膏體會(huì)發(fā)生液相遷移現(xiàn)象，料桶內(nèi)的膏體變干而無法擠出；掃描速度過大，擠出速度無法滿足擠出體累加的需要，坯體上會(huì)出現(xiàn)缺口。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可得最佳3D打印工藝參數(shù)的范圍：掃描速度12～15 mm/s，層厚1.1～1.2 mm，噴嘴直徑1.25 mm。打印過程中膏體擠出順暢連續(xù)，得到的坯體層次清楚、排列緊湊有序且放置干燥后不開裂。

3.4 打印過程模擬仿真分析

在打印過程中，側(cè)壁摩擦應(yīng)力越大則膏體軸向速度相差越大，側(cè)壁對(duì)流體的壓力越大則徑向速度越大，膏體易產(chǎn)生縱向裂紋。通過模擬仿真分析3D打印過程中膏體橫截面上的軸向速度和縱向速度，可以進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

仿真參數(shù)設(shè)定情況如表3所示。橫截面軸向、縱向速度速度仿真結(jié)果如圖1所示。根據(jù)仿真結(jié)果，出口橫截面軸向速度差為6.779×10-6m/s，徑向速度最大值為6.508×10-7m/s，擠出體應(yīng)力狀態(tài)比較好，且穩(wěn)定擠出速度穩(wěn)定。

4 結(jié)論

選擇恰當(dāng)?shù)姆謱雍穸瓤梢员ＷC打印的精度，分層厚度過大或過小都會(huì)影響胚體的成型效果。良好配合的掃描速度和擠出速度可以保障打印出表面質(zhì)量較好的胚體。試驗(yàn)結(jié)果表明，掃描速度為12～15 mm/s，層厚1.1～1.2 mm，打印頭直徑為1.25 mm時(shí)，能夠打印表面質(zhì)量良好且具備較高精度的陶瓷制件。

表3 仿真參數(shù)設(shè)定

膏體流變模型冪律模型 膏體密度ρ=1.8×103 kg/m3 擠出速度v=0.2 mm/s 擠出口直徑D=1.2 mm

（a）橫截面軸向速度 （b）橫截面縱向速度

［1］程佳劍.陶瓷材料3D打印關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2018.

［2］李來勝，江峰，張秋云.陶瓷工業(yè)節(jié)能減排技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］孫勇.一種新的陶瓷部件快速成形技術(shù)及材料性能研究［D］.咸陽：陜西科技大學(xué)，2005．

TQ174.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.031

2095－6835（2019）13－0075－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕