LDM法3D打印紫砂泥料的制備及參數控制

張艾麗

(山西省玻璃陶瓷科學研究所(有限公司)，山西 太原 030013)

0 引 言

隨著材料應用領域的不斷拓展，陶瓷材料因具有很多優良性能而在航天、汽車、機械等領域得到了廣泛應用。成型技術作為陶瓷結構件制備的重要環節之一，對陶瓷產品的結構、性能和應用具有決定性作用。傳統的成型技術雖已非常成熟，在規?；奶沾缮a工業中也發揮了重要的作用，但這些技術在當今社會已難以滿足個性化、復雜化、精細化的高端產品快速制造的需求，大大限制了高性能陶瓷的開發研究與應用[1-2]。

3D打印技術作為一種新型的技術受到了廣泛關注和高度重視，相對于傳統陶瓷成型技術，該技術可以不受模具制作或加工工藝限制[3-5]，為復雜陶瓷結構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，而且結構越復雜，3D打印的優勢越明顯。可見，3D打印技術在高性能陶瓷材料的成型制造領域具有巨大的發展前景。

目前，3D打印快速成型方法有如下幾種：液態沉積成型(簡稱LDM)、分層實體成型(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)、選區激光燒結(簡稱SLS)、噴墨打印法(簡稱IJM)等。

LDM法3D打印技術(liquid deposit modeling)，又叫液態沉積成型，其工藝原理是將陶瓷泥料用擠出機或毛細血管流變儀做成絲，按照設計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。

打印材料是制約陶瓷3D打印技術發展的關鍵因素之一，目前大多3D打印的陶瓷材料需使用有機粘結劑或光敏樹脂等有機材料。但是，這些有機材料與陶瓷粉體之間的粘結強度不足，固化后的坯體易受粉體松裝密度的限制，致密度低，力學性能較差，表面較為粗糙；另外，有機材料需經高溫熱處理清除，所以陶瓷坯體的體積收縮大且難以控制，結構易變形、坍塌，導致制件精度難以控制[6-7]。

本文以實現3D打印陶瓷材料需求為目的，制備出滿足LDM法3D打印技術要求的陶瓷材料，用強可塑性粘土代替有機粘結劑，改善陶瓷制品的力學性能，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，單種原料即具有理想的可塑性，制得的泥坯強度較高，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%，制品具有結構致密，接近瓷化，強度較大的特點。

本文采用LDM法3D打印制備了紫砂制品，并對滿足打印條件的紫砂泥料進行了相關工藝參數的量化控制。先將紫砂原料及配料制備成一定細度的粉料，再按照成型所需的含水率加入適量的水配制成泥料，泥料的顆粒細度、含水率和可塑性均要滿足液態沉積成型(LDM)3D打印成型技術的要求，打印機擠壓噴頭沿設計的模型制件的每一截面輪廓運動，泥料通過噴頭擠出沉積成實際制件的截面薄層，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。因此本文調整了配方，加入一定量的熟料，通過對原料進行預燒可改變其結晶形態和物理性能，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品的三維立體模型文件。

(2)將三維立體模型文件導入3D打印切片軟件中，進行切片設置，保存為3D MODEL文件。

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

(4)打印完成后，得到陶瓷坯體(如圖1)。

在整個打印過程中，要注意避免出現如下問題：

(1)泥料中不能混入大顆粒，否則會堵塞打印機噴頭，迫使打印中止。

(2)料筒及連接管中的泥料內不能有氣泡，在打印過程中，氣泡會隨泥料運動到達噴頭產生氣流沖擊，致使已成型部分遭到破壞，打印中止不能連續。

(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打印機技術參數Tab.1 Technical parameters of LDM 3D printing

2 工藝參數控制

2.1 泥料顆粒細度的控制

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

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

一方面，顆粒越細，打印成型精度越高，效果越好；另一方面，細碎使表面離子的數量大大增加，粉料越細，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，縮短燒成時間，提高致密度，改善材料性能。而且，選用較細的打印針頭可提高打印制品的精度，針頭越細，所需的泥料顆粒細度也要越小。

本文配比好的紫砂粉末材料的顆粒細度用篩余量來控制，應至少過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可塑性的必要條件，只有泥料中水分適當才能呈現最大可塑性。

在測定泥料的可塑性指標時發現，對于同一種泥料，泥團屈服開裂時所受到的應力隨泥料含水率的增加而減小；而泥團的最大應變卻隨含水率的增大而增加。由于可塑性指標等于泥團屈服開裂時的應力乘應變，則對應于某一含水率值，泥料的可塑性指標可達到最大值。當泥料含水率低于該值時可塑性指標隨含水率遞增，當泥料含水率高于該值時泥料可塑性指標隨含水率遞減。由此可知，泥料可塑成型時的最佳水分應該是可塑性最大時的含水率(又稱可塑水分)(如圖2所示)[9]。

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

在實際打印成型操作中，泥料含水率的影響也是顯而易見的。泥料太硬可能會在擠制過程中導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，甚至會完全擠不出，導致不能成型；泥料太軟又可能使得打印好的下層坯體強度不夠，因為打印是連續的。打印上層時，如果下層強度不足以承擔上層泥料的壓力，將會導致坯體變形、坍塌甚至完全不能成型。可見，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，應對含水率進行量化控制。

所以，本文紫砂泥料含水率要經過嚴格控制，而且不同的泥料配方含水率范圍也應不同，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：一種是可塑性指標法；一種是可塑性指數法。對于可塑成型，測量可塑性指標更有指導意義。

純紫砂泥料的可塑性指標并不高，經檢測，含水率24.5%的紫砂泥料可塑性指標僅為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，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，而且其加入量對泥料的可塑性指標有影響。

在陶瓷工藝中，除礦物種類和顆粒細度會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，構成的毛細管半徑更小，毛細管力更大，可塑性更大；而且它們的對稱性低，移動時阻力大，促使泥料的可塑性增大。另外，片狀結構能夠增加泥料內摩擦作用阻礙其相對滑動使粘性增強，從而使可塑性提高[9-10]。由此可見，一定比例片狀結構的固相顆?？商岣吣嗔系目伤苄浴?/p>

本文通過特殊方法改進某種粘土的傳統加工工藝，促使該粘土礦物在加工成粉末時片狀結構的比例增加，使得該粘土的可塑性進一步提高，研發出專用的強可塑性粘土。試驗結果表明，3D打印紫砂泥料中加入10%-15%該粉末材料時，可使其可塑性指標在含水率24.5%時達到2.5以上，從而滿足LDM法3D打印成型的要求。

2.4 燒制工藝參數的控制

燒成溫度：1170 ℃±30 ℃；

保溫時間：30 min；

特點：具有透氣性、吸水性。

表2 工藝參數控制表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如表2。

3 試驗分析

圖3為顆粒細度為萬孔篩余約0.098%，含水率27%時，可塑性指標約2.62的紫砂泥料LDM法打印成型的坯體。該坯體經1200 ℃的高溫燒制，保溫30分鐘，得到較高精度、強度和密度的制品。

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 論

根據上述方法所配制的紫砂泥料，當泥料顆粒細度過250目篩，萬孔篩余 ≤ 0.1%，含水率為24%-28%，加入研發的可塑性粘土使其可塑性指標達到2.5以上時，可用于LDM法成功打印出紫砂坯體。泥料中加入熟料，通過對原料進行預燒可改變其結晶形態和物理性能，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，提高制品的質量。