基于螺桿擠出式工業陶瓷3D打印技術的最佳成型工藝研究

汪傳生，張 偉，江 瑞，馬亞標，邊慧光，晁宇琦

(青島科技大學機電工程學院，山東省聚合物材料先進制造技術重點實驗室，山東 青島 266061)

0 前言

3D打印技術也叫快速成型制造，又稱增材制造技術。該技術在20世紀80年代由美國麻省理工學院Emanual Sachs等人提出[1-2]，是通過建立數字模型然后利用黏性材料(工業陶瓷粉末、聚合物材料、金屬粉末等)層層疊加成型制備出成型制品的技術。3D打印技術是以數字建模、材料研究分析、三維信息處理等技術為基礎的新型前沿技術，打破了傳統的固有成型模式[3-4]。

隨著3D打印成型技術不斷突破發展，工業陶瓷3D打印成型技術不斷被應用到實際生產加工中。工業陶瓷制品在快速成型領域的發展也極為迅速，特別是對于一些結構復雜、精度要求高的個性化制品，工業陶瓷3D打印技術無論在價格成本、加工效率還是成型品質等方面都具有顯著的優勢[5]。早在1993年，美國麻省理工學院就利用摻有黏結劑的陶瓷粉末打印出陶瓷成品[6]，隨著3D打印技術的不斷發展，在2015年法國的一家3D Ceram公司基于Thierry Chartier將激光光固化快速成型技術用于陶瓷3D打印，研制出第一臺工業陶瓷3D打印機，從而推進了工業陶瓷在3D打印領域的開發和應用，使得學者們對工業陶瓷3D打印產生濃厚的興趣[7]。

綜合市面上桌面級3D打印機的缺點，并且結合課題組現有的橡膠擠出機的喂料擠出方式研發出一臺適用于工業陶瓷 - 聚合物共混材料的新型3D打印裝置——螺桿擠出式3D打印機。按照工業陶瓷 - 聚合物材料共混喂料最優實驗配方，利用自主研發的螺桿擠出式3D打印實驗平臺進行成型實驗研究。經過大量的實驗最終得出最佳成型工藝參數，按照最佳成型工藝參數能夠獲得表面品質優良，無缺陷的工業陶瓷毛坯件，有利于后續的脫脂 - 燒結實驗研究。圖1分別為螺桿擠出式3D打印機和打印機頭。

(a)螺桿擠出式3D打印機 (b)打印機頭圖1 螺桿擠出式3D打印機和打印機頭Fig.1 Screw-extrusion 3D printers and printer heads

1 混合物料分散混合機理

分散混合的目的是把陶瓷粉末固體顆粒和聚合物材料組成的黏結劑進行混合，制成混合顆粒或者更小的顆粒混合物，使聚合物材料組成的黏結劑能夠均勻包覆陶瓷粉末顆粒。分散混合過程是一個復雜的過程，在混合過程中要發生各種物理 - 力學和化學作用，分散混合過程原理如圖2所示。混煉過程中，黏結劑在剪切熱和傳導熱的作用下熔融塑化，將陶瓷粉末均勻加入到黏結劑中，在流場作用下產生分散混合，陶瓷粉末顆粒最終克服聚合物材料的內聚力，被黏結劑組分所包覆。

(a)陶瓷粉末 (b)聚合物材料組成的黏結劑 (c)陶瓷 - 聚合物混合物料圖2 分散混合過程原理Fig.2 Decentralized mixing process

2 實驗部分

2.1 主要原料

本次實驗選用江蘇天行新材料有限公司制造的型號為TGP-M100的氧化鋯粉末，其構成與性能如表1所示，所選陶瓷粉末的SEM照片如圖3所示;

表1 工業陶瓷粉末的構成與性能

圖3 工業陶瓷粉末的SEM照片Fig.3 SEM of industrial ceramic powder

聚合物材料在工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型技術中扮演著黏結劑的作用，表2為聚合物黏結體系中各構成成分及性能；原料制備過程中，將工業陶瓷粉末和聚合物材料進行混煉、粉碎、擠出、干燥等，制得大小均勻的工業陶瓷 - 聚合物混合喂料顆粒，其中工業陶瓷粉末的質量分數占工業陶瓷 - 聚合物材料共混喂料的92.23 %，體積分數占68 %。

2.2 主要設備及儀器

電子天平，FA1004，上海平軒科學儀器有限公司；

擠出機，SJ4525，余姚市綠島橡塑機械設備有限公司；

表2 聚合物黏結體系中各構成成分及各成分的性能

密煉機，SY-07，東莞市雙業機械設備有限公司；

真空干燥箱，DZF-6050B，上海力辰儀器科技有限公司；

破碎機，ZRPC-300，寧波中瑞陽塑料機械有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-IT300，日本電子株式會社；

螺桿擠出式3D打印機，QUST-350，青島科技大學。

2.3 實驗方案

該實驗研究的最終目的是得到能夠滿足加工要求的精密工業陶瓷制品，而前提是通過3D打印制備出精度高、品質好的工業陶瓷毛坯件。本實驗基于最佳工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印共混喂料，使用青島科技大學自主研發的螺桿擠出式3D打印實驗平臺，進而研究最佳3D打印成型參數。本次實驗以套筒為實驗對象進行打印成型實驗，根據模型體積、原料密度計算得到打印模型所需質量為47 g。若實際物料擠出量過多，則會造成打印過程中邊角料過多，表面品質差；若實際擠出量過少，則會出現斷層或內部缺陷等問題，因此實際擠出量的多少可以反映坯體件成型品質的好壞。由于打印過程中需要控制輸料、噴頭、成型平臺的溫度以及出料速度對坯體件進行打印，因此將這4個因素作為變量進行實驗分析研究，從而得到最佳的工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型工藝參數。若每個影響因素設定4個數值，則需要進行256次測試才能得到最終結果，為此選用正交試驗的方式進行測試，該方法不僅可以減小工作量，而且得到的結果具有可信性。表3和表4分別是所設定的正交因子和水平表以及正交試驗計劃表。

表3 正交因素水平表

本次正交試驗采用極差分析法[8-9]對實驗數據進行分析，如式(1)所示：

(1)

其中Kjm——第j列因素下m水平所對應的實驗指標和

Rj——第j列因素的極差，即第j列因素各水平下平均指標值的最大值與最小值之差

表4 正交試驗表

3 結果與討論

按照表4所設計的正交試驗計劃表進行實驗研究得到實驗結果，如表5所示。

表5 工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印工藝參數實驗結果

注：表中標準毛坯件成型質量為47 g，實驗結果為3個成型樣品質量的平均值。

實驗過程中打印的不同物料擠出量的坯體實物圖如圖4所示。

正視圖：(a)擠出量過多(c)擠出量正常(e)擠出量過少俯視圖：(b)擠出量過多(d)擠出量正常(f)擠出量過少圖4 不同物料擠出量的坯體實物圖Fig.4 Physical drawing of bodies with different extrusion output

通過表5正交試驗結果中的極差值得出：出料速度與輸料溫度是工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型技術的主要影響參數，而成型平臺溫度與噴嘴溫度的影響比較小。對表5中的平均值進行分析，進而確定工藝條件對工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型質量的影響。

3.1 輸料溫度的影響

輸料溫度作為影響工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型品質的關鍵因素之一，如圖5所示，共混喂料3D打印成型品質隨著溫度的升高而不斷地增加，輸料溫度在185 ℃時打印成型品質最接近標準質量，因此確定此溫度為工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型的最佳輸料溫度。輸料溫度在175 ℃到180 ℃時雖然達到了共混喂料的熔融溫度，但是其流動性較差，在打印模型過程中會出現出料不均勻、噴嘴堵塞等情況導致打印失敗。

圖5 輸料溫度對共混喂料3D打印成型品質的影響Fig.5 Effect of feeding temperature on 3D printing articles′ quality of blending feed

并不是輸料溫度越高打印效果越好，輸料溫度的選擇需要考慮諸多因素：當輸料溫度過低時，共混喂料的熔融狀態不完全，流動性較差，在打印模型過程中會出現出料不均勻、噴嘴堵塞等情況導致打印失敗；而當輸料溫度過高時，則會發生剪切變稀或者聚合物材料由于溫度過高在輸料筒內發生變性。因此綜合考慮以上的因素，選擇185 ℃作為最佳輸料溫度。

3.2 出料速度的影響

出料速度是影響工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型品質的關鍵因素之一，如圖6所示，共混喂料3D打印成型品質隨著出料速度的增加而增大。單位時間內出料速度越大，擠出的喂料質量越大，工業陶瓷毛坯件的質量越大。圖6中的數據顯示，出料速度為8 r/min時，共混喂料3D打印成型質量最接近標準質量；出料速度為7 r/min時，成型質量較小，這是由于在打印過程中出料速度過低，擠出量達不到成型所需要喂料總量，導致打印的工業陶瓷毛坯件出現斷層或者中間缺陷；出料速度為9、10 r/min時，成型質量較大，這是由于成型過程中共混喂料過多，打印的工業陶瓷毛坯件邊角料過多、表面粗糙。

圖6 輸料速度對共混喂料3D打印成型質量的影響Fig.6 Effect of discharge rate on 3D printing articles′ quality of blending feed

理論上出料速度越大，螺桿擠出式3D打印機保壓腔中的壓力越大，共混喂料的出料均勻性和穩定性越好，成型的工業陶瓷毛坯件效果越好，然而在實際打印過程中并非如此。出料速度較快時，成型的毛坯件所需要的共混喂料消化不了噴頭擠出的喂料，導致打印的工業陶瓷毛坯件邊角料過多、表面粗糙；出料速度較慢時，擠出量達不到成型所需要喂料總量，導致打印的工業陶瓷毛坯件出現斷層或者中間缺陷。因此需要綜合考慮打印過程中所需要的出料總量，最終選擇8 r/min為最佳出料速度。

3.3 噴頭溫度的影響

從正交試驗結果的極差值可知，噴頭溫度對工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印效果的影響較小，但還是會對毛坯件的質量造成影響。

如圖7所示，噴頭溫度為180 ℃時，工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型質量最接近標準質量。由于噴頭位置在打印時和毛坯件相觸碰，因此噴頭處的溫度大小能夠對毛坯件的質量造成直接影響。噴頭溫度為175 ℃時，由于溫度較低，共混喂料會在噴嘴處流出時固化，導致共混喂料堵塞噴嘴；噴頭溫度為185～190 ℃以上時，由于噴嘴處溫度過高導致共混喂料發生剪切變稀，共混喂料從噴嘴擠出時不能瞬間固化，導致喂料發生輕微滑移致使工業陶瓷成型毛坯件的表面質量粗糙。綜上考慮，選擇180 ℃為最佳噴頭溫度。

圖7 噴頭溫度對共混喂料3D打印成型質量的影響Fig.7 Effect of nozzle temperature on 3D printing articles′ quality of blending feed

3.4 成型平臺溫度的影響

從正交試驗結果的極差值可知，成型平臺溫度對工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印效果的影響較小，但還是會對毛坯件的質量造成影響，其決定了工業陶瓷毛坯件底面的成型效果以及在打印過程中毛坯件的固定效果。

如圖8所示，成型平臺溫度對工業陶瓷成型毛坯件的質量影響很小，成型平臺溫度為45 ℃時，工業陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型質量最接近標準質量。成型平臺溫度為40 ℃時，成型效果較差，這是成型平臺的溫度較低，共混喂料在成型平臺上瞬間固化導致成型毛坯件與成型平臺黏結性較差，出現錯位甚至移動等問題；成型平臺溫度為50 ℃以上時，雖然成型毛坯件與成型平臺黏結性較好，但是由于溫度較高導致成型毛坯件與成型平臺之間形成熱應力，導致成型毛坯件在打印過程中出現翹曲變形的現象，嚴重影響工業陶瓷毛坯件的尺寸成型精度。綜上考慮，選擇45 ℃為最佳噴頭溫度。

圖8 成型平臺溫度對共混喂料3D打印成型品質的影響Fig.8 Effect of molding platform temperature on 3D printing articles′quality of blending feed

4 實驗驗證

按照上述實驗所得最佳成型工藝參數，利用自主研制的螺桿擠出式3D打印設備打印模型毛坯件進行實驗驗證，所得到的毛坯件及其表面平整度如圖9所示，根據模型體積以及物料密度計算得毛坯件標準質量為98 g，實際成型毛坯件質量為98.23 g，成型質量合格，通過三維形貌儀測得毛坯件表面平整度曲線波動在20 μm之內，表面光潔度較好，坯體件的表面光滑，驗證了最佳成型工藝參數的合理性。

(a)3D打印毛坯件 (b)毛坯件表面平整度圖9 3D打印成型的毛坯件及其表面平整度Fig.9 3D printed blanks and their surface smoothness

5 結論

(1)按照最佳喂料配方所制備出的共混喂料，利用螺桿擠出式3D打印設備設置不同的成型參數，通過正交試驗法可以得出最佳的成型工藝；

(2)輸料溫度為185 ℃、出料速度為8 r/min、噴頭溫度為180 ℃、成型平臺溫度為45 ℃時，通過螺桿擠出式3D打印機打印成型的工藝陶瓷毛坯件的質量最佳。