陶瓷坯體 3D塑性成形及原料性能研究

蔣小英

清遠市簡一陶瓷有限公司 廣東清遠 511500

陶瓷屬于一類無機材料，具有精美實用的特點，至今已有千年以上的歷史，但與此同時，因為陶瓷材料脆且硬度大，所以加工難度較大，傳統形式的制備工藝僅能將其加工成為形狀較為簡單的產品，并且制作成本較高，周期也較長。而采用3D塑性成形技術，可提升陶瓷產品的復雜程度，還能夠實現陶瓷產品應用效果和價值的提升。因為不同的陶瓷材料可以呈現出的作用各不相同，所以針對陶瓷坯體3D塑性成形及原料性能進行研究十分重要。

1 3D塑性成形技術原理

3D塑性成形技術由美國科學家根據快速成型技術研制而來，對該項技術進行應用，需要以數字模型文件為基礎，并采用基層造型的形式逐層堆疊材料，從而逐漸構造成為物體，在此過程中主要需要經過兩個步驟：一是數據建模，使用計算機將設計物品轉化成為多個數據，或是采用三維掃描儀開展立體掃描工作，以獲取其中的3D數據，之后將數據傳輸至打印機。二是打印，3D塑性成型技術中應用的打印機為一類快速成型裝置，其接收3D數據以后，可采用疊加材料的形式，將數據累積制作為3D實體[1]。

2 陶瓷坯體3D塑性成形技術的應用基礎

2.1 打印裝備總體設計

可以選擇將擠出堆疊3D打印機應用于陶瓷胚體3D塑性成形技術當中，原因在于其強度、剛性、穩定性以及速度均能基本滿足各項打印需求，同時適用于大件物品的成形操作，十分適合塑性泥料對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計工作的基礎，其中裝備主要如下：送料系統、擠出系統、軟件和控制系統。

2.2 打印機各系統選擇

上文中已經明確，打印機中包含三個系統，其中送料系統包含向壓力料倉、空壓機、管道以及螺旋推進器四個部分，在原料供給部分發揮功能，其中螺旋推進器也屬于擠出系統的組成部分，功能為向打印噴嘴擠出泥料，并采用適當的壓力與前一層粘結，以保障泥料供給累積過程的持續穩定。

與此同時，在打印機中應用的建模軟件、切片軟件以及三維數控系統分別為SolidWorks、ChiTuSlicer、ChiTu36，控制主板輸入電壓最小為12V，最大為24V，打印機在X、Y、Z三軸上進行運動，打印誤差可為：X≤0.05mm，Y≤0.05mm，Z≤0.06mm[2]。

2.3 配料

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

3 原料性能分析

3.1 原料基本要求

在陶瓷胚體3D塑性成形技術之中，選擇應用擠出堆疊3D打印機，順利落實打印工作的關鍵，即保障泥料的穩定性、流動性、可塑性。為了保障其中的穩定性，應首先保障泥料中處于無雜質且顆粒均勻的狀態，因為顆粒度能夠對打印穩定性和打印精度產生直接影響，所以在正常情況下，顆粒越粗，打印過程中泥料擠出難度越大，相應的打印精度隨之降低，所以在預制工作時，應使用280目篩對粉料進行處理，保持粒徑基本處于50m左右；流動性特點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，所以應該采用真空練泥機進行反復數次的練泥操作，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現凝聚，以避免胚體逐層堆積時發生變形。

3.2 原料性能影響因素

3.2.1 含水量對泥料可塑性的影響

在開展打印工作的過程中，在胚料成分不發生變化的基礎上，泥料含水量越大，應變量就越大，應變量增加的原因在于，泥料粒子在含水量增加的作用下發生水化，進而在顆粒表面構成水化膜，導致粒子間潤滑效果增加，泥料也就在受力之后出現位移情況，所以泥料的流動性因此增加，可塑性也因此降低。究其原因，主要在于泥料含水量較多時，其中的應力值減少，水化膜厚度進一步增加，顆粒之間相互的吸引力進一步減弱，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制品質量，需要對泥料中的含水量進行充分控制。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 泥料擠出壓力對胚體的影響

打印機屬于一個較為復雜的系統，打印效果可受到多方面因素的影響，例如料倉壓力、擠出速度、擠出量等，特別是對于擠出系統來說，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，將出現噴嘴處噴涌泥料的情況，也就是擠出速度和擠出量過大，而若擠出壓力在0.35MPa以下，能夠擠出的泥量相對較少，同時速度較慢，也就極易導致泥料在逐層堆積時，高處發生塌陷，所以在打印過程中，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，進而可以保障3D打印制品的表面光滑、層厚均勻且層間合較為緊密，從而有效避免出現制品塌陷等不良情況[3]。

3.2.3 甲基纖維素對胚體抗彎強度的影響

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

在通常情況下，應該將泥料中的甲基纖維素含量控制在3%左右，此時胚體的抗彎強度處于最大狀態，而若甲基纖維素含量超過4%，甚至達到5%，制品的抗彎強度將出現大幅度的下降。原因即在于有機物過多導致泥料整體密度下降，受到泥料孔隙率增加的影響，制品強度降低，所以，為了保障制品的質量，在需要應用甲基纖維素時，應嚴格控制用量。

4 結語

隨著科技發展，陶瓷胚體3D塑性成形技術的應用越來越廣泛，為了提升制品的質量和應用效果，有必要針對其相關技術進行進一步優化，同時深入掌握原料性能。所以需要針對其中的原料基本要求進行充分掌握，同時了解含水量對泥料可塑性的影響、泥料擠出壓力對胚體的影響以及甲基纖維素對胚體抗彎強度的影響等各方面因素對材料使用效果的影響，以能夠在開展打印工作時，充分協調各方面影響因素，以保障陶瓷3D打印制品的質量。