工艺参数对3D打印陶瓷零件质量的影响

第３１卷第４期　２０１５年８月　上海　电　力　学　院　学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　ｒＶｏ１．３１．Ｎｏ．４　Ａｕｇ．　２０１５　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—４７２９．２０１５．０４．０１４　工艺参数对３Ｄ打印陶瓷零件质量的影响　刘骥远，吴懋亮，蔡杰，陈军，谢２０００９０）　飞　（上海电力学院能源与机械工程学院，上海摘要：３Ｄ打印技术可用于制造结构复杂、致密度高的陶瓷零件，其工艺参数的选择对零件的加工质量具有重　要影响．不同挤出头直径下，挤出速度随着挤出压力的增大而加快，分层厚度与挤出头直径相关，而扫描速度与　挤出速度的配合关系会直接影响陶瓷零件的成型精度．试验结果表明：在挤出头长度为５　ｍｍ，挤出头直径为　０．６　ａｉｍ，挤出压力为４　ｋｇ／ｃｍ　，扫描速度为２０　ｍｍ／ｓ，分层厚度为０．５　ｍｍ的打印参数下，能够打印出较理想的　陶瓷零件．　关键词：３Ｄ打印；工艺参数；陶瓷零件　中图分类号：ＴＰ３３４．８；ＴＱ１７４．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６—４７２９（２０１５）０４—０３７６—０５　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　３Ｄ　Ｐｒｉｎｔｉｎｇ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｐａｒｔｓ　ＬＩＵ　Ｊｉｙｕａｎ，ＷＵ　Ｍａｏｌｉａｎｇ，ＣＡＩ　Ｊｉｅ，ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ，ＸＩＥ　Ｆｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｆ　ｏＥｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ（，砌　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　３　Ｄ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｐａｒｔｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ａｆｆｅｃｔ　ｐａｒｔｓ　ｑｕａｌｉｔｙ．Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｈ　ｔｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｈｅａｄ　ｏｒｉｆｉｃｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒｓ．１ａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｌｓｏ　ｒｅｌａｔｅｓ　ｔｏ　ｏｒｉｆｉｃｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ａｎｄ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　３Ｄ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｓ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｐａｒｔｓ　ｗｉｔｈ　ｐｒｅｔｔｙ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｉｔｈ　５　ｍｍ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｈｅａｄ　ｌｅｎｇｔｈ，０．６　ｎｌｎｌ　ｈｅａｄ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，　４　ｋｇ／ｃｍ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，２０　ｍｍ／ｓ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　０．５　ｍｍ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　３Ｄ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｃｅｒａｍｉｃ　ｐａｒｔｓ　陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优良　性能，在机械、能源等领域有着广泛的应用．但这　些特性也导致了陶瓷材料加工困难的问题，传统　术，　它建立在离散／堆积的成形原理上．　陶瓷材料的３Ｄ打印技术推动了陶瓷零件制　造业的发展，该方法根据设计的ＣＡＤ模型，不需　的陶瓷零件加工繁琐复杂、耗时耗力、成本高昂，　而陶瓷成型工艺是降低陶瓷零件生产成本和提高　陶瓷零件成型性能的关键．与传统的“减材”制造　技术不同，３Ｄ打印技术是一种“增材”制造技　收稿日期：２０１５—０５—１０　要模具便可快速打印出所需的陶瓷零件．目前常　见的陶瓷零件的３Ｄ打印技术有：立体光刻成型、　激光选区烧结成型、ｌ３刮熔融沉积陶瓷成型、喷墨　打印成型、ｌ　３Ｄ打印成型、＿８　层合实体造型、形　通讯作者简介：吴懋亮（１９７０一），男，博士，副教授，山东莱芜人．主要研究方向为３Ｄ打印和燃料电池　Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｍａｏｌｉａｎｇ＠ｓｈｉｅｐ．ｅｄｕ．ｃａ．　刘骥远，等：工艺参数对３Ｄ打印陶瓷零件质量的影响　状沉积造型以及固体自由成型　等．　本文研究了一种常温下利用３Ｄ打印技术加　工陶瓷零件的工艺方法，将陶瓷粉末、液相溶剂、　可以控制不同的挤出压力，并与ＰＣ端协同控制，　以调节扫描零件的分层厚度和扫描速度．　分散剂、粘结剂等材料按照一定的比例混合，制备　出具有一定粘度和流动性的陶瓷浆料，并放入球　磨机中球磨得到高固相的陶瓷膏体，然后根据　ＣＡＤ模型逐层叠加打印出陶瓷坯体，最后经过干　燥、烧结等后处理工艺，得到陶瓷零件．本文根据　试验结果，分析了挤出压力、分层厚度和扫描速度　空压机　等工艺参数对零件加工质量的影响．　１试验准备　１．１试验材料的选择　本文选用天津天力化学试剂有限公司生产的　—Ａ１，Ｏ　粉料为主要原料制备陶瓷浆料及膏体，　ＡＩ，Ｏ　粉末密度为３．９７　ｇ／ｃｍ　，分散剂选用聚丙　烯酸铵，聚乙二醇作为粘结剂，并利用氨水来调节　陶瓷浆料的ｐＨ值．实验中使用的主要化学试剂　如表１所示．　将配制好陶瓷浆料在球磨机上球磨５　ｈ后分　装在挤出头内密封贮存，为了减少水分蒸发及陶　瓷颗粒的沉聚对实验产生的影响，实验中均采用　２　ｈ内配制的陶瓷膏体．　表１实验使用的主要化学试剂　氨水Ｎｉｌｓ・Ｈ：。分析纯贸化　篡言ｐ节Ｈ剂调　ＰＥＧ　分析纯　增塑剂　１．２试验装置　实验在自主设计的Ｄｅｌｔａ结构３Ｄ打印机上　完成，如图１所示．设备硬件主要由４部分组成：　机架和工作台，起支撑作用；空压机，提供高压空　气，驱动挤出头运动挤出陶瓷材料；并联机构，将　步进电机的运动转换成挤出头的扫描运动；各种　驱动电机及传感器．空压机产生的气压推动挤出　头内的活塞运动挤出陶瓷浆料，调节空压机气压　图Ｉ　３Ｄ打印机结构　１．３加工工艺参数的选择　１．３．Ｉ挤出压力的选择　３Ｄ打印机挤出头的结构模型如图２所示．膏　体放置在挤出头的腔体内部，加工零件时，挤出头　的活塞在压力作用下运动，将膏体从挤出口挤出．　由Ｂｅｎｂｏｗ－Ｂｒｉｄｇｗａｔｅｒ物理模型可知，挤出膏体所　需的压力与挤出头的直径和长度有关．　●　’　■一，－　Ｄ：一・０　．　．．．　：　挤出　●　。请　“　１　，．．・：』　挤ｍ口　死区　图２挤出头的结构模型　选取相同的膏体装载量，相同的挤出头长度　Ｌ＝５　ｍｍ，在不同的挤出头直径Ｄ的情况下，挤　出压力的实验参数设置如表２所示．　表２不同直径下挤出压力的参数设置　挤出头直径Ｄ／　挤出压力／　挤出头直径Ｄ／　挤出压力／　ｍｍ　（ｋｇ・ｃｍ　）　ｍｍ　（ｋｇ－ｃｍ　）　Ｏ．４　１．５　Ｏ．６　３．５　ｏ．４　２．ｏ　０．６　４．ｏ　０．４　２．５　ｏ．８　４．５　Ｏ．６　３．ｏ　Ｏ．８　５．０　１．３．２分层厚度的选择　分层厚度是３Ｄ打印机在打印零件时层与层　之间的距离，这种逐层叠加的工作原理不可避免　地破坏了模型表面的连续性，从而产生加工零件　３８０　上海电力学院学报　２０１５年　速度为２０　ｍｍ／ｓ时，能够打印出表面质量良好且　具备较高精度的陶瓷零件，如图８所示．　图８参数优化后打印出的零件　３　结　论　（１）分层厚度会影响陶瓷膏体挤出过程，当　分层厚度为挤出头直径的８０％一９０％时，打印的　零件具有较好的表面质量及外形精度．　（２）挤出压力越大，陶瓷材料挤出速度就越　快；挤出压力过大或过小会导致陶瓷零件上出现　疙瘩或缺口．　（３）良好配合的扫描速度和挤出速度可以保　障加工出表面质量较好的零件．　（４）试验表明，挤出头直径Ｄ：０．６　ｔｉｌｍ，分　层厚度为０．５　ｒａｍ，挤出压力为４　ｋｇ／ｃｍ　，填充速　度为２０　ｍｍ／ｓ时能够打印出表面质量良好且具　备较高精度的陶瓷零件．　参考文献：　［１］　杨万莉，王秀峰．基于快速成型技术的陶瓷零件无模制造　［Ｊ］．材料导报，２００６（１２）：９２－９５．　［２］孙勇．一种新的陶瓷部件快速成形技术及材料性能研究　［Ｄ］．咸阳：陕西科技大学，２００５．　［３］　ＧＯＯＤＲＩＤＥＧ　Ｒ，ＤＡＬＧＡＭＯ　Ｋ，ＷＯＯＤ　Ｄ．Ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ａｎ　ａｐａｔｉｔｅ　ｍｕｌｌｉｔｅ　ｇｌａｓｓ－ｃｅｒａｍｉｃ　ｆｏｇ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｂｏｎｅ　ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉ　ＭＥＣＨ　Ｅ（Ｐａｒｔ　Ｈ），Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，２００６（１）：５７－６８．　［４］ＫＲＵＴＨ　Ｊ　Ｐ，ＫＵＭＡＲ　Ｓ，ＶＡＲＥＮＢＥＲＧＨ　Ｊ　Ｖ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆｌａｓｅｒ　－ｓｉｎｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｅｒｒｏ—ｂａｓｅｄ　ｐｏｗｄｅｒ［Ｊ］．Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００５，１１（５）：２８７－２９３．　１　５］　ＫＯＶＡＬＥＶ　Ａ　Ｉ，ＭＩＳＨＩＮＡ　Ｖ　Ｐ，ＷＡＩＮＳＴＥＩＮ　Ｄ　Ｌ．ｅｔ　ａ１．　Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ－・ｐｈａｓｅ　ｐｏｗｄｅｒ　Ｃｒ—・Ｖ　ｔｏｏｌ　ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｊｍｅｐｅｇ，２００２（１１）：４９２－４９５．　［６］ＪＯＬＬＩＶＥＴ　Ｔ，ＤＡＲＦＥＵＩＬＬＥ　Ａ，ＶＥＲＱＵＩＮ　Ｂ．ｅｔ　ａ１．Ｒａｐｉｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｐａｒｔｓ　ｂｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ　Ｆｏｒｍ，２００９（２１）：６９７－７００．　［７］ＴＥＮＧ　Ｗ，ＥＤＩＲＩＳＩＮＧ　Ｍ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｉｎｋｓ　ｆｏｒ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｊｅｔ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ　Ａｍ　Ｃｅｒａｍ　Ｓｏｃ，１９９８，　８ｌ（４）：ｌ　０３３．　ｆ　８］　ＳｕｗＡＮＰＲＡＴＥＥＢ　Ｊ，　ＳＵＶＡＮＮＡＰＲＵＫ　Ｗ，　ＷＡＳＯＯＮＴＡＲＡＲＡＴ　Ｋ．Ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｖｉａ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　３Ｄ－ｐｒｉｎｔｅｄ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｓｕｌｆａｔｅ　ｈｅｍｉｈｙｄｒａｔｅ　ｂａｓｅｄ　ｍａｔｅｒｉｌａ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ　ＳＣＩ：　Ｍａｔｅｒ　Ｍｅｄ，２００８（１９）：２　６３７－２　６４５．　［９］　ＳＵＷＡＮＰＲＡＴＥＥＢ　Ｊ，ＳＡＮＮＧＡＭ　Ｒ，ＳＵＶＡＮＮＡＰＲＵＫ　Ｗ．　Ｐｆ　ａ１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｉｎ　ｖｉｔｒｏ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｐａｔｉｔｅ—　ｗｏｌｌａｓｔｏｎｉｔｅ　ｇｌａｓｓ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　３Ｄ—ｐｒｉｎｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒ　ＳＣＩ：Ｍａｔｅｒ　Ｍｅｄ，２００９（２Ｏ）：１　２８１－１　２８９．　［１０］ＹＥＮ　Ｈｕｎｇｊｅｎ，ＴＳＥＮＧ　Ｃｈｉｎｇｓｈｉｏｗ，ＨＳＵ　Ｓｈａｎｈｕｉ，ｅｔ　ａ１．　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈｏｎｄｒｏｃｙｔｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｌｙ　ｐｏｒｏｕｓ　ｓｃａｆｆｏｌｄｓ　ｍａｄｅ　ｂｙ　ｆｕｓｅｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ（ＦＤＭ）　ｉｆｌｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｙｐｅ　ＩＩ　ｃｏｌｌａｇｅｎ［Ｊ］。Ｂｉｏｍｅｄ　Ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ，２００９　（１１）：６１５－６２４．　（编辑白林雪）