陶瓷三维打印机的分析及应用研究

□ 袁晓东

郑州航空工业管理学院 郑州 450000

三维打印技术又称为3D制作技术［1］，它是起源于20世纪80年代后期的一项针对制件快速成形的工业生产技术，目前该项制作技术已经开始被社会的各个专业领域所认知。

近年来随着陶瓷生产技术的不断提高和陶瓷材料技术的迅猛发展，三维打印技术也开始进入了传统陶瓷器件的制作行业之中，并引起了众多有远见的陶瓷产品生产企业和陶瓷行业从业者的重视。通过实践证明，三维打印成形技术其独特的成形工艺通过与陶瓷材料的结合，在陶瓷器件的设计及生产上，与立体印制、叠成实体制作、选择性激光烧结成形等其它种类的陶瓷材料快速成形技术相比，具有无法被取代的先天优势［5］，已经被认为是陶瓷产品快速成形领域中最有生命力的新技术。

1 陶瓷三维打印机分析

1.1 传统黏结成形陶瓷三维打印机

三维打印技术在发明之初，已经与陶瓷材料结下了不解之缘，传统的黏结成形陶瓷三维打印技术［4］，可采用陶瓷材料进行特殊制件的打印（如图1所示）。具体工作过程为：首先在黏结成形陶瓷三维打印机的工作台上铺设陶瓷粉末原料，接着控制陶瓷三维打印机制作器物的截面形状，然后将黏结液体材料通过陶瓷三维打印机喷头，喷射到工作台上所形成的器物截面轮廓内，最后通过工作台上的器物截面不断下移以及不断喷射黏结材料，打印出理想的陶瓷器物。

▲图1 黏结成形三维打印机工作原理

采用陶瓷粉末原料经黏结成形陶瓷三维打印机打印的器物，理论上就已经是陶瓷坯品了，但该技术只能打印较为简单的陶瓷器件且打印器件的精确度不高，同时制坯时间较长，所以目前在陶瓷学界都鲜有推广案例。

1.2 现代电动助推注射器式陶瓷三维打印机

步入新世纪，采用助推步进电机的三维打印机开始引入三维打印技术中，而新颖喷头的研制成功［9、10］与助推步进电机三维打印机的结合，使陶瓷材料在三维打印技术范围内真正得到全面的利用，如图2所示。

电动助推注射器式的喷头由直线步进电机驱动，通过电机螺杆推动注射筒内的活塞向下运动，使注射筒内的陶瓷材料通过喷头挤压被注射到工作台上。任意改变电机转速，即可达到精确控制喷出材料流量的目的，但需注意电机转速n、喷头流速vn与工作台运动速度vx、vy的匹配。喷口喷出的材料流量Q为：

▲图2 电动助推注射器的工作原理

式中：vn为喷口的材料流速，cm/s；d为喷头内径，cm。

在喷头内径不变的情况下，控制电机转数n改变Q的流量，从而使打印器物在形体上产生变化，此时流量Q由电机通过螺杆推动活塞内液体陶瓷材料产生：

式中：D为活塞直径，cm；n为电机转速，r/min；s为螺杆导程，cm。

式（1）和式（2）相等，即：

喷口材料流速vn应与工作台运动速度vx、vy相匹配，在喷射陶瓷材料时，流速vn通常小于1 cm/s。因此通过公式证明，使用此电动助推注射器式陶瓷三维打印机，可以完成复杂陶瓷器物坯件及成品的打印，同时在打印速度以及打印精度上，超越传统型的黏结成形陶瓷三维打印机。

得到：

2 陶瓷三维打印机的应用

2.1 三维打印陶瓷器物的烧结

经过陶瓷三维打印机打印成形的器物并不完全都是成品器件，如果想让陶瓷三维打印机制作的器物得到推广与社会的认可，必须将在打印时搀有氧化铝材料的陶瓷坯件经烧结处理，以便转作日用陶瓷器物进入社会的各个层面。

为了验证陶瓷三维打印机的打印器件具备烧结日用陶瓷的各种性能，经过实验，将硅酸镧玻璃熔化渗透至搀有氧化铝材料的陶瓷三维打印坯件中，使其成为氧化铝玻璃复合物，该强化处理过程如下。

①为了将氧化铝陶瓷粉与黏合剂 （糯米黏合剂）按6.5∶3.5的比例调配，冷却干化后碾压成打印材料。

② 在层高80～220 μm下打印成形，其孔隙率为18%～25%（体积分数），弯曲强度为 42～100 MPa。

③ 在1 300～1 400℃下烧结2 h后成形为氧化铝多孔陶瓷预成件，其平均线收缩率为19%，孔隙率为20%，孔径为 32 μm。

④ 在1 100℃下硅酸镧玻璃熔化渗透孔隙2 h，并在1 000℃/h速率下冷却得到氧化铝玻璃复合物，该复合物弯曲强度为160～180 MPa，弹性模量为244 GPa。

⑤将经过烧结的陶瓷坯件放置于温度在20℃、绝对湿度为 11 g／kg 干空气中，即 9.2 g／m3或 0.009 2 g／L湿度的冷等静压箱内约24 h，然后取出即可。

实验证明，利用陶瓷三维打印机制作的陶瓷器件，经过烧结后完全具备投放市场的质量要求，目前一些研究机构采用Ti3SiC2陶瓷粉来打印坯件，经烧结并进行冷等静压后致密度可提高1倍［8］，完全超越传统手工拉坯生产出来的陶瓷器件的各种性能。

2.2 三维打印成形的陶瓷产品

在陶瓷三维打印技术尚未得到推广以前，口腔陶瓷义齿修复体的绘图和模型制作流程相当复杂，设计的义齿产品经常出现误差。而在三维CAD/CAM制图软件及三维打印技术的帮助下［2］（如图3所示），只要根据已制作的三维软件模型并控制低熔瓷粉材料的三维打印机，就可以直接获得想要的口腔陶瓷义齿修复体，所以应用三维打印技术，有效优化了口腔义齿修复的制作流程，并提高了这项技术的整体医疗效果（如图4所示）。

▲图3 义齿CAD/CAM个性化模型设计

▲图4 陶瓷特种材料三维打印一次成形产品模型

3 三维打印技术对制瓷业的影响

三维打印技术是集机械、电子、计算机科学为一体的先进制造技术，这项便捷的生产技术，目前正在悄然改变传统的瓷器制造手段，它的出现不但可以满足现代社会的生产需求，而且解决了企业单个产品生产的问题，使产品的制造变得更加自由。

三维打印技术的引用，将带来陶瓷行业翻天覆地的变化，它可以让所有人都成为陶瓷产品的制作高手，原来利用手工工序和制作经验的拉坯、晾晒、开模、倒坯、烧制等过程，转变为在电脑上进行操作，并可以根据个人的喜好以及对日常陶瓷器物的需求，来制作自己喜欢的陶瓷器件［6］。它模糊了设计师与消费者的区别，让人人都可能成为设计师，人人都可以为了自己的生活需求而进行创造。现在只要拥有美好的构思，就可以借助三维打印的方式得以实现。

另外，三维打印技术的应用，让一直建立在工业化量产理念上的日用类陶瓷的设计理念与制作方式产生了转变，同时它也让制瓷者们的制作观念和知识结构产生了转变，这也是陶瓷设计界正在提倡的陶瓷设计“人性化”、“人本化”理念的真正转变。

4 结束语

三维打印技术在日用陶瓷领域的应用趋势是，使三维打印产品逐渐让社会和消费者接受［3、7］，并鼓励和带动一部分生产者和设计师对三维打印产品进行推广；在特殊陶瓷器件的制作领域中，使先进的三维打印技术在制作高性能的复杂陶瓷器件所具备的优势得到行业的认可，并在行业内得到推广。从长远的角度看，这项技术为制瓷业提供了新的改革方向，为我国日用陶瓷产业的发展提供了新的动力。

［1］ 刘欣灵.3D打印机及其工作原理 ［J］.网络与信息，2012（2）：30.

［2］ 雷蔓，吕健，刘征宏，等.基于逆向工程与3D打印的工艺品保护与开发［J］.制造业自动化，2014（5）：141－144.

［3］ 刘星，周晓江.工业设计在三维打印时代面临的发展变化［J］.包装工程，2011，32（12）：104－107.

［4］ 王瑞玲.3D打印机设计的初步分析 ［J］.电子制作，2013（11）：28－29.

［5］ 刘厚才，莫健华，刘海涛，等.三维打印快速成形技术及其应用［J］.机械科学与技术，2008，27（9）：1186－1190.

［6］ 程燕.浅论日用陶瓷设计在三维打印时代的改变［J］.才智，2014 （10）：305.

［7］ 袁晓东，孙建华，金秋春，等.双开门3D打印机［P］.中国专利：CN203592802U，2014－05－14.

［8］ 王运赣.三维打印自由成形［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［9］ C X F Lam，X M Mo，S H Teoh，et al.Scaffold Development Using 3D Printing with a Starch－based Polymer［J］.Materials Science and Engineering：C,2002，20（1－2）:49－56.

［10］ Setti L,Fraleoni Morgera A，Ballarin B,et al.An Ampereometric Glucose Biosensor Prototype Fabricated by Thermal Inkjet Printing ［J］.Biosensors and Bioelectronics,2005，20（10）:2019－2026.