陶瓷坯体 3D塑性成形及原料性能研究

蒋小英

清远市简一陶瓷有限公司 广东清远 511500

陶瓷属于一类无机材料，具有精美实用的特点，至今已有千年以上的历史，但与此同时，因为陶瓷材料脆且硬度大，所以加工难度较大，传统形式的制备工艺仅能将其加工成为形状较为简单的产品，并且制作成本较高，周期也较长。而采用3D塑性成形技术，可提升陶瓷产品的复杂程度，还能够实现陶瓷产品应用效果和价值的提升。因为不同的陶瓷材料可以呈现出的作用各不相同，所以针对陶瓷坯体3D塑性成形及原料性能进行研究十分重要。

1 3D塑性成形技术原理

3D塑性成形技术由美国科学家根据快速成型技术研制而来，对该项技术进行应用，需要以数字模型文件为基础，并采用基层造型的形式逐层堆叠材料，从而逐渐构造成为物体，在此过程中主要需要经过两个步骤：一是数据建模，使用计算机将设计物品转化成为多个数据，或是采用三维扫描仪开展立体扫描工作，以获取其中的3D数据，之后将数据传输至打印机。二是打印，3D塑性成型技术中应用的打印机为一类快速成型装置，其接收3D数据以后，可采用叠加材料的形式，将数据累积制作为3D实体[1]。

2 陶瓷坯体3D塑性成形技术的应用基础

2.1 打印装备总体设计

可以选择将挤出堆叠3D打印机应用于陶瓷胚体3D塑性成形技术当中，原因在于其强度、刚性、稳定性以及速度均能基本满足各项打印需求，同时适用于大件物品的成形操作，十分适合塑性泥料对打印工作的直接成型要求。所以，需要将挤出堆叠原理作为打印装备整体设计工作的基础，其中装备主要如下：送料系统、挤出系统、软件和控制系统。

2.2 打印机各系统选择

上文中已经明确，打印机中包含三个系统，其中送料系统包含向压力料仓、空压机、管道以及螺旋推进器四个部分，在原料供给部分发挥功能，其中螺旋推进器也属于挤出系统的组成部分，功能为向打印喷嘴挤出泥料，并采用适当的压力与前一层粘结，以保障泥料供给累积过程的持续稳定。

与此同时，在打印机中应用的建模软件、切片软件以及三维数控系统分别为SolidWorks、ChiTuSlicer、ChiTu36，控制主板输入电压最小为12V，最大为24V，打印机在X、Y、Z三轴上进行运动，打印误差可为：X≤0.05mm，Y≤0.05mm，Z≤0.06mm[2]。

2.3 配料

根据技术要求以及最终的性能要求，对最为适宜的原材料进行选择，在一般情况下，应该采用陶瓷粉末、添加剂、粘结剂按比例混合的形式。对于陶瓷坯体3D塑性成形技术来说，可以在其中应用的陶瓷材料形态包括以下几个方面：（1）浆料，陶瓷与其他溶剂、添加剂共同形成的混合料，由物理处理和化学处理的形式成形。（2）陶瓷丝材，应用于熔融堆积工艺。（3）陶瓷粉末，其中包含陶瓷粉末、粘结剂以及矿化物等多种物质，主要在激光烧结以及粘接中应用。（4）陶瓷薄片，将片状材料挤压成形并进行粘接。

3 原料性能分析

3.1 原料基本要求

在陶瓷胚体3D塑性成形技术之中，选择应用挤出堆叠3D打印机，顺利落实打印工作的关键，即保障泥料的稳定性、流动性、可塑性。为了保障其中的稳定性，应首先保障泥料中处于无杂质且颗粒均匀的状态，因为颗粒度能够对打印稳定性和打印精度产生直接影响，所以在正常情况下，颗粒越粗，打印过程中泥料挤出难度越大，相应的打印精度随之降低，所以在预制工作时，应使用280目筛对粉料进行处理，保持粒径基本处于50m左右；流动性特点则要求泥料之中的含水量适宜，以保障泥料处于致密且均匀的状态，所以应该采用真空练泥机进行反复数次的练泥操作，保持真空度处于45MPa之间；可塑性的维持意义在于保障泥料由喷嘴中挤出以后迅速实现凝聚，以避免胚体逐层堆积时发生变形。

3.2 原料性能影响因素

3.2.1 含水量对泥料可塑性的影响

在开展打印工作的过程中，在胚料成分不发生变化的基础上，泥料含水量越大，应变量就越大，应变量增加的原因在于，泥料粒子在含水量增加的作用下发生水化，进而在颗粒表面构成水化膜，导致粒子间润滑效果增加，泥料也就在受力之后出现位移情况，所以泥料的流动性因此增加，可塑性也因此降低。究其原因，主要在于泥料含水量较多时，其中的应力值减少，水化膜厚度进一步增加，颗粒之间相互的吸引力进一步减弱，使屈服值下降，而若含水量能逐渐降低，颗粒之间可相互吸引，屈服值随之增加。所以，为了保障陶瓷3D制品质量，需要对泥料中的含水量进行充分控制。有研究显示，将泥料含水量控制在23%左右，泥料的可塑性最好。

3.2.2 泥料挤出压力对胚体的影响

打印机属于一个较为复杂的系统，打印效果可受到多方面因素的影响，例如料仓压力、挤出速度、挤出量等，特别是对于挤出系统来说，挤出速度、挤出量与挤出压力成正比，且如果挤出压力在0.5MPa以上，将出现喷嘴处喷涌泥料的情况，也就是挤出速度和挤出量过大，而若挤出压力在0.35MPa以下，能够挤出的泥量相对较少，同时速度较慢，也就极易导致泥料在逐层堆积时，高处发生塌陷，所以在打印过程中，必须充分控制泥料的挤出压力，以保障泥料挤出量和挤出速度均处于适宜状态，进而可以保障3D打印制品的表面光滑、层厚均匀且层间合较为紧密，从而有效避免出现制品塌陷等不良情况[3]。

3.2.3 甲基纤维素对胚体抗弯强度的影响

对泥料塑性进行控制的主要措施之一，即为控制其中粘结剂含量，由此，胚料自身若存在塑性不足的情况，在其中适量应用甲基纤维素，可起到弥补作用。但若甲基纤维素的用量过多，将导致陶瓷中的有机物含量过多，制品性能将因此受到影响。所以在应用甲基纤维素时，必须合理控制用量，以保障其能对泥料的可塑性起到优化作用，也就可以促使3D打印制品具有更加良好的抗弯强度。

在通常情况下，应该将泥料中的甲基纤维素含量控制在3%左右，此时胚体的抗弯强度处于最大状态，而若甲基纤维素含量超过4%，甚至达到5%，制品的抗弯强度将出现大幅度的下降。原因即在于有机物过多导致泥料整体密度下降，受到泥料孔隙率增加的影响，制品强度降低，所以，为了保障制品的质量，在需要应用甲基纤维素时，应严格控制用量。

4 结语

随着科技发展，陶瓷胚体3D塑性成形技术的应用越来越广泛，为了提升制品的质量和应用效果，有必要针对其相关技术进行进一步优化，同时深入掌握原料性能。所以需要针对其中的原料基本要求进行充分掌握，同时了解含水量对泥料可塑性的影响、泥料挤出压力对胚体的影响以及甲基纤维素对胚体抗弯强度的影响等各方面因素对材料使用效果的影响，以能够在开展打印工作时，充分协调各方面影响因素，以保障陶瓷3D打印制品的质量。