工藝參數對固體自由成型工藝中陶瓷膏體擠出過程的影響*

劉洪軍 劉 佳 鄭華濱 李亞敏

（蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點試驗室，甘肅蘭州730050）

陶瓷材料以其輕質、高強度、耐高溫和耐腐蝕等優良特質在航空航天、能源、電子信息和生物醫學等領域得到了廣泛而重要的應用，但是由于陶瓷的難加工性，傳統工藝中復雜陶瓷零件的加工成型成為阻礙高性能陶瓷材料應用的關鍵問題。采用先進成型工藝制作復雜零件成為近期陶瓷材料研究領域的重點，其中固體自由成型（Solid Freeform Fabrication－SFF）工藝的出現得到了非常多的關注，有望解決復雜形狀陶瓷零件成型的問題［1－2］。SFF工藝是基于離散－堆積原理的先進制造技術，也稱快速成型技術或三維打印技術，它可以將三維CAD模型直接制造成實體零件，不需模具和工具可快速獲得零件。該工藝在塑料零件和金屬零件制造方面發展很快，已經有很多成熟的應用和商品化的工藝裝備，在陶瓷零件制造上也取得了很大的進展，開發出了很多工藝，但相對發展緩慢，仍需進一步研究和應用開發。陶瓷零件的SFF工藝主要有熔融沉積制造 Fused Deposition Modeling（FDM）［3］、Ceramic Laser Fusion（CLF）［4］、Selective Laser Sintering（SLS）［5］、3 － D printing（3DP）［6］和 Freeze － form Extrusion Fabrication（FEF）［7－8］等，其中陶瓷膏體（或漿料）擠出和陶瓷粉末激光燒結是最主要兩種成型工藝方法。

利用陶瓷膏體擠出的SFF工藝中，首先將陶瓷粉末、液相、分散劑和粘結劑等制備成具有一定屈服強度的膏體，然后用擠出頭按照CAD模型產生的復雜輪廓依次擠出堆積，經逐層疊加，最終成型出所需的三維零件坯體，最后經脫水或脫脂后燒結形成零件。膏體擠出是一種重要的陶瓷制品成型工藝，擠出工藝對擠出體的質量有著重要的影響。在SFF工藝所用的膏體擠出中，需要重點關注擠出速度和擠出口的尺寸，因為根據 Benbow －Brighwater模型［9］，在膏體確定的情況下，這些參數決定了擠出壓力的大小，而擠出壓力不僅對擠出設備有作用，而且會影響到擠出體的質量。在一定范圍內，陶瓷膏體的擠出成形壓力越大，所得坯體致密度越高、機械強度越大、產品質量越好;反之，坯體的結構疏松、機械強度較低且產品質量較差。另一方面，膏體受到擠壓時的流動可被看作是固液兩相流，膏體流動行為和擠出體成分也受到固相和液相動態變化的影響。有些條件下，陶瓷膏體在外力作用下液固相流動可能發生不同步的情況，液相移動速度高于固相，導致膏體成分分布不均勻，從而產生被稱為液相遷移的現象，造成陶瓷坯體不均勻，也影響膏體擠出工藝［10］。

因此，為了良好控制基于膏體擠出的SFF工藝中的陶瓷零件成型過程，有必要對擠出參數對膏體擠出過程進行進一步認識。本論文對水基氧化鋁膏體進行了擠出試驗，研究了擠出速度和擠出口尺寸對擠出壓力和擠出體液相含量的影響，并分析了膏體擠出過程中的流動機理，以便于后期開發陶瓷零件的SFF工藝時合理控制擠出壓力并盡量避免液相遷移現象的產生。

1 試驗條件

1.1 陶瓷膏體

試驗膏體為粉末體積含量為50%的氧化鋁水基膏體。選用粒徑d0.5為2.5 μm 的 α － Al2O3粉末（鄭州天馬微粉有限公司）為陶瓷粉末原材料，分散介質蒸餾水的體積含量為42%，其余為分散劑聚丙烯酸胺、粘結劑聚乙烯醇水溶液和增塑劑聚乙二醇400和丙三醇。利用鹽酸和氨水調節膏體的pH值和粘度。

將Al2O3粉末與蒸餾水混合，加入適量粘結劑、潤滑劑以及分散劑，經球磨機球磨24 h后，形成高固相穩定懸浮漿料，在此漿料中添加適量的酸，調整其pH值，再經真空攪拌制得固相體積分數為50%陶瓷膏體。為防止膏體水分的蒸發，將制備好的膏體用50 mL的塑料注射器密封保存。同時，膏體放置時間過久陶瓷顆粒會逐漸沉淀，造成成分的不均勻，因此，所有試驗均使用4 h內配制的膏體。

1.2 試驗設備和測試方法

所有膏體擠出試驗在自行設計制作的膏體擠出試驗裝置上完成，如圖1所示。通過DSP控制系統驅動直線步進電動機，電動機的傳動軸帶動活塞桿做擠壓運動，使料筒內的膏體從擠出頭流出。與活塞桿連接的壓力傳感器將采集的擠出力數據經數據采集卡傳輸到PC機上顯示出來。PC機上同時可實現步進電動機運行的擠出速度和擠出時間等參數設定。

試驗中擠出壓力可由傳感器直接采集傳輸到PC機，但膏體內部液相遷移現象卻無法直接進行觀察，只能通過比較膏體擠出前后液相含量的變化，間接進行研究。具體方法是:對擠出膏體間隔一定時間進行取樣，然后將其在90℃的環境下烘烤15 h，使樣品內液相完全蒸發，稱量烘烤前后的重量，兩次測量數據的差值即為擠出體的液相質量。將擠出體的液相含量與初始未經擠壓膏體的液相含量進行對比，即可得到擠出體液相含量的變化情況。因此在本試驗中，擠出體液相含量數據實際上是某一段時間內從擠出口擠出膏體的平均液相含量，在作圖時以該階段時間的線段表示。

由于膏體的固相含量較高，如果暴露在空氣中會迅速失水干燥，因此取樣過程和試樣存放過程要密封進行，試驗中專門使用了密封取樣瓶，膠口塞可防止水分蒸發。膏體擠出體液相含量計算公式為:

擠出體液相含量=［（含膏體取樣瓶重量－含干燥膏體取樣瓶重量）/含膏體取樣瓶重量－取樣瓶重量］×100%

1.3 工藝參數設定

根據Benbow和Bridgwater模型［9］可知，膏體受到擠壓時的擠出壓力跟膏體擠出速度（v）與擠出口尺寸（長度L和直徑D）有直接的關系。已有研究和實踐表明，擠出膏體和擠出筒內膏體的液相分布也和兩者有著密切的關系。因此研究中主要考察擠出速度和擠出口尺寸對擠出壓力和擠出體液相含量的影響，并分析兩者對膏體在擠壓過程的流動行為。試驗中使用的參數的意義如圖2擠出筒示意圖中所示，擠出筒內徑固定為D0=26.2 mm，擠出口直徑D=1 mm。每次試驗在擠出筒中膏體裝載量均為70 g（高度約為45 mm，整個試驗過程均在室溫22℃的環境下進行，試驗工藝參數設置具體數值見表1。

表1 試驗工藝參數表

2 試驗結果與討論

2.1 擠出速度對膏體擠出過程的影響

由于要和SFF工藝中工作臺運動速度相匹配，當擠出速度大于0.15 mm/s時，膏體擠出太快，工作臺移動速度很難跟上膏體沉積，而擠出速度低于0.025 mm/s時，膏體擠出速度太慢，因此此區間外的擠出速度基本不能被使用在后期工藝中。本研究中主要考察了0.025 mm/s、0.05 mm/s和 0.15 mm/s這 3種速度，來認識擠出速度對膏體擠出過程的變化趨勢。

圖3是擠出口長度為12 mm時擠出速度對擠出壓力和擠出體液相含量的影響。由圖可見，隨著擠出速度的增加，擠出壓力呈增加的趨勢，因此要提高膏體的擠出速度，需要增加擠出壓力，也就是增加擠出電動機施加的擠出力，當需要的擠出速度太高時，需要考察電動機的負載是否能夠滿足膏體擠出速度的需要。

理想情況下，我們希望在整個擠出過程中，擠出體的液相含量均勻且與原始膏體一致。但是，從試驗結果來看，擠出速度對擠出體液相含量有著嚴重的影響:當速度較低時，擠出體液相含量偏離了原始膏體液相含量，擠出速度越低，偏離程度越大。在速度為0.025 mm/s時，擠出體液相含量高于原始膏體液相含量約0.7%左右，對應的膏體中氧化鋁體積含量約降低了1.2%左右，可能造成陶瓷零件干燥燒結后的致密度下降。因此在該膏體的適用擠出速度范圍內發生了液相遷移現象，擠出速度越低，液相遷移現象趨于嚴重。當擠出速度為0.15 mm/s時，膏體在擠出過程中擠出體液相含量基本均勻地分布在原始膏體液相含量附近，幾乎沒有液相遷移現象，可以得到預先設計的擠出體。因此在使用水基陶瓷膏體擠出方法進行SFF零件制作時，要測試擠出速度的影響，尋找臨界擠出速度并盡量將實際擠出速度設置在該速度以上，以避免液相遷移現象。在上述給定的試驗條件下，膏體的擠出速度應設定在0.15 mm/s或者以上。

對比圖3中擠出壓力和擠出體液相含量隨擠出速度的變化圖，發現兩者有一定的對應關系:擠出速度越低，擠出體液相含量圖中的液相遷移越嚴重，對應擠出壓力圖中的曲線上升趨勢（壓力隨位移逐漸增加）越明顯，擠出壓力迅速上升階段越早到來，擠出結束越快。這是由于擠出速度較低時擠出體液相較多，相當于擠出筒內膏體中液相逐漸遷移出去，留在擠出筒內的膏體越來越干，從而需要更大的擠出壓力才能維持設定的擠出速度。而如果液相遷移不明顯，則擠出壓力基本保持比較平緩的曲線，且擠出壓力在膏體接近擠完時才迅速上升。圖4給出了擠出口長度為18 mm時的試驗結果，顯示了同樣的對應關系。由于擠出體液相含量很難實時測試和觀察，液相遷移現象的發生也難于直接發現和考察，而擠出壓力可以通過在擠出桿上的壓力傳感器實時觀察和分析，因此可以通過上述的對應關系來分析膏體擠出時的液相遷移情況:當擠出壓力曲線上升趨勢明顯且擠出較高結束時，可認為發生了液相遷移現象;當擠出壓力曲線較平緩且絕大部分膏體都能擠完時，液相遷移現象不發生或很輕微。這樣就可以很方便地分析擠出工藝對擠出體的作用并合理設計和考察膏體擠出的工藝參數，以控制SFF工藝中的膏體擠出過程。

2.2 擠出口尺寸對膏體擠出過程的影響

擠出口尺寸對膏體擠出過程也有很明顯的影響。本文中對擠出口長度進行了試驗，進一步認識擠出口尺寸對擠出過程的作用。根據上節的試驗結果，試驗選擇了兩種擠出速度:0.05 mm/s（液相遷移較明顯）和0.15 mm/s（液相遷移不明顯），研究了擠出頭長度分別為12 mm、18 mm和24 mm時的擠出壓力和擠出體液相含量的變化，結果如圖5和圖6所示。

在擠出速度相同的情況下，隨著擠出口長度的增加，擠出壓力呈增大的趨勢。由于膏體在擠出壓力作用下流經擠出口時，膏體與擠出口的內壁要進行滑移摩擦，擠出口長度越大，膏體流經的內壁面積越大，膏體流動的摩擦阻力和剪切應力越大，要保持同樣的擠出速度，就需要提供更大的擠出壓力。從擠出體液相含量圖中可以看出擠出口長度對液相遷移也有著明顯的作用。在擠出速度為0.15 mm/s時，長度為12 mm的擠出口幾乎沒有液相遷移現象，但是當長度增加到18 mm和24 mm時，液相遷移現象逐漸變得明顯，擠出速度為0.025 mm/s時，擠出體液相含量偏離原始膏體值的程度也隨著擠出口長度的增加而增大。雖然長度從12 mm到18 mm再到24 mm的增加幅度均為6 mm，但是從圖中來看，長度12 mm和18 mm的擠出體液相含量變化并不大，從18 mm增加到24 mm時，液相偏離程度增加更多，所以擠出長度過長時，膏體擠出的液相遷移行為更明顯。綜合試驗結果，可以認為:擠出壓力和擠出體液相偏離程度都隨著擠出口長度的增加而增加，由于過高的擠出壓力增加了電動機的負載，更嚴重的液相遷移現象惡化了擠出坯體的質量，因此設計擠出口時應選擇更短的長度。但是這并不意味著擠出口長度越短越好，由于膏體從筒體流入擠出口時要發生大的體積變形和內應力的急劇改變，若擠出口過短，膏體過渡區內應力釋放過快，流動形態還未穩定，擠出體會發生擠出方向紊亂和體積的膨脹，不能形成形狀均勻流線有序的擠出體，所獲得的坯體精度將受到嚴重的影響，因此需要足夠長的擠出口以獲得流動穩定尺寸精確的擠出體。根據實際試驗測試，擠出口長度大于10 mm基本可滿足穩定擠出體的要求。從圖5和圖6來看，擠出口長度在18 mm以下均可獲得較好的液相含量分布，因此對直徑1 mm的擠出口，其長度應設置在12～18 mm。

2.3 膏體擠出過程分析

水基陶瓷膏體的典型擠出過程可以用擠出壓力圖進行分析，可分為3個階段:初始階段、穩定階段和“死區”階段。Benbow和Bridgwater模型給出了預測穩定階段擠出壓力P的方法，如式（1）所示。

式中:V為穩定階段擠出體流出擠出口的速度;D0、D、L含義如圖2所示;其他參數均為與膏體材料性質和擠出模有關的系數，一般要通過實驗獲得。式（1）僅可用于描述沒有液相遷移現象發生的穩定階段擠出壓力，也就是本研究中擠出速度足夠高時才可進行定量分析，但是所提供的各因素作用趨勢可以用以定性分析本文中的試驗結果。

膏體裝載進擠出筒后，膏體內沒有壓力。當擠出桿開始向下運動，筒內膏體被壓縮，擠出壓力開始迅速上升。但是由于膏體是非牛頓流體，只有當擠出壓力超過膏體的屈服應力時膏體才能流動并被擠出，當式（1）中擠出速度設定為0時，擠出壓力P并非零值，表示擠出壓力存在一個使膏體流動的最低值。膏體開始擠出后，流出速度迅速增大，直到擠出力和膏體流動速度都比較穩定，從擠出桿下移開始到此時為初始階段，該階段時間非常短，膏體擠出不穩定，一般不用于SFF制造過程。膏體穩定擠出時，如果不發生液相遷移現象，可試驗測定各系數并用式（1）預測不同工藝參數下的擠出壓力，但發生液相遷移時，各系數在擠出過程中不斷變化，一般是筒內膏體逐漸失水，相應系數的變化使擠出壓力也逐漸增加，因此隨著液相遷移從輕微到嚴重，穩定階段的擠出壓力圖也從平直變得曲線化。2.1和2.2小節的試驗結果也可以用式1來說明大致變化趨勢:隨著擠出速度增加和擠出長度增加，擠出壓力增大。不過由于系數的不穩定，很難進行定性計算。膏體擠出的最后階段，擠出壓力迅速增大，當到達電動機的負載安全值時，擠出停止。由于擠出力的迅速增大是擠出桿下移進入“死區”（擠出口外緣部位的膏體流動停滯區，如圖2所示）而形成，因此該最后階段可被稱為“死區”階段。擠出速度較低時，液相逐漸從筒內膏體遷移到擠出體中，使得“死區”不斷擴大，與擠出桿的接觸更早，從而擠出壓力迅速增大的階段越早到來，死區階段越來越長。

膏體擠出過程中擠出壓力的這種變化趨勢主要是由于膏體受力時陶瓷顆粒間距離的變化造成的。膏體未受力時的顆粒呈疏松狀態，顆粒間距較大，顆粒間自由水含量較多，分布也比較均勻。施加壓力后，陶瓷顆粒間距減小，膏體將發生同時含有“彈性—塑性”的變形過程，當施加在膏體上的剪切應力大于其屈服應力時，膏體開始流動。隨著顆粒間距逐漸減小，分子間的排斥力增大，導致膏體擠壓力增大。膏體壓縮到一定程度后，顆粒間距會維持在一個相對穩定的位置，此時擠出壓力也達到穩定，保持膏體平穩流動。死區位置由于是應力分布集中區，顆粒間距被壓縮到極限位置，當擠出桿到達此位置后，需要提供極大的壓力才能破壞較為穩固的顆粒聯接和摩擦，因此擠出壓力急劇增大。當液相遷移發生時，膏體中液相流動速度快于固相顆粒，隨著液相不斷先于固相顆粒流出，料筒內膏體中陶瓷顆粒之間的自由水越來越少，對顆粒的分隔作用越來越弱，顆粒間的聯接和摩擦逐漸變大。由于膏體擠出流動行為的復雜性，液相流動和再分布的這種狀態在整個料筒內并不是均勻發生的，但是表現在宏觀擠出壓力上就是逐漸增大而不是穩定的形態。

3 結語

（1）利用膏體擠出工藝進行固體自由成型（SFF）制作陶瓷零件時，工藝參數對膏體擠出過程和擠出體有明顯的影響，需要重點關注擠出速度和擠出口尺寸。

（2）擠出速度的增加，所需的擠出壓力越大，當擠出速度低于某一臨界速度時，擠出體液相含量會偏離初始值，發生液相遷移現象，擠出速度越低，液相遷移現象越嚴重。

（3）液相遷移現象和擠出壓力曲線有一定的對應關系，可以用擠出壓力的變化分析液相遷移情況并合理設計擠出工藝。

（4）在擠出速度相同的情況下，擠出壓力和擠出體液相偏離程度都隨著擠出口長度的增加而增加，因此設計擠出口時應在獲得穩定膏體擠出前提下盡量選擇較短的擠出口長度。

（5）在本文的研究條件下，當在擠出速度為0.15 mm/s，擠出頭長度和直徑分別為12～18 mm和1 mm的情況下，膏體擠出過程不發生液相遷移現象，可用于陶瓷零件的SFF制造工藝。

［1］Beaman Joseph J，Marcus Harris L，Bourell David L，et al.Solid freeform fabrication:a new direction in manufacturing［M］.MA，USA:Kluwer Academic Publishers Norwell，1997.

［2］Young－Joon Seol，Tae－Yun Kang，Dong－Woo Cho.Solid freeform fabrication technology applied to tissue engineering with various biomaterials［J］.Soft Matter，2012，8:1730 －1735.

［3］Tellis B C，Szivek J A，Bliss C L，et al.Trabecular scaffolds created using micro CT guided fused deposition modeling［J］.Materials Science and Engineering:C，2008，28（1）:171 －178.

［4］Hsiao Chuan Yen，Hwa Hsing Tang.Study on direct fabrication of ceramic shell mold with slurry－based ceramic laser fusion and ceramic laser sintering［J］.The International Journal of Advanced Manfucturing Technology，2012，60（9/12）:1009 －1015.

［5］Liu Jie，Zhang Biao，Yan Chunze，et al.The effect of processing parameters on characteristics of selective laser sintering dental glass－ceramic powder［J］.Rapid Prototyping Journal，2010，16（2）:138 －145.

［6］Wu Chengtie，Fan Wei，Zhou Yinghong，et al.3D － printing of highly uniform CaSiO3ceramic scaffolds:preparation，characterization and in vivo osteogenesis［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22（24）:12288－12295.

［7］Huang Tieshu，Mason Michael S，Zhao Xiyue，et al.Aqueous－ based freeze － form extrusion fabrication of alumina components［J］.Rapid Prototyping Journal，2009，15（2）:88－95

［8］Mason Michael S，Huang Tieshu，Landersa Robert G，et al.Aqueousbased extrusion of high solids loading ceramic pastes:Process modeling and control［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209（6）:2946－2957.

［9］Benbow J，Bridgwater J.Paste flow and extrusion［M］.UK:Oxford U-niversity Press，1993.

［10］Yu A B，Bridgwater J，Burbidge A S，et al.Liquid maldistribution in particulate paste extrusion［J］.Powder Technology，1999，103（2）:103－109.