陶瓷三維打印機的分析及應用研究

□ 袁曉東

鄭州航空工業管理學院 鄭州 450000

三維打印技術又稱為3D制作技術［1］，它是起源于20世紀80年代后期的一項針對制件快速成形的工業生產技術，目前該項制作技術已經開始被社會的各個專業領域所認知。

近年來隨著陶瓷生產技術的不斷提高和陶瓷材料技術的迅猛發展，三維打印技術也開始進入了傳統陶瓷器件的制作行業之中，并引起了眾多有遠見的陶瓷產品生產企業和陶瓷行業從業者的重視。通過實踐證明，三維打印成形技術其獨特的成形工藝通過與陶瓷材料的結合，在陶瓷器件的設計及生產上，與立體印制、疊成實體制作、選擇性激光燒結成形等其它種類的陶瓷材料快速成形技術相比，具有無法被取代的先天優勢［5］，已經被認為是陶瓷產品快速成形領域中最有生命力的新技術。

1 陶瓷三維打印機分析

1.1 傳統黏結成形陶瓷三維打印機

三維打印技術在發明之初，已經與陶瓷材料結下了不解之緣，傳統的黏結成形陶瓷三維打印技術［4］，可采用陶瓷材料進行特殊制件的打印（如圖1所示）。具體工作過程為：首先在黏結成形陶瓷三維打印機的工作臺上鋪設陶瓷粉末原料，接著控制陶瓷三維打印機制作器物的截面形狀，然后將黏結液體材料通過陶瓷三維打印機噴頭，噴射到工作臺上所形成的器物截面輪廓內，最后通過工作臺上的器物截面不斷下移以及不斷噴射黏結材料，打印出理想的陶瓷器物。

▲圖1 黏結成形三維打印機工作原理

采用陶瓷粉末原料經黏結成形陶瓷三維打印機打印的器物，理論上就已經是陶瓷坯品了，但該技術只能打印較為簡單的陶瓷器件且打印器件的精確度不高，同時制坯時間較長，所以目前在陶瓷學界都鮮有推廣案例。

1.2 現代電動助推注射器式陶瓷三維打印機

步入新世紀，采用助推步進電機的三維打印機開始引入三維打印技術中，而新穎噴頭的研制成功［9、10］與助推步進電機三維打印機的結合，使陶瓷材料在三維打印技術范圍內真正得到全面的利用，如圖2所示。

電動助推注射器式的噴頭由直線步進電機驅動，通過電機螺桿推動注射筒內的活塞向下運動，使注射筒內的陶瓷材料通過噴頭擠壓被注射到工作臺上。任意改變電機轉速，即可達到精確控制噴出材料流量的目的，但需注意電機轉速n、噴頭流速vn與工作臺運動速度vx、vy的匹配。噴口噴出的材料流量Q為：

▲圖2 電動助推注射器的工作原理

式中：vn為噴口的材料流速，cm/s；d為噴頭內徑，cm。

在噴頭內徑不變的情況下，控制電機轉數n改變Q的流量，從而使打印器物在形體上產生變化，此時流量Q由電機通過螺桿推動活塞內液體陶瓷材料產生：

式中：D為活塞直徑，cm；n為電機轉速，r/min；s為螺桿導程，cm。

式（1）和式（2）相等，即：

噴口材料流速vn應與工作臺運動速度vx、vy相匹配，在噴射陶瓷材料時，流速vn通常小于1 cm/s。因此通過公式證明，使用此電動助推注射器式陶瓷三維打印機，可以完成復雜陶瓷器物坯件及成品的打印，同時在打印速度以及打印精度上，超越傳統型的黏結成形陶瓷三維打印機。

得到：

2 陶瓷三維打印機的應用

2.1 三維打印陶瓷器物的燒結

經過陶瓷三維打印機打印成形的器物并不完全都是成品器件，如果想讓陶瓷三維打印機制作的器物得到推廣與社會的認可，必須將在打印時攙有氧化鋁材料的陶瓷坯件經燒結處理，以便轉作日用陶瓷器物進入社會的各個層面。

為了驗證陶瓷三維打印機的打印器件具備燒結日用陶瓷的各種性能，經過實驗，將硅酸鑭玻璃熔化滲透至攙有氧化鋁材料的陶瓷三維打印坯件中，使其成為氧化鋁玻璃復合物，該強化處理過程如下。

①為了將氧化鋁陶瓷粉與黏合劑 （糯米黏合劑）按6.5∶3.5的比例調配，冷卻干化后碾壓成打印材料。

② 在層高80～220 μm下打印成形，其孔隙率為18%～25%（體積分數），彎曲強度為 42～100 MPa。

③ 在1 300～1 400℃下燒結2 h后成形為氧化鋁多孔陶瓷預成件，其平均線收縮率為19%，孔隙率為20%，孔徑為 32 μm。

④ 在1 100℃下硅酸鑭玻璃熔化滲透孔隙2 h，并在1 000℃/h速率下冷卻得到氧化鋁玻璃復合物，該復合物彎曲強度為160～180 MPa，彈性模量為244 GPa。

⑤將經過燒結的陶瓷坯件放置于溫度在20℃、絕對濕度為 11 g／kg 干空氣中，即 9.2 g／m3或 0.009 2 g／L濕度的冷等靜壓箱內約24 h，然后取出即可。

實驗證明，利用陶瓷三維打印機制作的陶瓷器件，經過燒結后完全具備投放市場的質量要求，目前一些研究機構采用Ti3SiC2陶瓷粉來打印坯件，經燒結并進行冷等靜壓后致密度可提高1倍［8］，完全超越傳統手工拉坯生產出來的陶瓷器件的各種性能。

2.2 三維打印成形的陶瓷產品

在陶瓷三維打印技術尚未得到推廣以前，口腔陶瓷義齒修復體的繪圖和模型制作流程相當復雜，設計的義齒產品經常出現誤差。而在三維CAD/CAM制圖軟件及三維打印技術的幫助下［2］（如圖3所示），只要根據已制作的三維軟件模型并控制低熔瓷粉材料的三維打印機，就可以直接獲得想要的口腔陶瓷義齒修復體，所以應用三維打印技術，有效優化了口腔義齒修復的制作流程，并提高了這項技術的整體醫療效果（如圖4所示）。

▲圖3 義齒CAD/CAM個性化模型設計

▲圖4 陶瓷特種材料三維打印一次成形產品模型

3 三維打印技術對制瓷業的影響

三維打印技術是集機械、電子、計算機科學為一體的先進制造技術，這項便捷的生產技術，目前正在悄然改變傳統的瓷器制造手段，它的出現不但可以滿足現代社會的生產需求，而且解決了企業單個產品生產的問題，使產品的制造變得更加自由。

三維打印技術的引用，將帶來陶瓷行業翻天覆地的變化，它可以讓所有人都成為陶瓷產品的制作高手，原來利用手工工序和制作經驗的拉坯、晾曬、開模、倒坯、燒制等過程，轉變為在電腦上進行操作，并可以根據個人的喜好以及對日常陶瓷器物的需求，來制作自己喜歡的陶瓷器件［6］。它模糊了設計師與消費者的區別，讓人人都可能成為設計師，人人都可以為了自己的生活需求而進行創造。現在只要擁有美好的構思，就可以借助三維打印的方式得以實現。

另外，三維打印技術的應用，讓一直建立在工業化量產理念上的日用類陶瓷的設計理念與制作方式產生了轉變，同時它也讓制瓷者們的制作觀念和知識結構產生了轉變，這也是陶瓷設計界正在提倡的陶瓷設計“人性化”、“人本化”理念的真正轉變。

4 結束語

三維打印技術在日用陶瓷領域的應用趨勢是，使三維打印產品逐漸讓社會和消費者接受［3、7］，并鼓勵和帶動一部分生產者和設計師對三維打印產品進行推廣；在特殊陶瓷器件的制作領域中，使先進的三維打印技術在制作高性能的復雜陶瓷器件所具備的優勢得到行業的認可，并在行業內得到推廣。從長遠的角度看，這項技術為制瓷業提供了新的改革方向，為我國日用陶瓷產業的發展提供了新的動力。

［1］ 劉欣靈.3D打印機及其工作原理 ［J］.網絡與信息，2012（2）：30.

［2］ 雷蔓，呂健，劉征宏，等.基于逆向工程與3D打印的工藝品保護與開發［J］.制造業自動化，2014（5）：141－144.

［3］ 劉星，周曉江.工業設計在三維打印時代面臨的發展變化［J］.包裝工程，2011，32（12）：104－107.

［4］ 王瑞玲.3D打印機設計的初步分析 ［J］.電子制作，2013（11）：28－29.

［5］ 劉厚才，莫健華，劉海濤，等.三維打印快速成形技術及其應用［J］.機械科學與技術，2008，27（9）：1186－1190.

［6］ 程燕.淺論日用陶瓷設計在三維打印時代的改變［J］.才智，2014 （10）：305.

［7］ 袁曉東，孫建華，金秋春，等.雙開門3D打印機［P］.中國專利：CN203592802U，2014－05－14.

［8］ 王運贛.三維打印自由成形［M］.北京：機械工業出版社，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.