陶瓷漿料DIW精密擠出裝置關鍵參數的優化研究

呂 寧，趙 欣，鄭 健，徐 薇

陶瓷漿料DIW精密擠出裝置關鍵參數的優化研究

呂 寧，趙 欣，鄭 健，徐 薇

(哈爾濱理工大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

陶瓷漿料直寫技術(DIW)是陶瓷增材制造領域中實現復雜物體快速成型，同時保證高精度制造的有效途徑。本文從擠出頭工藝參數、螺桿工藝參數和螺桿運動參數三方面展開研究，通過仿真模擬不同參數下漿料的擠出和流動特性，對陶瓷漿料精密擠出裝置的關鍵結構技術參數做分析研究，得到最佳的裝置控制參數。然后通過實驗驗證了參數優化后的成型效果，最終實驗結果表明，優化后的DIW擠出裝置能夠有效提升打印件的成型質量。

增材制造；瓷胚；3D打印；擠出頭；直寫成型

0 引言

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、質量輕等特點，在電子、航空航天、醫療衛生及生活民用等領域廣泛應用[1]。傳統陶瓷胚生產主要采用模壓、注漿、塑形等方法，這些方法在復雜工件加工時所受限制較多。而3D打印增材制造(AM-Additive Manufacturing)是利用計算機建立的三維模型取代開模具的繁瑣步驟，具有加工周期短、精度高、塑形靈活多樣等優點，適合于復雜部件制造及小批量多品種柔性化生產。目前應用于陶瓷生產領域的增材制造主要有疊層實體制造(LOM)[2]、噴墨打印(IJP)[3]、熔融層積成型(FDM)[4]、光固化成型(SLA)、激光選區燒結(SLS)[5]、漿料擠出直寫(DIW)[6]等技術，其中DIW設備瓷胚具有成型速度快，使用材料范圍廣，成本低廉，且工作過程中不產生有毒有害氣體等特點，因此應用較為廣泛[7]。DIW設備在成型過程中主要依靠螺桿旋轉和活塞推進實現陶瓷漿料擠出成型，由于漿料本身的擠壓下沉過程非常復雜， DIW設備較難控制漿料的精確擠出，因此研究擠出成型工作過程，分析設備及生產過程工藝參數，優化成型過程裝置控制參數對提高產成品質量具有重要的意義。本文在對漿料直寫型瓷胚3D打印機漿料擠出頭和螺桿建模基礎上，分析了不同幾何參數下漿料的擠出特性和流動特性及對瓷胚成型質量的影響，并對裝置過程控制參數進行了優化，通過實驗驗證了參數優化后的胚件在成型精度方面得到明顯提高。

1 DIW瓷胚打印成型機構建模分析

1.1 擠出頭工藝參數分析

其中，為擠出頭高度、為打印速度、為漿料擠出速度。為避免過堆積和欠堆積，取值范圍1.5-4.0 mm之間，以為基準建模計算擠出頭內流體靜壓分布。利用ANSYS進行有限元劃分，采用線性插值，設定噴頭為壓力出口，氣源壓力輸出設定為0.85 MPa，擠出頭入口壓力0.4 MPa，整體壁面無滑移。劃分后的擠出頭網絡如圖1A所示，以此解算漿料在擠出頭內壓力分布狀態，得到流體靜壓分布如圖1B。

Fig.1 Extruder head finite element network and distributionof mud static pressure

圖2 擠出頭軸向位置對漿料壓力的影響

圖3 擠出頭口徑對擠出流率的影響

1.2 螺桿裝置工藝參數分析

擠出螺桿帶動漿料下沉過程中，漿料運動十分復雜。由粘性流體輸送理論，螺桿的傳輸效率只與螺桿參數、供料氣壓和漿料材料有關[9]，螺桿對粘性流體輸送量可表示為：

圖4 擠出流量隨螺槽深度變化曲線圖

圖5 螺桿的有限元網絡模型

圖6 螺桿合位移的仿真結果

圖7 螺桿壓力場分布仿真結果.

1.3 螺桿運動參數分析

螺桿每旋轉一周所擠出漿料體積流量為：

圖8 擠出流量隨螺桿轉速變化曲線圖

Fig.8Extrusion flow as a function of groove depth

2 實驗研究

2.1 材料制備

2.2 實驗裝置設計

實驗裝置采用Cartesian型坐標系統設備，改裝后的實驗擠出裝置如圖9所示：

供料方式為壓縮空氣+螺桿方式共同擠出。首先將氣源增壓至0.85 MPa，并保持壓力穩定，壓縮空氣緩慢推進活塞，使得活塞產生正向位移，推動漿料大流量的向前移動。再通過螺桿旋轉產生的剪切力精確控制材料沉降。兩種擠出方式共同作用，保證了高速打印下的精確流量控制。如圖10所示，減速比1/5.18的步進電機與螺桿相連。電機帶動螺桿順時針旋轉，對漿料產生沉降運動，同時通過噴頭將漿料附著到打印平臺上。

2.3 參數優化實驗及分析

表1 實驗材料的主要成分

Tab.1 The main components of the experimental material

圖9 實驗3D打印機的結構

螺槽深度對擠出流率穩定性的影響最為顯著。圖12為4種螺槽深度(2.0 mm，2.3 mm，2.6 mm，3.0 mm)下的擠出效果。可以看出螺槽深度為2.0 mm時擠出的效果最好，隨著螺槽的加深，擠出效果明顯變得不穩定。理論上，螺槽越深，擠出流率的波動也就越大，漿料擠出的穩定性就越差，在快速成型過程中嚴重影響成型件的精度。所以在優化螺桿時，螺槽深度取2.0 mm，以優先保證成型效果。

圖10 擠出裝置的結構模型

Fig.10Extrusion device structure model

螺桿在不同轉速下的實際打印測試的效果如圖13所示。當速度大于90 r/min時，擠出波動明顯增大，流涎變長，成型過程趨于不穩定。綜合以上因素，當快速填充時螺桿轉速范圍可取70~ 90 r/min。而進行打印外殼時的速度應設置的較低，通常情況下設置為50 r/min左右。轉速切換時的打印效果如圖14所示，圖片左側轉速為130 r/min，右側轉速50 r/min。可見經過本文優化后的擠出裝置，可以實現打印速度的快速切換，速度切換后漿料擠出的穩定性明顯改善。

圖11 不同擠出頭口徑下的擠出表面情況

圖12 不同螺槽深度對打印效果的影響狀況

圖13 不同螺桿轉速對打印效果的影響狀況

2.4 綜合優化實驗

用SolidWorks設計打印試樣件，樣件高度為100 mm，輸出為STL格式切片，如圖15A所示。選取擠出頭噴頭口徑2.0 mm，螺槽深度2.0 mm，螺桿轉速50 r/min進行模型分層切片處理，分層切片效果如圖15B所示，打印成型效果如圖14C所示。

通過圖16可以看到模型在不同時間進度的打印效果情況，可見優化后的擠出裝置可以很好地完成打印任務。模型在各位置上的出料波動較小，接近于切片分層的拉絲路徑，說明在打印過程中出料速度均勻，穩定性較好，能夠打印出表面質量良好且具備較高精度的陶瓷零件，達到了預期目標。

圖15 優化參數后測試打印的樣件

Fig.15Test printed samples after optimizing the parameters: (a) 3D Views; (b) Slicing Views; (c) Print result

3 結論

當前大多用于瓷胚制造的DIW設備由于受到經濟因素制約，在生產加工中精度有限，因此在使用過程中需要不斷對工藝參數進行優化。本文通過建模仿真，分析了DIW瓷胚3D打印設備漿料擠出裝置結構中擠出頭工藝參數、螺桿工藝參數和螺桿運動參數對成型效果的影響，對相關參數進行了優化，并通過實驗驗證了參數優化后裝置的擠出波動明顯變小，能夠制造出較高精度的陶瓷胚件。

[1] 伍海東, 劉偉, 伍尚華, 周茂鵬. 陶瓷增材制造技術研究進展[J]. 陶瓷學報, 2017, 38(04): 451-459. WU H D, LIU W, WU S H, et al. Journal of Ceramics, 2017, 38 (04): 451-459.

[2] KOSEKI K. Recent advanced ink jet printing technology [J]. Shikizai Kyokaishi, 2012, 85(6): 254.

[3] SHI Z, PENG Y, WEI W. Recent advance on fused deposition modeling [J]. Recent Patents Mechan Eng, 2014, 7(2): 122.

[4] WICKER R, MEDINA F, ELKINS C. Methods for Multi-Material Stereo-Lithography [D]. US: University of Texas System, 2011.

[5] DECKARD C R. Method and apparatus for producing parts by selective sintering: US, 5017753 [P]. 1991–5–21.

[6] 亞運, 司云暉, 熊信柏, 等. 陶瓷3D打印技術的研究與進展[J]. 硅酸鹽學報, 2017, 45(06): 793-805. YA Y, SI Y H, XIONG X B, et al. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2017, 45(06): 793-805.

[7] 楊孟孟, 羅旭東, 謝志鵬. 陶瓷3D打印技術綜述[J]. 人工晶體學報, 2017, 46(01): 183-186+191. YANG M M, LUO X D, XIE Z P. Journal of Synthetic Crystals, 2017, 46 (01): 183-186+191.

[8] BENBOW J J, BRIDGWATER J. On the fracture toughness of extrudes and its relationship to rates of bulk particle attrition [J]. Powder Technology, 1987, 51(1): 103-114.

[9] 朱復華. 擠出理論及應用[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2001.

[10] 劉驥遠, 吳懋亮, 蔡杰, 等. 工藝參數對3D打印陶瓷零件質量的影響[J]. 上海電力學院學報, 2015, 31(04): 376-380. LIU J Y, WU M L, CAI J, et al. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2015, 31(04): 376-380.

Key Parameters Optimization of Ceramic Slurry DIW Precision Extrusion Device

Lü Ning, ZHAO Xin, ZHENG Jian, XU Wei

(Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang, China)

The ceramic slurry direct ink writing (DIW) technology is an effective way to achieve rapid prototyping of complex objects in the field of ceramics additive manufacturing while ensuring high precision. This paper conducts research on extrusion heads, process parameters of screws and motion parameters of screws. Through simulation of the extrusion and flow features of the slurry with different parameters, the technical parameters of key structures of the ceramic slurry precision extrusion equipment are studied to get the best equipment control parameters. The printing effect of the molded parts after parameter optimization is verified through experiments. The experimental results show that the forming quality of the printed parts can be effectively improved.

additive manufacturing; porcelain prototyping; 3D printing; extrusion head; direct writing

date: 2018?04?11.

date:2019?04?16.

國家級大學生創業實踐項目(201810214054)。

Correspondent author:LüNing(1970-), male, Ph.D., Professor.

TQ174.5

A

1000-2278(2019)04-0517-07

10.13957/j.cnki.tcxb.2019.04.018

2018?04?11。

2019?04?16。

呂寧(1970-)，男，博士，教授。 E-mail:ning_lv@163.com