基于參數化與LDM的陶瓷產品增材制造

曾 莉

（湖南工藝美術職業(yè)學院，湖南 益陽 413000）

1 陶瓷產品增材制造

陶瓷產品增材制造（Additive Manufacturing of Ceramics），俗稱陶瓷產品3D 打印技術，指以數字模型文件為基礎，使用粉末狀陶瓷或液態(tài)漿料等作為陶瓷打印耗材，通過逐層打印的方式來構造陶瓷產品的技術。在歐美等國家利用3D 打印的陶瓷產品早已在機械電子、航空航天和醫(yī)療等領域展開了廣泛應用，并打造了完整的產業(yè)鏈模式。它是一種快速成型技術，不僅包含了日用陶瓷產品的制造，還包括了藝術陶瓷的成型[1]，適應批量化產業(yè)模式的同時也為新時期陶瓷產業(yè)的發(fā)展提供了新的契機。

1.1 數字模型的參數化設計

在數字模型的設計中利用主流三維軟件（Pro/Engineer、UGNX、CATIA、Solidworks、Rhino 等）進行參數化建模的方法，可以提高工作效率和工作質量。參數化設計指利用函數的變量進行不同變化的計算方法，能夠得出不同形狀的豐富造型，屬于圖形算法編輯器。在開發(fā)設計陶瓷產品的過程中能夠提供不同的解決方案，是一種新的思維方式和思維方法，能夠解決復雜的形體空間，方便方案的修改，拓展設計思考的范圍。參數化數字模型如圖1。

參數化設計在現代建筑設計領域應用廣泛，它具備自動重復、傳遞關聯和壓縮復雜等特征，也是人工智能的體現。陶瓷產品數字模型參數化設計主要體現在形體參數化的表達，利用參數化設計的數字模型其形態(tài)的變化可以獲得超出人腦的直觀感受，同時結合LDM 成型，可以突破傳統陶瓷設計制作過程中遇到的難點，是一種更理性化、更具邏輯的形態(tài)表現方式。進行設計創(chuàng)作時，可以通過數字模型進行不同的變化、調整，尤其體現在曲線、曲面的造型上，可以豐富形體的多重變化，同時也突破了手工制作的界限，為陶瓷產品的設計實現提供更多形態(tài)的可能性。所以在陶瓷增材制造中，模型的參數化設計可以拓展設計內容。

1.2 LDM 成型技術

LDM3D 打印技術（liquid deposit modeling）指液態(tài)沉積成型，也稱為低溫沉積建模，是陶瓷增材制造（3D打印）擠出沉積成型技術的一種。其工藝原理是將陶瓷泥料用擠出機或毛細血管流變儀做成絲，按照設計的模型文件擠制一層、沉積一層，層層疊加打印得到一定形狀的生坯[2]。這種成型技術適用性廣，適合多種陶瓷漿料，設備操作相對簡單，可達到的精度較高，成本較低。有別于工業(yè)陶瓷及高科技陶瓷產品領域，它屬于直接漿料沉積成型，是目前市場上針對日用陶瓷產品及陶瓷藝術品增材制造領域運用較多、相對成熟的成型技術。LDM 成型技術如圖2。

2 陶瓷產品LDM 成型操作

陶瓷產品經過擠出后沉積成型，在這個過程中，打印材料是制約3D 打印成型的關鍵因素之一，目前市場上的陶瓷打印材料大部分需要有機粘結劑或光敏樹脂等有機材料，在后期固化過程中需要加熱進行排膠處理。如果有機材料的粘性不夠穩(wěn)定，則容易產生坯體坍塌，那么坯體在固化后容易使產品的致密性降低，影響燒成質量及成品率。LDM 成型中漿料不需要添加粘結劑及其他有機材料，打印過程中無需加熱，按照具體操作流程進行規(guī)范打印，就能夠較好地保證陶瓷產品打印效果，可以為陶瓷3D 打印與設計提供科學成型的參考依據。

LDM3D 打印具體操作流程為：操作前準備→LDM3D 打印→后續(xù)操作。

2.1 前期準備

LDM 陶瓷漿料的制備跟普通陶瓷有機硅聚合物材料的比例相差不大，只需要根據打印出料的噴針大小及成品件數的需求制備相應體量即可。陶瓷漿料包括陶料與瓷料的制備：粘土約50%，長石約30%，石英約20%等原料，加入一定量水進行均勻混合揉練，真空煉制，除去空氣泡，使水分分布均勻并陳化成可塑漿料。漿料制備后筒狀灌裝，要求真空密封，防止水分流失，具備即插即用氣路接口且高強耐壓。按現行國家標準（GB/T26742-2011）建筑衛(wèi)生陶瓷用原料粘土第6 章的方法檢測，漿料制備參數應分別控制如表1。

表1 漿料技術參數

2.2 打印參數控制

三維軟件生成的數字模型設計輸出格式為STL、OBJ、STP、PRT、SLDPRT、3DM 和IGS 等。成型的主要擠出方式為柱塞擠出和螺桿擠出，在打印過程中出料速率與機構運動速度的匹配程度是影響打印效果的重要因素[3]。不同LDM3D 打印機技術參數稍有所差別，可根據實際經驗，分別按表2 所示的范圍優(yōu)化技術參數選擇。

表2 打印技術參數

2.3 打印流程

在前期準備與設備設置完成的基礎上LDM3D 打印的主要流程為：切片設置→模型輸入→料筒安裝→打印測試→打印實施。

2.4 后續(xù)操作

2.4.1 坯體拿取

打印結束后，待打印噴頭復位，生坯稍靜置2～5min,其結構穩(wěn)定后再拿取。坯體靜置干燥，須在室溫、濕度高的條件下緩慢進行。根據情況可適當選用微波快速烘干，防止坯體開裂，縮短干燥時長（坯體收縮率：1%～5%）。

2.4.2 固化燒結

陶瓷坯件后處理中，要保證最終成型制件燒結致密[4]，直接燒結，采用常規(guī)燒結方式。根據實際坯體、器型和類型等需求進行一次或多次高溫燒結，保持溫度均勻，防止坯體各向收縮不一致，進而致坯體產生變形、微裂紋及分層等問題（燒結后收縮率：15%～23%）。

2.4.3 噴頭處理

取下噴頭，及時用水進行沖洗再安裝，如出現干料堵塞噴頭，則需要用浸水等方式通堵，每次工作前均需檢查噴頭，如磨損嚴重則及時進行更換。

2.4.4 漿料處理

漿料在程序結束后需及時取出，不允許停置于機器料管中；多余漿料取出并重新密封儲存，也可回收真空練泥機，重新灌制；干燥完全的坯料廢料可制成干粉回收利用，再次灌漿制坯。

3 結語

LDM3D 打印技術具備操作簡單、材料制備要求不高和適用面較廣的優(yōu)勢，成為陶瓷產品增材制造應用領域的一項實用型成型技術。在進行產品制作時，基于參數化進行產品設計可以給設計師帶來不同視角，彌補傳統工藝技術的不足，同時實現復雜形狀產品制造和個性化產品定制，提高產品附加值。隨著3D 打印技術的日趨成熟，以及數字化技術的廣泛應用，基于LDM的增材制造技術將有更加廣闊的應用空間。