供稿人:劉小棟 連芩 發(fā)布日期：2018-07-11
2018年，印第安納大學與普渡大學印第安納波里斯聯(lián)合分校的研究者們設計和研發(fā)了一臺基于擠出自由成形制造的陶瓷3D打印機，并用氧化鋁、氧化鋯、生物玻璃45S5分別成形了C形環(huán)狀樣件，然后測量了各個樣件燒結(jié)前后的硬度。測量結(jié)果表明了使用這樣一臺定制化設計3D陶瓷打印機打印陶瓷件的可行性。
圖1 定制化設計的陶瓷3D打印機
定制化設計的陶瓷3D打印機由一臺塑料熔融沉積成形3D打印機轉(zhuǎn)換而來。如圖1所示，這臺設備長寬高分別為320mm,320mm,600mm。外部框架使用鋁合金型材。為了安裝用于陶瓷漿料的新型擠出機，需要設計新的擠出裝置。擠出裝置需要包含一個自動儲料盒，在該儲料盒中儲存用于擠出的陶瓷漿料。
(a)擠出裝置
(b)陶瓷漿料儲料盒圖
圖2 擠出裝置及陶瓷漿料儲料盒
由于打印機最初設計用于擠出塑料，所以擠出頭不適合于陶瓷漿料。研究者們設計了適用于陶瓷漿料擠出的部件并進行了組裝。圖2(b)所示為在擠出過程中用于容納陶瓷漿料的濾筒（工業(yè)膠液體濾筒分離注射筒）。利用壓縮空氣將漿料從儲料盒中擠出，使用一個氣動閥門（uxcell AR系列AR2000-02氣動調(diào)節(jié)閥）調(diào)節(jié)壓縮空氣流量。如果沒有氣動閥，空氣會急速流入，導致無法控制漿料擠出。
所使用的陶瓷漿料為：氧化鋁陶瓷漿料，固相含量為54.9vol%、生物玻璃漿料，固相含量為49.8vol%、氧化鋯陶瓷漿料，固相含量為55.16vol%。
打印的樣本如圖4所示，其中圖5(a),(c),(e)分別是氧化鋁，生物玻璃，氧化鋯C形環(huán)狀毛坯件，圖(b),(d),(f)分別為燒結(jié)件。在燒結(jié)后，三種C形環(huán)狀件在直徑上出現(xiàn)了不同的收縮，氧化鋁收縮了1mm，說生物玻璃收縮了2mm，氧化鋯收縮了4mm。
圖4 打印毛坯件和燒結(jié)件
打印形成的氧化鋁，生物玻璃，氧化鋯毛坯件分別硬度為37±3HV0.2，22±5HV0.2，23±5HV0.2，燒結(jié)后硬度分別為112±5HV0.2，3,1±3HV0.2，3,5±1HV0.2。可以看出，燒結(jié)工藝可以提高硬度。
該研究表明所設計的基于擠出成形的陶瓷3D打印機可以成功打印氧化鋁，生物玻璃，氧化鋯陶瓷漿料。