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前后的硬度。測量結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氣動調節(jié)閥）調節(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)分別為燒結件。在燒結后，三種C形環(huán)狀件在直徑上出現了不同的收縮，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，燒結后硬度分別為112±5HV0.2，3,1±3HV0.2，3,5±1HV0.2。可以看出，燒結工藝可以提高硬度。
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。