螺桿擠出熔融沉積建模增材制造致密氧化鋯陶瓷

供稿人：張倍寧、李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

隨著近年來(lái)的快速發(fā)展，塑料和金屬增材制造技術(shù)已有一定的工業(yè)應(yīng)用，然而工程陶瓷的增材制造技術(shù)仍然難以在材料可靠性、尺寸精度和制造成本之間取得平衡。傳統(tǒng)的聚合物基FDM設(shè)備通常使用固定直徑的柔性長(zhǎng)絲，但聚合物粘結(jié)劑與陶瓷粉的混合料在低固相含量(30% wt %)時(shí)表現(xiàn)出脆性，不易制備柔性陶瓷長(zhǎng)絲。然而對(duì)于高性能原料來(lái)說(shuō)，固相含量有時(shí)需要超過(guò)80wt%甚至更高。在陶瓷注射成型中，這種高固相含量的原料通常被粉碎成顆粒狀，通過(guò)螺桿擠出的方式進(jìn)行輸送，并通過(guò)加熱和擠壓，最終在噴嘴處獲得致密均勻的絲。對(duì)于陶瓷注射成型而言，有機(jī)粘結(jié)劑的選擇、原料的制備、脫脂和燒結(jié)的方法和設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的深入研究和成功開(kāi)發(fā)。這些知識(shí)可以用于優(yōu)化螺桿基礎(chǔ)打印設(shè)備的工藝參數(shù)，該設(shè)備配有螺桿擠壓裝置，適用于使用Al2O3、ZrO2、Si3N4或SiC粉末從微米到納米級(jí)的增材制造工程陶瓷部件。

在這項(xiàng)工作中，作者提出一種基于螺桿擠出的適用于高固體負(fù)荷原料的FDM方法。確定了氧化鋯陶瓷增材制造螺桿的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工窗口。并對(duì)燒結(jié)陶瓷的層間結(jié)合和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，基于螺桿擠壓的FDM方法用于制備復(fù)雜形狀陶瓷零件是可行的。

圖1 螺桿擠出熔融沉積致密氧化鋯陶瓷流程

該研究制備氧化鋯陶瓷部件的加工流程如圖1所示。首先，將氧化鋯陶瓷粉與有機(jī)粘結(jié)劑混合得到原料。然后，將原料板通過(guò)螺桿送入料管，再加熱，從噴嘴擠出。陶瓷坯體逐層制造，然后在有機(jī)溶劑中進(jìn)行脫脂。最后，通過(guò)熱脫脂和燒結(jié)得到致密的陶瓷零件。 擠出流量主要受螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)筒溫度的影響，是評(píng)價(jià)螺桿擠出裝置性能的重要指標(biāo)。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為5 r/min、10 r/min、15 r時(shí)，在130 ~ 190 C范圍內(nèi)均可獲得連續(xù)穩(wěn)定的擠出效果。在較高的螺桿轉(zhuǎn)速(20r /min和25r /min)下，原料不能在130℃和25r /min下連續(xù)擠出。 當(dāng)筒體溫度超過(guò)150℃時(shí)，擠出膨脹效果不明顯，當(dāng)筒體溫度達(dá)到160℃后時(shí)，擠出的線材直徑幾乎與噴嘴尺寸相等，有利于較高的印刷精度。這可能是由于溫度較高后材料粘度變低，流動(dòng)性變好導(dǎo)致的。因此，筒體溫度是決定擠出線直徑穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，對(duì)打印精確性非常重要。

圖2 打印件SEM圖像

本研究主要關(guān)注的兩個(gè)方面是表面質(zhì)量和層間結(jié)合。表面質(zhì)量直接關(guān)系到燒結(jié)材料的精度和后續(xù)的加工成本，而層間結(jié)合則影響燒結(jié)材料的可靠性。在層厚為0.15 mm的表面拍攝的SEM圖像如圖2(a)所示。表面各層之間的間隙是可見(jiàn)的，F(xiàn)DM技術(shù)很難避免。然而，從截面圖像估計(jì)，這種層間縫隙的深度僅為0.1 mm左右(圖2(b))。在收縮率為20%左右的燒結(jié)后，層厚度變?yōu)?.1 mm(圖2(c))，在圖2(d)放大圖像中可以清楚地看到，層間區(qū)域的顯微組織與內(nèi)層一樣致密均勻。圖2（b)和圖2(d)中的紅線標(biāo)記了印刷和燒結(jié)部分的層間區(qū)域。

圖3氧化鋯陶瓷打印密度及強(qiáng)度

圖3為測(cè)試不同層厚時(shí)坯體和燒結(jié)體的密度和彎曲強(qiáng)度。層厚度對(duì)印刷體和燒結(jié)體的密度沒(méi)有顯著影響(見(jiàn)圖3(a))。坯的密度為0.35 g/cm3，達(dá)到3Y-TZP理論密度的58%，燒結(jié)坯的密度約為6.0 g/cm3，達(dá)到TD的99%。如圖3(b)所示，不同層厚制備的坯體抗彎強(qiáng)度達(dá)到注塑坯體30mpa抗彎強(qiáng)度的一半以上，證明坯體內(nèi)部的層間粘結(jié)足夠。厚度為0.15 mm的燒結(jié)體強(qiáng)度超過(guò)厚度為0.1 mm和0.2 mm的燒結(jié)體強(qiáng)度，達(dá)到890MPa，接近干壓或注塑所能達(dá)到的水平。進(jìn)一步優(yōu)化印刷參數(shù)，以最大限度地減少加工缺陷，并提高制備材料的可靠性將在后續(xù)研究中進(jìn)行。

圖4 螺桿擠出熔融沉積致密氧化鋯陶瓷零件

圖4為本研究開(kāi)發(fā)的FDM法制備的一些氧化鋯陶瓷零件。矩形棒料從印坯到燒結(jié)件的縱向線形收縮率為20.5%。通過(guò)對(duì)比坯體的幾何形狀，證實(shí)了該方法具有可靠的保形能力(見(jiàn)圖b))。

基于螺桿擠出的FDM系統(tǒng)適用于打印高固相含量的ZrO2顆粒料，對(duì)其他工程陶瓷如Si3N4和Al2O3的增材制造也具有廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)螺桿直徑為12mm，長(zhǎng)寬比為17:1，緊湊比為2.34。其強(qiáng)度足以承受擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。通過(guò)對(duì)打印溫度、螺桿速度和噴嘴尺寸的監(jiān)測(cè)，優(yōu)化了獲得穩(wěn)定、精確可控的擠出流量和充分的層間結(jié)合的均勻組織的加工窗口。氧化鋯坯體和燒結(jié)氧化鋯坯體的密度分別達(dá)到理論密度的58%和99%，接近干壓或注射成型所能達(dá)到的水平。驗(yàn)證了基于螺桿擠出的FDM系統(tǒng)適用于復(fù)雜幾何形狀陶瓷零件的打印，尺寸精度可控。

參考文獻(xiàn)：
Qh A, Jie J B, Xy A , et al. Additive manufacturing of dense zirconia ceramics by fused deposition modeling via screw extrusion[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41( 1):1033-1040.