粉末及打印參數(shù)對陶瓷3DP打印成形質(zhì)量的影響

供稿人：崔曉涵，王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


在工業(yè)生產(chǎn)中，對于鑄件鑄造質(zhì)量的要求越來越高，對于性能與成形精度等指標(biāo)的要求也進一步提高。因此，3DP砂型工藝以及許多陶瓷材料逐漸應(yīng)用于砂型鑄造中。這些應(yīng)用不僅提高了鑄件的性能，改善了鑄件的質(zhì)量及精度；同時還極大地提升了小批量砂型鑄造的生產(chǎn)效率。而一些非傳統(tǒng)的砂型材料的引入也使砂型鑄造擁有了更廣闊的適用范圍——從簡單的鐵，鋼澆鑄到一些較為活潑金屬的澆鑄，如鋁，鎂合金的澆鑄。

最近來自于比利時陶瓷研究中心的陳子榮團隊對于使用3DP工藝，以陶瓷粉末為基材，系統(tǒng)全面地研究了3DP工藝中各種參數(shù)對于陶瓷粉末成型的鑄造模具，其強度，表面精度，尺寸精度，內(nèi)部缺陷等各方面指標(biāo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，球形粉末成型精度好于棱形粉末 ，而粒徑為20-50um的粉末成形精度最佳(e)。而從圖(c)及圖(d)中得出，在打印速率為50mm/s及粘接劑噴射濃度為53%時，打印的尺寸精度和表面精度質(zhì)量均較好。而圖(e)得到在分層厚度為0.25mm時，樣件微觀上形成了較多較緊密的粘接橋。最終得到尺寸精度、表面質(zhì)量較好，同時強度較高的樣品。

圖1(a) 不同陶瓷顆粒形狀及粒徑，(b) 不同形狀粒徑的沙子對成型表面精度影響，(c)打印速度及粘接劑噴射量對砂型表面精度影像 (d)對應(yīng)成型樣品(e)不同分層厚度對粘接橋影響(f)選擇最佳工藝制作出成品

通過對于不同形狀，不同粒徑陶瓷粉末對于鋪粉層表面精度的研究得知，球形粉末成型精度好于棱形粉末，而精度最佳的粒徑為20-50um(e)。而從圖(c)及圖(d)中得出，在打印速率為50mm/s及粘接劑噴射濃度為53%時，打印表面精度較好。此時所成型的樣件表面精度同時較好。而圖(e)得到在分層厚度為0.25mm時，樣件微觀上形成了較多較緊密的粘接橋。最終得到尺寸精度，表面精度較好，具有較高強度的樣品。

最后，對制件的力學(xué)性能進行了表征，制件的密度為2.75g/〖cm〗^3，彎曲強度為262.6MPa，斷裂韌性為1.8MPam^(1⁄2)。制件具有更輕的密度和優(yōu)異的力學(xué)性能。這種制造策略，在制備具有復(fù)雜幾何形狀的致密陶瓷零件方面具有巨大潛力。

3DP工藝目前在砂型鑄造中已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，而陶瓷鑄型的引入為砂型鑄造提供了更多的選擇。當(dāng)然新工藝以及新材料的碰撞會出現(xiàn)許多意想不到的問題。只有解決了這些問題，之后，我們才能得到一種穩(wěn)定、可靠、實用性強，具有突破性的新技術(shù)。
參考文獻：

    陳啟榮、Enrique Juste、Marie Lasgorceix 等。 陶瓷粉末粘合劑噴射工藝：粉末性能和印刷參數(shù)的影響[J]. 開放陶瓷，9（2022）100218