螺杆挤出熔融沉积建模增材制造致密氧化锆陶瓷

供稿人：张倍宁、李涤尘
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

随着近年来的快速发展，塑料和金属增材制造技术已有一定的工业应用，然而工程陶瓷的增材制造技术仍然难以在材料可靠性、尺寸精度和制造成本之间取得平衡。传统的聚合物基FDM设备通常使用固定直径的柔性长丝，但聚合物粘结剂与陶瓷粉的混合料在低固相含量(30% wt %)时表现出脆性，不易制备柔性陶瓷长丝。然而对于高性能原料来说，固相含量有时需要超过80wt%甚至更高。在陶瓷注射成型中，这种高固相含量的原料通常被粉碎成颗粒状，通过螺杆挤出的方式进行输送，并通过加热和挤压，最终在喷嘴处获得致密均匀的丝。对于陶瓷注射成型而言，有机粘结剂的选择、原料的制备、脱脂和烧结的方法和设备已经进行了几十年的深入研究和成功开发。这些知识可以用于优化螺杆基础打印设备的工艺参数，该设备配有螺杆挤压装置，适用于使用Al2O3、ZrO2、Si3N4或SiC粉末从微米到纳米级的增材制造工程陶瓷部件。

在这项工作中，作者提出一种基于螺杆挤出的适用于高固体负荷原料的FDM方法。确定了氧化锆陶瓷增材制造螺杆的优化结构参数和加工窗口。并对烧结陶瓷的层间结合和机械强度进行了评价。研究结果表明，基于螺杆挤压的FDM方法用于制备复杂形状陶瓷零件是可行的。

图1 螺杆挤出熔融沉积致密氧化锆陶瓷流程

该研究制备氧化锆陶瓷部件的加工流程如图1所示。首先，将氧化锆陶瓷粉与有机粘结剂混合得到原料。然后，将原料板通过螺杆送入料管，再加热，从喷嘴挤出。陶瓷坯体逐层制造，然后在有机溶剂中进行脱脂。最后，通过热脱脂和烧结得到致密的陶瓷零件。 挤出流量主要受螺杆转速和机筒温度的影响，是评价螺杆挤出装置性能的重要指标。当螺杆转速为5 r/min、10 r/min、15 r时，在130 ~ 190 C范围内均可获得连续稳定的挤出效果。在较高的螺杆转速(20r /min和25r /min)下，原料不能在130℃和25r /min下连续挤出。 当筒体温度超过150℃时，挤出膨胀效果不明显，当筒体温度达到160℃后时，挤出的线材直径几乎与喷嘴尺寸相等，有利于较高的印刷精度。这可能是由于温度较高后材料粘度变低，流动性变好导致的。因此，筒体温度是决定挤出线直径稳定性的关键因素，对打印精确性非常重要。

图2 打印件SEM图像

本研究主要关注的两个方面是表面质量和层间结合。表面质量直接关系到烧结材料的精度和后续的加工成本，而层间结合则影响烧结材料的可靠性。在层厚为0.15 mm的表面拍摄的SEM图像如图2(a)所示。表面各层之间的间隙是可见的，FDM技术很难避免。然而，从截面图像估计，这种层间缝隙的深度仅为0.1 mm左右(图2(b))。在收缩率为20%左右的烧结后，层厚度变为0.1 mm(图2(c))，在图2(d)放大图像中可以清楚地看到，层间区域的显微组织与内层一样致密均匀。图2（b)和图2(d)中的红线标记了印刷和烧结部分的层间区域。

图3氧化锆陶瓷打印密度及强度

图3为测试不同层厚时坯体和烧结体的密度和弯曲强度。层厚度对印刷体和烧结体的密度没有显著影响(见图3(a))。坯的密度为0.35 g/cm3，达到3Y-TZP理论密度的58%，烧结坯的密度约为6.0 g/cm3，达到TD的99%。如图3(b)所示，不同层厚制备的坯体抗弯强度达到注塑坯体30mpa抗弯强度的一半以上，证明坯体内部的层间粘结足够。厚度为0.15 mm的烧结体强度超过厚度为0.1 mm和0.2 mm的烧结体强度，达到890MPa，接近干压或注塑所能达到的水平。进一步优化印刷参数，以最大限度地减少加工缺陷，并提高制备材料的可靠性将在后续研究中进行。

图4 螺杆挤出熔融沉积致密氧化锆陶瓷零件

图4为本研究开发的FDM法制备的一些氧化锆陶瓷零件。矩形棒料从印坯到烧结件的纵向线形收缩率为20.5%。通过对比坯体的几何形状，证实了该方法具有可靠的保形能力(见图b))。

基于螺杆挤出的FDM系统适用于打印高固相含量的ZrO2颗粒料，对其他工程陶瓷如Si3N4和Al2O3的增材制造也具有广阔的应用前景。设计螺杆直径为12mm，长宽比为17:1，紧凑比为2.34。其强度足以承受挤压过程中产生的剪切应力。通过对打印温度、螺杆速度和喷嘴尺寸的监测，优化了获得稳定、精确可控的挤出流量和充分的层间结合的均匀组织的加工窗口。氧化锆坯体和烧结氧化锆坯体的密度分别达到理论密度的58%和99%，接近干压或注射成型所能达到的水平。验证了基于螺杆挤出的FDM系统适用于复杂几何形状陶瓷零件的打印，尺寸精度可控。

参考文献：
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.