以废陶瓷为原料的双喷头挤出式3D打印机

康友伟，刘鑫宇，聂子杰

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

作为陶瓷总产量最多的国家，中国的陶瓷行业对环境的破坏日益严峻。据文献[1]所知，我国每年生产陶瓷消耗矿物原料超1.24亿吨，消耗标煤超3 440万吨。此外，全国陶瓷废弃物的每年产量大约为1 000万吨[2]。但现有的回收利用废陶瓷的工艺效益低下，限制了废陶瓷的再利用，而随着增材制造技术的发展，为陶瓷行业提供了新的方向。

对此，本文设计了一种新型的双喷头挤出式3D打印机，实现了对废弃陶瓷的再利用，节省了资源，减少了对环境的破坏，同时促进了陶瓷3D打印的发展，有助于陶瓷产业朝着高端、绿色的方向转型升级。

1 制备打印材料

溶剂型陶瓷材料挤出成型有机系统具有脱除粘结过程用时短、易于使用的优点，是最常用的挤出成型陶瓷材料的类型。本文根据典型的粘结剂体系，采用水作为溶剂，甲基纤维素作为粘结剂，甘油作为增塑剂，硼酸作为表面活性剂制备粘结剂。试验中向56 g纯水中分别加入25 g甲基纤维素、13 g甘油和6 g硼酸，用玻璃棒搅拌均匀直至形成均匀混合的溶液。分批次添加废瓷粉至上述浆料中并缓慢搅拌，每次加入10 g，调制出具有一定流动性的陶瓷膏体，并记录加入废瓷粉的次数以便计算膏体的固相含量。

在成型过程中，向注射器中倒入陶瓷膏体并挤压，使陶瓷膏体从注射器口挤出并在玻璃板上固化，干燥一段时间直至成型。对于不同固含量的陶瓷膏体，观察成型后的陶瓷外表形态，判断是否成型、有无裂纹和缺陷，切割后观察内部形态，判断是否有孔洞和间隙，得出试验结论并记录。

根据上一次的试验材料的性能，改变相应作用的试剂的用量，重复试验并做记录与比对，最后得出适合用于做挤出成型3D打印材料的配方。

2 打印机简介

2.1 三轴联动模块

竖直方向的Z轴由滚珠丝杆和两平行导杆组成，其一端与步进电机连结，另一端通过轴承与支架相连。水平前后方向的Y轴由两根平行导杆组成，固定于支架上。平行于导杆上方设置同步带传递运动，同步带由步进电机驱动。水平左右方向的X轴由两根平行导杆组成，固定于滑动模块上，滑动模块置于Y轴导杆上。平行于导杆上方设置同步带传递运动，同步带由步进电机驱动。

2.2 挤料模块

挤料模块主要由螺杆挤出头、步进电机、储料罐、空气压缩机、真空泵组成。双喷头打印机的两个喷头的区别主要体现在喷头口径大小的不同，大口径喷头对应连接盛装自制泥料的储料罐，小口径喷头对应连接盛装普通泥料的储料罐。两个喷头按固定间距△x连接在三轴联动模块的移动端上，喷头中心连线与X轴平行。该3D打印机的模型如图1所示。

图1 打印机结构

挤料模块使用时，将打印用泥料直接加入储料罐中，搅拌均匀，经过真空泵真空除泡后，通过空气压缩机和步进电机的气动、电动联合双驱动，将陶瓷泥料送入3D打印机的打印喷头并挤出。

3 打印方法简介

3.1 切片方法

将用于打印的三维模型分为内部填充及外表面成型部分，两部分的分界线由模型的形状和外表面部分的厚度决定，外表面部分的厚度由三维建模软件根据实体需要设定而成。假设喷头1为精细打印喷头，喷头2为粗糙打印喷头，为了适应新型打印机双喷头的不同精度，内外部分分别采用不同成型层厚，即外表面要求精度较高的层厚设置为h，内部填充的层厚设置为2 h。

三维模型切片每一层分为内层和外层，内层填充使用精度较差的喷自制泥料的喷头进行打印，节约材料；外层使用精度较高的喷普通泥料的喷头进行打印，保证精度。以曲面形状边界为例，提升表面精细度原理如图2所示，图示为竖直方向边界位置的局部截面图。

图2 提升表面精细度原理示意图

3.2 打印方法

首先定义，如果第i层无内层填充，则第i层厚h；如果有填充，则第i层厚2h，包括厚为2h的内层以及厚均为h的i-I外层和i-Ⅱ外层，i-I和i-Ⅱ层的意义如图2所示。打印底面层，即打印的第一层，为外表面层，只有厚度为h的切片层。三轴联动模块回归初始位置，喷头1工作出料，三轴联动模块在XY平面内牵引打印喷头按切片文件的规划路径运动，直到底面层打印完毕。

打印中间层，中间层具有内部和外表面合成的切片数据。承接前一层，三轴联动模块下移h高度，喷头1工作出料，三轴联动模块牵引打印喷头打印实体外表面两层中的较低层。三轴联动模块再下移h高度，喷头安装板向X轴负方向移动△x的距离，喷头2工作出料，三轴联动模块牵引打印喷头打印实体内部。内部打印完毕后，喷头安装板向X轴正方向移动△x的距离，喷头1工作出料，三轴联动模块牵引打印喷头打印实体外表面两层中的较高层。至此，一层中间层打印完毕。其余中间层重复上述打印方法打印成型。

打印顶面层，即打印的最后一层，为外表面层，只有厚度为h的切片数据。三轴联动模块下移h高度，喷头1工作出料，三轴联动模块牵引打印喷头按切片文件的规划路径运动，直到顶面层打印完毕。至此，整个实体打印完毕。

对于打印成型所需添加的支撑结构，由喷头2工作出料，逐层堆积成型。选择小口径的喷头1对模型外表面进行打印，可以使工件外表面成型质量得以提高；选择大口径的喷头2对模型内部进行填充，可以节约大量普通陶瓷泥料的使用并能提高打印速率。

4 总结

随着陶瓷制造领域的发展创新，社会对形状复杂的陶瓷零部件的需求量越来越大，受传统制造工艺的限制，制造复杂结构的陶瓷更适合通过3D打印成型。面对发展迅猛的陶瓷3D打印技术，其对陶瓷原料的消耗随之增加。然而用于3D打印的陶瓷原料日渐减少，原料成本则会越来越高，这给本文所用的技术带来了广阔的发展空间，应用前景可观。