废弃陶瓷3D打印再生工艺的仿真分析

张文尧，贺梦鸽，寿烨俊

废弃陶瓷3D打印再生工艺的仿真分析

张文尧，贺梦鸽，寿烨俊

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

利用3D打印技术解决废弃陶瓷污染，实现废瓷再生利用的关键是选择合适的工艺参数。打印头直径决定打印速度，而分层厚度是影响陶瓷制件打印精度的关键因素。扫描速度与打印速度的合理搭配有利于提高打印的精度与打印件质量。实验结果表明，当扫描速度为12～15 mm/s，层厚为1.1～1.2 mm，打印头直径为1.25 mm时能够打印出较理想的陶瓷制件。

废弃陶瓷；3D打印；工艺参数；仿真分析

陶瓷材料因其高硬度高强度、耐热不易氧化等优良性能，在机械、能源等相关行业有着广泛的应用[1]。随着陶瓷产量逐年增高，陶瓷生产带来的废瓷垃圾越来越多。据统计，每年产生废弃陶瓷1 300万吨左右[2]，陶瓷经高温烧结后无法降解，导致大量原料的过度消耗和土地资源的不合理占用。3D打印技术作为一种新兴“增材”制造技术[3]，通过计算机三维建模并采用扫描堆积成型，成为有效解决废弃陶瓷污染实现废瓷再生利用的新途径，是陶瓷回收行业与现代新科技的完美融合。

主要研究在常温下利用3D打印技术废瓷再生利用的工艺参数选择及挤出过程的仿真分析，以确定合适参数保证废瓷膏体可在陶瓷3D打印机上使用并打印预设零件。

1 实验准备

选用湖北鑫来利建筑陶瓷公司仿古砖生产过程中产生的废瓷为主要原料制备陶瓷浆料及膏体，粘合剂体系由去离子水、中粘CMC、硼酸及甘油按比例配置而成。制备好陶瓷浆料后将其放置在行星式快速球磨机上充分球磨后，等量放入打印头内密封贮存，为防止水分减少及陶瓷颗粒沉聚对实验造成影响，实验所需陶瓷膏体均为现配现用。

2 实验参数选择

2.1 挤出压力参数选择

陶瓷坯体由3D打印机打印头挤出的膏体在平台上逐层堆积而成。膏体放置在料筒中，打印头的活塞杆推动膏体作挤压运动从而使膏体被挤出。由Carreau物理模型可知，膏体所受的挤出压力与挤出口长度和直径以及扫描速度有关。实验在室温下进行，每次实验膏体装载量相同，均为50 mL，相关参数如表1所示。

2.2 分层厚度参数选择

分层厚度是3D打印时层与层之间的距离，是影响3D打印陶瓷制件精度的关键因素。选用表1所示3种直径的打印头，并匹配相应分层厚度进行实验，具体参数如表2所示。

表1 实验挤出压力的参数设置

打印头直径D/mm挤出压力/（kg/cm2）打印头直径D/mm挤出压力/（kg/cm2） 0.841.51.253.5 0.842.01.254.0 0.842.51.544.5 1.253.01.545.0

表2 分层厚度设置

打印头直径D/mm分层厚度h/mm 0.840.91，0.97，1.02 1.251.05，1.10，1.18 1.541.20，1.23，1.29

2.3 扫描速度参数选择

合理选择扫描速度与打印速度有利于提高打印件的尺寸精度与表面质量。当挤出压力一定时，扫描速度不同会导致打印效果不同。本文选取3种不同的扫描速度，分别为10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s。

3 实验结果分析

3.1 挤出压力参数确定

本实验通过改变挤出口直径和压力，经过多次打印试验后发现挤出压力为3～5 kg/cm2时陶瓷膏体挤出过程稳定。压力过小和过大都会影响膏体挤出过程的状态。从理论上来说，打印头直径越小则打印精度越高，但由于制备的陶瓷膏体具有一定黏度，打印头直径过小时膏体挤出困难无法有效打印制件。因此，后续实验采用的打印头直径为1.25 mm，挤出压力为4 kg/cm2。

3.2 分层厚度参数确定

分层厚度参数确定实验设置直径为1.25 mm的打印头，设定挤出压力为4 kg/cm2。根据直径为1.25 mm的打印头选择1.02 mm、1.10 mm、1.18 mm三种不同的分层厚度并进行多次实验。根据实验结果可知，分层厚度为1.1 mm时膏体的挤出成型能力较好。分层厚度过小使挤出体受打印头垂直压力作用趋于扁平，影响打印的尺寸精度；分层厚度过大使陶瓷膏体易发生扭曲变形。

3.3 扫描速度参数确定

扫描速度决定了3D打印的速度，设置分层厚度为1.1 mm，改变扫描速度，多次打印结果。当扫描速度为12～15 mm/s时打印速度较快且打印精度较好。扫描速度过小，膏体会发生液相迁移现象，料桶内的膏体变干而无法挤出；扫描速度过大，挤出速度无法满足挤出体累加的需要，坯体上会出现缺口。

根据上述实验可得最佳3D打印工艺参数的范围：扫描速度12～15 mm/s，层厚1.1～1.2 mm，喷嘴直径1.25 mm。打印过程中膏体挤出顺畅连续，得到的坯体层次清楚、排列紧凑有序且放置干燥后不开裂。

3.4 打印过程模拟仿真分析

在打印过程中，侧壁摩擦应力越大则膏体轴向速度相差越大，侧壁对流体的压力越大则径向速度越大，膏体易产生纵向裂纹。通过模拟仿真分析3D打印过程中膏体横截面上的轴向速度和纵向速度，可以进一步验证实验结论。

仿真参数设定情况如表3所示。横截面轴向、纵向速度速度仿真结果如图1所示。根据仿真结果，出口横截面轴向速度差为6.779×10-6m/s，径向速度最大值为6.508×10-7m/s，挤出体应力状态比较好，且稳定挤出速度稳定。

4 结论

选择恰当的分层厚度可以保证打印的精度，分层厚度过大或过小都会影响胚体的成型效果。良好配合的扫描速度和挤出速度可以保障打印出表面质量较好的胚体。试验结果表明，扫描速度为12～15 mm/s，层厚1.1～1.2 mm，打印头直径为1.25 mm时，能够打印表面质量良好且具备较高精度的陶瓷制件。

表3 仿真参数设定

膏体流变模型幂律模型 膏体密度ρ=1.8×103 kg/m3 挤出速度v=0.2 mm/s 挤出口直径D=1.2 mm

（a）横截面轴向速度 （b）横截面纵向速度

［1］程佳剑.陶瓷材料3D打印关键技术研究［D］.北京：北方工业大学，2018.

［2］李来胜，江峰，张秋云.陶瓷工业节能减排技术［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［3］孙勇.一种新的陶瓷部件快速成形技术及材料性能研究［D］.咸阳：陕西科技大学，2005．

TQ174.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.031

2095－6835（2019）13－0075－02

〔编辑：严丽琴〕