供稿人:刘小栋 连芩 发布日期：2018-07-11
2018年，印第安纳大学与普渡大学印第安纳波里斯联合分校的研究者们设计和研发了一台基于挤出自由成形制造的陶瓷3D打印机，并用氧化铝、氧化锆、生物玻璃45S5分别成形了C形环状样件，然后测量了各个样件烧结前后的硬度。测量结果表明了使用这样一台定制化设计3D陶瓷打印机打印陶瓷件的可行性。
图1 定制化设计的陶瓷3D打印机
定制化设计的陶瓷3D打印机由一台塑料熔融沉积成形3D打印机转换而来。如图1所示，这台设备长宽高分别为320mm,320mm,600mm。外部框架使用铝合金型材。为了安装用于陶瓷浆料的新型挤出机，需要设计新的挤出装置。挤出装置需要包含一个自动储料盒，在该储料盒中储存用于挤出的陶瓷浆料。
(a)挤出装置
(b)陶瓷浆料储料盒图
图2 挤出装置及陶瓷浆料储料盒
由于打印机最初设计用于挤出塑料，所以挤出头不适合于陶瓷浆料。研究者们设计了适用于陶瓷浆料挤出的部件并进行了组装。图2(b)所示为在挤出过程中用于容纳陶瓷浆料的滤筒（工业胶液体滤筒分离注射筒）。利用压缩空气将浆料从储料盒中挤出，使用一个气动阀门（uxcell AR系列AR2000-02气动调节阀）调节压缩空气流量。如果没有气动阀，空气会急速流入，导致无法控制浆料挤出。
所使用的陶瓷浆料为：氧化铝陶瓷浆料，固相含量为54.9vol%、生物玻璃浆料，固相含量为49.8vol%、氧化锆陶瓷浆料，固相含量为55.16vol%。
打印的样本如图4所示，其中图5(a),(c),(e)分别是氧化铝，生物玻璃，氧化锆C形环状毛坯件，图(b),(d),(f)分别为烧结件。在烧结后，三种C形环状件在直径上出现了不同的收缩，氧化铝收缩了1mm，说生物玻璃收缩了2mm，氧化锆收缩了4mm。
图4 打印毛坯件和烧结件
打印形成的氧化铝，生物玻璃，氧化锆毛坯件分别硬度为37±3HV0.2，22±5HV0.2，23±5HV0.2，烧结后硬度分别为112±5HV0.2，3,1±3HV0.2，3,5±1HV0.2。可以看出，烧结工艺可以提高硬度。
该研究表明所设计的基于挤出成形的陶瓷3D打印机可以成功打印氧化铝，生物玻璃，氧化锆陶瓷浆料。