氧化锆陶瓷的熔融沉积成型研究

传统的熔融沉积成型一般采用线材供料，不适合特种陶瓷的3D打印，本研究开发了一种采用螺杆挤出供料的熔融沉积成型方法，适用于高固相含量的颗粒状耗材混合料。本研究优化设计了挤出螺杆的关键参 *通讯作者。

近年来，陶瓷3D 打印技术作为新型无模制造工艺逐步发展起来，该技术集数控技术、CAD 技术和先进材料制备技术为一体，不仅缩短了材料的生产周期，还节省制造成本，更为重要的是该技术能够制备出多自由度的陶瓷产品，缓解了快速增长的市场需求与相对落后的制备技术之间的矛盾，该技术被誉为“第三次工业革命最具有标志的生产工具”，越来越受到国内外的关注[1] [2] [3] [4]。

熔融沉积成型技术(FDM)作为目前应用最广泛的3D 打印技术之一，具备打印速度快、成本低、操作简单等优点[5] [6]。

在1988 年由Crump 等[7]首次提出， 这种技术采用热熔型丝状材料作为打印原料， 材料长丝在略高于其熔点的温度下连续供应到喷嘴并在其内加热，从而可以容易地通过喷嘴挤压形成层，挤压后，材料在先前的打印层上立即凝固，打印完一层后平台会下降一定的高度，以便下一层的打印。

在20 世纪90 年代美国Argonne 国家实验室和Rutgers 大学首次将陶瓷材料与计算机融合并在机械装置内进行了3D 打印， 利用熔融沉积成型技术制备了Al2O3 喷嘴座， 烧结密度98%， 强度824 ± 110 MPa [8] [9]。与传统的FDM 相比，陶瓷FDM 技术的特点是将陶瓷粉体掺入有机粘结剂中，并加入无定性基料结合剂生成复合材料，然后将复合材料放入打印设备中在稍高于其熔点的温度下熔化，通过计算机控制打印路径制备陶瓷生坯。最后通过脱脂处理后的生坯在适宜的高温条件下烧制成陶瓷部件[10]。1995 年， 罗格斯大学的Danforth 报告了FDM 技术在陶瓷制备中的首次应用，使用了Al2O3 和Si3N4 填充粘合剂系统。由于烧结件中存在空隙等缺陷，最终烧结密度不合格(75%~90%)，但未发现分层[5]。

由于以长丝或浆材作为原料的FDM 工艺局限性太大，研究人员最近提出了由粘合剂和高固含量粉末的混合物制成的颗粒或颗粒的替代原料作为3D 打印的原料。

Lu 等[11]将60 vol%固相含量的氧化铝粉末与热塑性聚乙烯醇缩丁醛和聚乙二醇(PEG)溶剂基混合物混合，将得到的糊状物预先填充在不锈钢注射器中，并通过微型挤出机(50,000 步/r 微型步进电机)进行注射成型氧化铝陶瓷件。而Anna Bellini 等[12]则基于FDM 工艺开发出一种新型挤出系统， 这种挤出系统主要是由具有高精度定位系统的微型挤出机组成，并且用颗粒状材料代替细丝，这种替代增加了材料组合的可用性，并且可以使用商用注塑材料作为原料，然后用高压挤出机挤出，原料的粘度值能达到100 Pa·s。从事金属注射成型的研究人员从中得到启发，提出了通过螺杆挤压和颗粒原料来增材制造不锈钢零件的方法。在国内， 深圳大学的一个研究小组也提出了一种FDM 工艺， 使用与粉末注射成型机相同的原料混合物[13]。

该研究小组使用不锈钢粉末和热塑性石蜡基粘合剂，通过螺杆挤出机挤出，研究了生坯和烧结挤出长丝