工艺参数对ZrO2陶瓷膏体挤出冷冻自由成形精度的影响

摘要

ZrO2因其良好的生物相容性和稳定的化学性能广泛的应用于生物修复领域，尤其是牙科修复。生物修复属于个性化制造，不仅要求零件具有一定的力学性能，还要根据患者的不同情况制造出形状不同的零件。使用传统的陶瓷加工方法，很难加工出满足患者个性化需求的产品，而且加工周期较长。近年来，出现了一种基于陶瓷膏体挤出冷冻的自由成形方法，采用该方法不仅能加工出任性复杂形状的零件，并能缩短加工周期。但是该工艺下影响陶瓷膏体成型精度的因素有很多，因此本文从控制工艺参数的角度研究工艺参数对 ZrO2陶瓷膏体挤出冷冻自由成型精度的影响，以期获得完整系统的规律，探究 ZrO2陶瓷膏体在挤出冷冻自由成型过程中的精度变化。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了模型参数包括分层厚度、挤出头直径、挤出头高度对 ZrO2陶瓷膏体挤出堆积成型精度的影响，这一部分实验的进行主要是为了最终冷冻条件下成型做准备。研究表明，同一成型件的成型时间随着分层厚度的增大而不断减小，两者之间呈现非线性减小的变化关系，同一制件的相邻两分层厚度的成型时间越来越小；三维制件成型时，Δh=0.5 mm下制件的成型效果和成型精度最好；挤出头较小时更容易发生液相迁移，导致挤出成型后期膏体中液相含量减小，发生挤出丝断裂，导致成型件难以成型，0.84 mm的挤出头直径成型效果符合成型精度要求；挤出头高度等于或小于挤出头直径时第一层的片层成型精度要高于挤出头高度大于挤出头直径时的。⑵为保证冷冻条件下 ZrO2陶瓷膏体顺利挤出堆积成型，分析了挤出过程中挤出参数对 ZrO2陶瓷膏体挤出自由堆积成型精度的影响，挤出参数主要有扫描速度和扫描路径以及填充顺序。结果表明，扫描速度与挤出速度之间有一定的匹配关系，扫描速度为2 mm/s时尺寸精度最好，在±0.2 mm范围内；而对片层体的单层填充而言，扫描方向的选择对片层体的精度影响甚小，即无论是x方向还是y方向填充对片层体的精度影响很小；而扫描填充方式的选择对片层精度影响明显，平行线填充方式的精度较好，边缘搭接填充时精度较低，尺寸跨度较大；先填充外部时片层的精度要比先填充内部的精度较好。⑶在优化参数的模型参数和挤出参数下，研究了成型参数对 ZrO2陶瓷膏体成型能力和成型精度的影响，并通过典型成型件的成型以及烧结后抗弯强度和断口形貌综合评价了工艺参数对 ZrO2陶瓷膏体挤出堆积成型精度的影响。研究表明：冷冻温度下，尺寸的变化范围要比常温下大，最大在+0.6 mm内，最小在-0.4mm内；冷冻温度为-15℃时，相比于其他温度成型制件的尺寸较好。分层厚度越小成型角度越大，分层厚度为0.5 mm时成型效果要好于分层厚度为0.8mm，最大成型角为-35°；同一高度的制件模型，成型角度越大成型效果越差；抗弯强度在扫描速度为3mm/s时最大，但在同一扫描速度下，长、短尺寸方向交替填充下的抗弯强度最高，其次是长尺寸方向填充，最后是短尺寸方向；长尺寸方向平行线填充试样的断面是沿着垂直于长尺寸的方向断裂的，而裂纹源主要是在成型过程中产生的空洞，短尺寸方向填充时，断口是沿着挤出丝与挤出丝之间的粘合部位，并且断面齐整，长、短尺寸方向交替填充，断口位于中间一层沿着短尺寸方向。

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