解析粘土3D打印现状
3D Printing with Clay
作者:黄子帆
关键词:粘土3D打印;3D Printing with Clay;
当很多小伙伴玩桌面3D打印机玩久了以后,就感觉没什么意思,就想能够打印其他的材料多好啊,有的人比较喜欢吃,就想打印糖或者巧克力,喜欢玩的就想打印陶泥。我就是属于喜欢玩的。
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打印软糖
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打印巧克力

但是该怎样才能打印出这种膏状类的材料呢?真正在打印膏状材料的开拓者是Richard Horne。他在他的个人主页中记载了怎样制作膏状挤出机。分别是用来糖糊、巧克力、玉米面粉、陶泥进行了实验。
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Richard Horne的个人主页

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打印黑巧克力
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打印粘土
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打印玉米糊
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打印reprap 酥

活塞挤出(注射泵挤出)
Richard Horne是一名伟大的探索者,他首先在reprap mendel完成了粘土打印的实验,也做了颗粒挤出机和蠕动式挤出机等。他做的粘土3D打印挤出机原理是注射泵(注意不是柱塞泵),(注射泵是通过电机和各种机构将电机的旋转运动转化为直线运动,利用直线运动来推动注射器,常用的是丝杆螺母,Richard Horne使用的是同步带)
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同步带注射泵

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丝杆螺母注射泵

在2013年以后国外的一些爱好者和3D打印厂商也在注射泵挤出机的基础上推出了自己的粘土3D打印机。
在2014年意大利设计师和工程师Francesco Pacelli,利用注射泵也制造出了打印粘土的3D打印机
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利用丝杠螺母的注射泵

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粘土3D打印机

2015年2月3D PotterBot也推出了粘土3D打印机,机器本身的形状是平台做XY的平动,挤出机Z向运动。该公司声称,这样做粘土挤出机可以使打印更加精确。如果你看到3D PotterBot在YouTube上发的视频,就会发现这样做精度虽然高了但是会导致重心位置升高,稳定性降低,而且打印的速度非常慢。
DeltaBots的机器需要2950 $,他们提供两种不同的容量,2000毫升和4000毫升(67盎司和135盎司)
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DeltaBots 粘土3D打印机

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正在打印

DeltaBots公司设计的挤出机,也是采用注射泵,但是直接采用的是贯通式步进电机没有采用丝杆螺母或者是同步带同步轮。而且不是采用注射器而是自己设计制造的料筒活塞,喷嘴还有各种不同直径的。
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DeltaBots公司设计的挤出机

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不同直径的喷嘴

注射泵挤出机总结
注射泵挤出机简单,制作方便,成型效果好,但是缺陷就是容量太小, 最大的注射器只有200ml,而且使用大容量的注射器,质量很重,会导致惯性很大使设备的稳定性降低。而且在装填粘土的时候,如果黏土中出现空气,在打印时会发生断料的情况。粘土的挤出速度只与活塞的运动速度和料筒的横截面积有关,避免了粘度的变化对挤出量造成的影响。实现精确定量挤出。

还有采用压缩空气,来进行粘土打印。(气压挤出)
Jonathan的打印机是在delta 3D打印机的基础上设计的,而且所有部件都可以自己DIY,或者在互联网上订购,这种设计便于使用粘土进行逐层堆积。打印机使用Johann Rocholl修改过的Marlin固件。切片软件他使用Skeinforge和Slic3R切片。
粘土挤出机部分改装自胶粘剂行业:Jonathan使用了迪康系统TS系列点胶枪的部件,使用了其料筒、效应器和上盖,粘土被压缩空气挤出料筒,压强大约为30 psi(磅/平方英寸)或2bar。(使用的是点胶机配件在某宝可以购买,但是这台粘土3D打印机需要买一台空气压缩机最好是电动的而且静音)。
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Jonathan设计的粘土打印机

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挤出机配件

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正在工作

2015年波兰公司TYTAN 3D 推出了多功能的3D打印机,其中既包括打印粘土的挤出机,也是采用压缩空气,推动活塞挤出。TYTAN 3D的挤出机使用的不是点胶机,而是采用压力控制阀和电磁阀。压力控制阀控制气压大小,电磁阀控制气流通断。
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TYTAN粘土3D打印机

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挤出机

国内外还有很多公司也是用压缩空气,就不一一说明了,需要了解可以去3D print网站了解。压缩空气的好处就是容量很大,不需要电机控制,价格便宜,操作简单,维护方便,方便更换清洗,挤出量的大小取决于压缩气体的作用压力大小和时间长短。但是这种挤出机对粘土的粘度非常敏感,粘度低时,挤出速度变快,粘度高时,挤出速度变慢。其次随着料筒内的粘土倍挤出,料筒内剩余材料减少,气体的压缩性和滞后性会导致响应速度变慢,假设在装填粘土的时候,混有气泡,不止会发生断丝的情况,高压气体会将已经打印好的部分破坏。

螺杆挤出
另外一种挤出方式就是高压气体与螺杆挤出相结合。这样既不会产生气泡,也不会受到容量的限制不能打印大尺寸的作品。
在reprap的杂志上,有关这种方式进行粘土打印的记载。是采用高压气体与螺杆挤出相结合。
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粘土3D打印机正在工作的的图

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作品图

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螺杆挤出内部结构(白色部分为打印件)

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挤出机整体图

由于金属螺杆太贵,国外爱好者基本上采用塑料螺杆,但是由于螺杆与粘土摩擦,用不了多久,就会将螺杆磨损。由于这个方案非常好国外许多厂商都基于压缩空气和螺杆的基础上推出了自己的挤出机。

LUTUM 3D粘土打印机
2015年3月份推出LUTUM? 3D粘土打印系统,它的售价为3950欧元(不含增值税、运输和包装费,太贵了,不适合DIY)。这个价格包括一台LUTUM迷你3D打印机,一个粘土罐、一个控制箱,一个压力控制系统等。需要自己准备一台空气压缩机,一些粘土用于3D打印,以及一个窑炉用于烧制。
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挤出机

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打印实物

螺杆挤出机评论:挤出量的多少取决于螺杆转速和旋转时间,可以实现连续供料,适用范围广,螺杆长时间运转回事内部温度升高,导致粘土失水严重,最后发生堵塞。


螺杆挤出机工作原理就是使用高压气体将料筒内的粘土通过高压气体压缩到进料口,减速步进电机通过联轴器与螺杆相连,螺杆转动将内部的粘土挤出。

中国国内做粘土3D打印的主要有四川成都的和山东淄博的。
四川成都有人做粘土的3D打印,要价RMB 200,000。
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这是他们的设备,挤出机采用压缩气体的方式。

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山东淄博也有人做,机器没见着,找了一个样品图,感觉上釉的水平太挫了。

我们课题组(虽然就俩人)上次闲着没事也做了做,其他的都不说了看下面的图吧:
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点击此处查看视频

[修改于 4 年前 - 2016-04-08 17:01:26]

来自 三维打印
 
2016-4-6 13:05:25
1楼
上面的视频太抖了,以及后面一大段是黑的。
希望看到对挤出细节的特写。

另外,希望看到定量分析的结果,例如对黏土水含量的实验或者文献数据,以及类似这些参数对效果的影响(挤出所需压力、最小挤出口径等)。
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2楼
楼主太厉害了,引领国内粘土潮流
ps:打印的陶瓷件质量很棒,很美。
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3楼
期待你更多的作品
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2016-4-7 11:05:37
4楼
有时能看到网上卖武藏的二手点胶机,LZ可以试试
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2016-4-8 17:08:41
2016-4-8 17:08:41
魂溷(作者)
5楼
引用 novakon:
上面的视频太抖了,以及后面一大段是黑的。
希望看到对挤出细节的特写。

另外,希望看到定量分析的结果,例如对黏土水含量的实验或者文献数据,以及类似这些参数对效果的影响(挤出所需压力、最小挤出口径等)。
还没有进行实验呢?其实不用实验就知道,依据Navier-Stokes equations 就是可以推导然后再定性分析一样就知道了。粘土的这含水量没有人研究这方面,我请教了一位陶瓷领域的专家,这个全靠感觉和经验。总而言之就是一句话:说不清。空了研究研究。
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2016-6-3 09:32:16
2016-6-3 09:32:16
6楼
这个可能是金属打印的另一个方向了,打印一个黏土模腔(或者双喷头同时打印两层),然后在其表面喷涂金属粉末,再拿去高炉高温煅烧,最后吧不要的黏土敲碎。
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2016-7-12 11:07:41
2016-7-12 11:07:41
7楼
粉末静电打印应该比含水粘土有前景.感觉黏糊糊的很难实现高精度和高速度兼顾.
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2016-7-31 16:01:32
2016-7-31 16:01:32
8楼
引用 牛逼大仙:
有时能看到网上卖武藏的二手点胶机,LZ可以试试
HAX孵化器有人用武藏点胶机的耗材做了电路板3D打印机Volterra
https://www.kickstarter.com/projects/voltera/voltera-your-circuit-board-prototyping-machine
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9楼
引用 魂溷:
还没有进行实验呢?其实不用实验就知道,依据Navier-Stokes equations 就是可以推导然后再定性分析一样就知道了。粘土的这含水量没有人研究这方面,我请教了一位陶瓷领域的专家,这个全靠
如果适用N-S方程就麻烦了,挤出来全流走了。
挤出的浆料需要配成具备触变性的非牛顿流体,剪切力较小的时候接近固态,剪切力大了之后开始流动。
即便如此,陶瓷浆料不像塑料或巧克力一样能冷凝也麻烦,也许可以试试用油、蜡之类代替水配制浆料然后加热使用。
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2017-5-15 15:07:57
2017-5-15 15:07:57
10楼
挤出机也就只能用螺杆阀了

[修改于 2 年前 - 2017-05-15 16:44:03]

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11楼
螺杆泵是有国产的 但是螺杆阀没有  太精密了做不了  我都问了好几家了
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