一種陶瓷材料的3d列印成型方法
2023-10-29 00:04:37 3
一種陶瓷材料的3d列印成型方法
【專利摘要】本發明提出一種陶瓷材料的3D列印成型方法，採用具有低溫冷凍特性的溶膠與陶瓷或金屬等粉體混合製備成具有冷凍凝膠性質的漿料，漿料通過列印頭噴射在低溫的列印平臺上冷凍、凝膠固化，逐層列印得到各類材料和產品。本發明利用某些溶膠在低溫冷凍狀態下會凝膠固化的特性，原材料製備工藝簡便快捷，成本低，只要能夠在冷凍狀態下凝膠固化即可，拓展了3D列印技術的應用領域。
【專利說明】
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種陶瓷材料的3D列印成型方法，屬於功能、結構陶瓷材料3D列印技 術領域。 一種陶瓷材料的3D列印成型方法
【背景技術】
[0002] 3D列印是一種三維實體快速成型製造技術，綜合了計算機圖形處理、數位化信息 和控制、雷射技術、機電技術和材料技術等多項技術的優勢，這種技術起源於1988年誕生 的"快速原型製造"技術。快速原型製造技術採用了一種全新的無模具自由成型原理來制 造三維實體零件，通過逐漸增加材料的方法得到一定的三維形狀。這種成型方法不需要模 具，省去了模具設計、製造以及合模、脫模等過程，顯著縮短了研發和製造周期，降低了產品 的成本。
[0003] 3D列印的基本工作原理是離散-堆積。首先將產品的物理形狀通過造型軟體或三 維掃描儀轉化為三維數字立體模型，用分層軟體將此模型在Z軸離散，形成一系列具有特 定厚度的薄層。然後利用各種方法將這一系列薄層逐層堆積起來。最後經過適當的後處理 方法，得到所需的產品。
[0004] 3D列印成型技術可分為兩大類：第一類是基於雷射技術的成型方法，如立體光 刻(Sterolithography Apparatus, SLA)、紙疊層(Laminated Object Manufacturing, LOM)、選擇性雷射燒結（Select ive Laser Sintered, SLS)、選擇性雷射烙化（Select ive Laser Melted, SLM)等；第二類是非雷射技術的成型方法，如烙絲沉積（Fused Depos ition Modeling，FDM)、掩膜光固化（Mask Stereolithography，MS)、衝擊微粒製造 （Ballistic Particle Manufacturing, BPM)、實體磨削固化（Solid Ground, SGC)等。從目前發展情況 來看，非雷射技術不需要昂貴的雷射系統，設備運行的可靠性較好，已經超過了基於雷射的 3D列印技術，成為快速成型技術的主流。但這些3D列印技術對所採用的原材料要求較高， 如粉體原料的形狀和尺寸要便於輸運、光固化原材料則要根據工藝要求添加分散劑、阻聚 齊U、多種光引發劑等成分，這些原料通常均需要根據特定原理和設備由專門的廠家合成或 製造，限制了 3D列印技術的進一步推廣應用。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於克服現有技術不足，提供了一種通用性好、成本低、便於推廣的 陶瓷材料的3D列印成型方法。
[0006] 本發明的技術解決方案：一種陶瓷材料的3D列印成型方法，包括以下步驟：
[0007] 建立產品的三維模型，對模型進行分層處理，建立3D列印程序。
[0008] 三維模型中每一分層截面結構的厚度不能太厚，否則會影響兩層之間的結合，三 維模型中每一分層截面結構的厚度不超過〇. 5mm即可滿足要求。
[0009] 製備具有冷凍凝膠性質的漿料，
[0010] 具有冷凍凝膠性質的漿料由溶膠和粉體原料混合均勻而成，本發明所選用的溶膠 在低溫冷凍狀態下會凝膠固化，固化的坯體在解凍溫度以上時仍保持冷凍時的形狀和尺 寸，充分乾燥後也沒有顯著變形和收縮。常用的此類具有冷凍凝膠性質的溶膠包括矽溶膠、 鋁溶膠、莫來石溶膠和鋯溶膠，但不以此為限，優選固相體積分數為10?25%的矽溶膠。 粉體原料包括陶瓷粉體或含金屬元素的粉體等，可以由金屬和/或一種或多種元素的氧化 物、混合氧化物、氮化物或碳化物組成，金屬可以鎂、鋁、鉀、鈣、鈦、鐵、銅、鋅、錫、鉛等，元素 包括硼、鈉、鎂、鋁、矽、鉀、鈣、鐵、銅、鋅、釔、鋯、錫、鉛、鋇等，具體粉體種類根據所要製備的 產品確定。漿料中還可根據工藝需要加入分散劑、粘結劑等其他添加劑。
[0011] 具有冷凍凝膠性質的漿料要具有流動性，可通過管道在壓力作用下輸運，其固相 體積分數為35?85%，能保證後續3D列印的順利進行，若固相體積分數太小，漿料太稀，在 3D列印過程易產生流淌，不利於凝膠；若固相體積分數太大，漿料太稠，在3D列印過程噴射 不順暢，不利於列印。
[0012] 將3D列印設備的工作平臺置於冷凍空間中；
[0013] 冷凍空間的溫度要低於具有冷凍凝膠性質的漿料的冰點，漿料在該溫度下能夠以 一定的速率冷凍並凝膠固化。一般具有冷凍凝膠性質的溶膠在< -40°C的情況下均能冷凍 凝膠，工程操作中最常見為充入液氮。
[0014] 3D列印，3D列印設備根據3D列印預定程序在工作平臺上噴射具有冷凍凝膠性質 的漿料，得到3D列印的模型坯體。
[0015] 啟動3D列印設備，列印頭沿X向和y嚮導軌運動，按照預定的列印程序噴射漿料， 完成第一分層截面列印後，工作平臺沿z向下降一個層厚，進行第二分層截面的列印，重複 上述過程，逐層完成三維模型各分層截面的列印，得到模型坯體。
[0016] 漿料的噴射速度不宜太快，以所選用的溶膠凝膠速度為標準，保證漿料能完成冷 凍凝膠，一般在2?200mL/h為宜，根據具體情況進行選擇；列印頭或工作平臺運動過程 中兩者的相對速度不宜過快，與漿料的噴射速度和每層列印厚度對應，一般在1?100mm/ s為宜，根據具體情況進行選擇；列印頭與正在列印的三維模型分層截面的距離為< 10mm， 距離太遠，噴射出的漿料的連續性不好，形成液滴，不利於漿料在各分層截面形成均勻的材 料。
[0017] 3D列印的模型坯體的根據工藝要求進行乾燥和/或燒結，得到最終產品。
[0018] 述體乾燥方式為冷凍乾燥和/或普通乾燥,溫度為< 10(TC,壓力條件為負壓或常 壓。坯體的燒結方式為空氣燒結、無壓燒結、氣氛壓力燒結或熱壓燒結。
[0019] 本發明與現有技術相比的有益效果：
[0020] (1)本發明利用某些溶膠在低溫冷凍狀態下會凝膠固化的特性，原材料製備工藝 簡便快捷，成本低，只要能夠在冷凍狀態下凝膠固化即可，拓展了 3D列印技術的應用領域；
[0021] (2)本發明3D列印無需特製列印設備，設備簡單，只需將工作平臺置於冷凍環境 中，同時不需要模具設計和製造，縮短了研製和生產周期，降低了成本；
[0022] (3)本發明成型的坯體強度高，均勻性好，可用於製備各種尺寸和複雜形狀的產 品；
[0023] (4)本發明基於冷凍凝膠的3D成型方法，成本低、通用性好，便於推廣和應用。
[0024] 說明書附圖
[0025] 圖1為本發明流程原理圖；
[0026] 圖2為本發明結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 本發明利用有些溶膠在低溫冷凍狀態下會凝膠固化，固化的坯體在解凍溫度以上 時仍保持冷凍時的形狀和尺寸，充分乾燥後也沒有顯著變形和收縮。基於溶膠的這種性質， 採用具有低溫冷凍特性的溶膠與陶瓷或金屬等粉體混合製備成具有冷凍凝膠性質的漿料， 漿料通過列印頭噴射在低溫的列印平臺上冷凍、凝膠固化，逐層列印得到各類材料和產品。
[0028] 本發明如圖1所示，通過以下步驟實現：
[0029] 1、建立如圖2所示產品的三維模型，對模型進行分層處理，每一分層截面結構的 厚度為< 〇. 5mm，建立列印程序。
[0030] 2、採用球磨或高速攪拌工藝將溶膠與陶瓷粉體或金屬粉等混合均勻，得到具有冷 凍凝膠性質的漿料，其固相體積分數為35?85%，將該漿料加入到注射泵3 (如圖2所示的 列印設備）的儲料罐中。
[0031] 3、設置列印工作平臺2上目標產品所在空間的溫度，冷凍空間的溫度彡-40°C。
[0032] 4、啟動列印設備，列印頭1沿X嚮導軌4和y嚮導軌5運動，在注射慄3驅動下按 照預定程序噴射漿料，漿料的噴射速度為2?200mL/h，完成第一分層截面列印後，工作平 臺沿z嚮導軌6下降一個層厚，進行第二分層截面的列印，重複上述過程，逐層完成三維模 型各分層截面的列印，得到模型坯體。列印時，列印頭1或工作平臺2運動過程中兩者的相 對速度為1?l〇〇mm/s，列印頭1與正在列印的三維模型分層截面的距離為彡10mm。
[0033] 5、坯體在溫度為1?100°C的普通或真空乾燥箱中烘乾水分，完成製品的成型。
[0034] 以下通過附圖及具體實例來詳細解釋本發明。
[0035] 實施例1
[0036] 利用計算機建立三維實體模型，沿z向生成每層厚度為2. Omm的層狀模型，完成每 層截面的掃描路徑程序。
[0037] 量取100mL矽溶膠，固相體積分數為23% ;稱取176g二氧化矽粉體，粒徑為15微 米，純度為98%。將上述原料在高速攪拌下混合均勻，得到固相體積分數為72%的漿料，力口 入注射泵的儲料罐中。
[0038] 設置列印工作平臺溫度為-75°C，設置列印頭的噴射速度為30mL/h，列印頭與打 印平臺的距離為1. 5mm。
[0039] 啟動列印設備，運行列印程序，列印頭按照預設的掃描路徑完成第一分層截面的 列印。工作平臺下降2. 0_，開始第二分層截面列印，上述過程循環進行，逐層得到模型坯 體。
[0040] 將坯體轉移到乾燥箱中，在40°C烘乾48h，完成二氧化矽製品的成型。
[0041] 實施例2
[0042] 利用計算機建立三維實體模型，沿z向生成每層厚度為1. Omm的層狀模型，完成每 層截面的掃描路徑程序。
[0043] 稱取88. 96克氮化矽粉體，α相含量為93%，粒徑為0.40?0.60微米；稱取 81. 98克氮化鋁粉體，粒徑為0. 50?6. 00微米，純度為98. 5 %;稱取20克二氧化矽粉體，粒 徑為15微米，純度為98% ;稱取11克氧化釔粉體，粒徑為0. 6?0. 8微米，純度為99. 5% ; 量取80毫升二氧化矽溶膠，其固相含量為23% ;將上述粉體和溶膠混合，球磨30分鐘後， 得到固含量為57%的漿料，加入注射泵的儲料罐中。
[0044] 設置列印工作平臺溫度為_196°C (冷凍空間充液氮），設置列印頭的噴射速度為 10mL/h，列印頭與列印平臺的距離為1.5mm。
[0045] 啟動列印設備，運行列印程序，列印頭按照預設的掃描路徑完成第一分層截面的 列印。工作平臺下降1. 〇_，開始第二分層截面列印，上述過程循環進行，逐層得到模型坯 體。
[0046] 將坯體轉移到乾燥箱中，在40°C烘乾48h，完成Sialon陶瓷製品的成型。
[0047] 實施例3
[0048] 利用計算機建立三維實體模型，沿z向生成每層厚度為0. 5mm的層狀模型，完成每 層截面的掃描路徑程序。
[0049] 量取20mL鋁溶膠，固相體積分數為12 % ;稱取28g氧化鋁粉體，粒徑為8微米，純 度為99%。將上述原料在高速攪拌下混合均勻，得到固相體積分數為35 %的漿料，加入注 射泵的儲料罐中。
[0050] 設置列印工作平臺溫度為-196°C，設置列印頭的噴射速度為2mL/h，列印頭與打 印平臺的距離為1. 〇mm。
[0051] 啟動列印設備，運行列印程序，列印頭按照預設的掃描路徑完成第一分層截面的 列印。工作平臺下降〇. 5_，開始第二分層截面列印，上述過程循環進行，逐層得到模型坯 體。
[0052] 將坯體轉移到真空乾燥箱中，在30°C真空乾燥36h，完成氧化鋁製品的成型。
[0053] 本發明未詳細說明部分為本領域技術人員公知技術。
【權利要求】
1. 一種陶瓷材料的3D列印成型方法，其特徵在於包括以下步驟： 製備具有冷凍凝膠性質的漿料， 具有冷凍凝膠性質的漿料由溶膠和粉體原料混合均勻而成，冷凍凝膠性質的漿料的固 相體積分數為35?85% ; 將3D列印設備的工作平臺置於冷凍空間中；和 3D列印設備根據3D列印預定程序在工作平臺上噴射具有冷凍凝膠性質的漿料，得到 3D列印的模型坯體。
2. 根據權利要求1所述的一種陶瓷材料的3D列印成型方法，其特徵在於：所述溶膠為 包括矽溶膠、鋁溶膠、莫來石溶膠或鋯溶膠。
3. 根據權利要求1所述的一種陶瓷材料的3D列印成型方法，其特徵在於：所述冷凍空 間的溫度為彡-40°C。
4. 根據權利要求1所述的一種陶瓷材料的3D列印成型方法，其特徵在於：所述3D打 印預定程序中三維模型的每一分層截面結構的厚度為< 0. 5mm。
5. 根據權利要求1所述的一種陶瓷材料的3D列印成型方法，其特徵在於：所述粉體原 料包括陶瓷粉體或含金屬元素的粉體。
6. 根據權利要求1所述的一種陶瓷材料的3D列印成型方法，其特徵在於：所述3D打 印過程中3D設備的列印頭與當前列印的三維模型分層截面的距離為< 10mm。
【文檔編號】B28B1/24GK104108131SQ201410315556
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】王濤, 呂毅, 趙英民, 張天翔 申請人:航天特種材料及工藝技術研究所