陶瓷3d打印成型的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种陶瓷3D打印成型的方法。
【背景技术】
[0002]陶瓷材料具有优异的力学性能(高强度、高硬度、高耐磨性)、热学性能(耐高温、低热膨胀系数及抗热震性)以及化学稳定性，广泛应用于石油化工、钢铁冶金、机械电子、航空航天、能源环保、核能、汽车、高温窑炉等工业领域。目前陶瓷材料成型方法主要有:挤压成型、注射成型、等静压成型、流延成型等，这些工艺制备构件时，需根据构件的形状制备具有相应形状的模具，若构件的结构稍有变化，就需要重新制备模具或需要对试样进行机械加工，因而加大了制备成本。而且受到模具的限制，这些工艺适合制备形状简单的制品。随着工业的发展，这些传统成型工艺已不能满足某些特殊领域的要求。快速成型技术(RP)是近年来快速发展的一种新型成型工艺，该工艺利用计算机CAD软件设计构件，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、组织细胞等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。该工艺与传统成型方法相比，具有以下特点:(1)可以制备形状复杂的制品；(2)成型过程中无需任何模具或模型参与，使过程更加集成化，制造周期缩短，生产效率高；(3)成型体几何形状及尺寸可通过计算机软件处理系统随时改变，无需等待模具的设计制造，大大缩短新产品开发时间；(4)可制备结构微小的电子陶瓷制品等优点。因此，近年来快速成型技术受到广泛的关注。
[0003]目前快速成型技术主要有立体光刻造型技术(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)等。目前已有关于陶瓷材料快速成型的报道，如专利号CN101391896A的“一种复杂陶瓷零件的快速制造工艺”采用将陶瓷粉末与液态光敏树脂均匀混合制备陶瓷浆料，然后在光固化成型机中进快速成型制备陶瓷素坯(SLA)。专利号CN101890480 “一种陶瓷型芯快速成型制造方法”将低温强化剂与陶瓷粉料混合均匀，得到用于SLS快速成型的陶瓷烧结粉料，用陶瓷烧结粉料进行SLS快速成型得到陶瓷型芯生坯，并对生坯进行强化前预处理、脱脂、预烧、烧结得到陶瓷型芯(SLS)。专利号CN101391896A “一种复杂陶瓷零件的快速制造工艺”以涂有高分子粘结剂的陶瓷薄膜为原料，在薄材叠层制造快速成型系统上成型三维的陶瓷零件初坯，将陶瓷零件初坯覆上包套后进行冷等静压处理，最后进行脱脂、烧结、后处理，得到陶瓷零件(LOM)。专利号CN1368386A “基于快速成型的人工生物活性骨骼的复合制造方法”中在快速成型机上制作一个带有可控加热系统的加热容器，容器底部开一个0.2mm的材料压出孔，将乳化糖加入加压容器实现分层制造，得到乳化糖人工骨反型(3DP)。
[0004]立体光刻造型技术(SLA)制备陶瓷材料由于所用的液态光敏树脂成本高、可选择范围小、树脂有一定毒性、设备昂贵等而没有得到广泛应用；现有的选择性激光烧结(SLS )、三维打印(3DP )制备陶瓷材料存在陶瓷粉末颗粒之间间距大，坯体致密度低，在高温烧结过程中无法致密化，陶瓷性能受影响的问题；分层实体制造(LOM)技术对陶瓷基片要求高、多余部分材料去除困难。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点:提供一种工艺简单、设备成本低，在挤出过程中可减小陶瓷浆料中粉末颗粒的间距，致密度高，且不受陶瓷颗粒种类和零件形状的限制，适合制备各种陶瓷材料、各种复杂形状的陶瓷制品的陶瓷3D打印成型的方法。
[0006]本发明的技术解决方案如下:一种陶瓷3D打印成型的方法，包括以下步骤:
(O构建目标零件的三维模型，将数据模型转换为STL格式文件；
(2)用快速成型机的分层软件对STL格式文件进行分层处理，然后将分层数据导入制造程序中；
(3)将陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂和固化剂混合均匀并球磨I?8h;然后将球磨后的浆料在真空除泡机中进行真空除泡10?60min制备成陶瓷浆料；
(4)将配制的陶瓷浆料加入到3D打印机的料筒中，将料筒温度加热到50?250°C，保温5?30min ;3D打印机的喷头在制造程序的控制下，根据步骤(2)中的分层数据挤出陶瓷浆料成挤出丝并打印出截面薄层，挤出丝中的固化剂在固化温度下开始固化，形成截面薄层的实体，通过层层堆积，制得陶瓷快速成型的坯体；
(5)将坯体在固化温度下固化10?60min后，置于烘箱中于40?80°C干燥10?60min ；
(6)将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结制得目标零件。
[0007]作为优化，步骤(3)中所述陶瓷浆料中，陶瓷粉末的含量为10?95 ?七％;固化剂含量为0.1?20wt% ;分散剂的含量为0.1?10wt% ;消泡剂的含量为0.1?10wt% ;余量为去离子水。
[0008]所述的陶瓷粉末为氧化物陶瓷(如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷)、碳化物陶瓷(如反应碳化硅陶瓷、无压碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、碳化钛陶瓷、碳化锆陶瓷)、氮化物陶瓷(氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化钛陶瓷)、生物陶瓷、玻璃陶瓷中的一种或几种。
[0009]作为优选，所述的陶瓷粉末为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、反应碳化硅陶瓷、无压碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷中的一种。
[0010]所述陶瓷粉末的平均粒径为0.5?100 μ m。
[0011]所述的固化剂为水溶性溶胶(如明胶、硅溶胶、海藻酸钠、琼脂糖)、有机单体(如丙烯酰胺)和交联剂(亚甲基双丙烯酰胺)、热塑性材料(如石蜡以及聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯等热塑性树脂)。
[0012]作为优化，所述的固化剂为水溶性溶胶。
[0013]作为进一步优化，所述水溶性溶胶为明胶、硅溶胶、海藻酸钠、琼脂糖中的一种。
[0014]作为最优化，所述水溶性溶胶为琼脂糖。
[0015]所述喷头的喷孔直径为60 ym?5mm，料筒加热温度为50?250 °C，挤出后固化温度为_30°C?120°C，陶瓷浆料挤出速度为0.5?100mm/s，挤出丝与丝之间的间距为0.01 ?10mm。
[0016]所述的分散剂为氨水、四甲基氢氧化铵、柠檬酸盐、聚丙烯酸盐、六磷偏酸钠、聚醚酰亚胺、阿拉伯树胶、三聚磷酸钠、聚乙二醇、水玻璃、三乙醇胺、聚羧酸铵盐、聚乙烯亚胺(PEI)中的一种。
[0017]所述的消泡剂为正辛醇、正丁醇、磷酸三丁酯、烷基硅油、乙二醇中的一种。
[0018]本发明首次将3D打印技术结合水溶性凝胶的固化特性，应用于陶瓷材料的快速制造工艺，不受陶瓷材料和零部件形状的限制，可以快速成型出精度高、相对密度高的陶瓷材料。为复杂形状陶瓷材料的制备提供了新的工艺方法，大大降低了复杂形状陶瓷零部件的研发周期和成本，实现了陶瓷材料的快速无模制造。
[0019]本发明的有益效果是:本发明利用水溶性凝胶的固化特性，在水基陶瓷浆料中加入一定量的固化剂，利用3D打印成型工艺制备各种形状复杂的陶瓷部件。本发明工艺简单、设备成本低，在挤出过程中可减小陶瓷浆料中粉末颗粒的间距，致密度高，且不受陶瓷颗粒种类和零件形状的限制，适合制备各种陶瓷材料、各种复杂形状的陶瓷制品，为陶瓷零件的快速成型提供了一种新的方法。
【附图说明】
[0020]图1本发明陶瓷3D打印成型的方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面用具体实施例对本发明做进一