原位陶瓷复合材料的3D打印装置的制作方法

本发明涉及3d打印装置技术领域，尤其涉及一种原位陶瓷复合材料的3d打印装置。

背景技术

先进陶瓷材料具有耐高温、高硬度、高耐磨、抗腐蚀等优异的特点，被广泛应用于航空航天、电力电子、医学等领域。如电力绝缘材料、飞行器的热防护材料、微电子封装材料、医用陶瓷复合材料、结构材料等。按照陶瓷相的成分的不同，可以分为：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。常见的有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等。但是由于其脆性高，严重限制了陶瓷材料的应用，其中最重要的一种提高陶瓷材料韧性性能的方法就是加入第二相陶瓷陶瓷，同时还能获得单相陶瓷不具有的物理特性。自蔓延法制备陶瓷材料是在较低的温度下，通过触发另外几种材料的化学反应生成另外几种陶瓷相材料的方法，该方法具有反应时间短，陶瓷相间结合强度高的特点。陶瓷复合材料具有成形性差且硬度高，因此难以用常规的冷加工和热加工进行加工，严重限制了先进陶瓷复合材料的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种方法简单，效率高，制备的零件精度高的原位陶瓷复合材料的3d打印装置。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种原位陶瓷复合材料的3d打印装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体的底部设置有运动小车系统，所述运动小车系统能够在控制系统的控制下进行前后左右运动以及升降运动；所述运动小车系统的上侧设置有承载台，所述承载台的上侧设置有保温套，所述保温套内设置有反应容器，所述反应容器的底部与所述保温套之间设置有反应容器加热器，所述加热器的两端分别通过第一电源线和第二电源线与电源连接，用于在所述控制系统的控制下得电或失电；所述炉体的前后左右侧壁上分别设置有第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器以及第四位置传感器，所述保温套的前后左右侧壁上设置有第一信号接收器、第二信号接收器、第三信号接收器以及第四信号接收器，所述第一位置传感器与所述第一信号接收器相对应，所述第二位置传感器与所述第二信号接收器相对应，所述第三传感器与所述第三信号接收器相对应，所述第四位置传感器与所述第四信号接收器相对应，用于反馈所述运动小车系统的前后左右位置坐标；所述承载台的下侧面设置有高度传感器，所述高度传感器与所述控制系统的信号输入端连接，用于反馈所述运动小车系统在上下方向上的位置坐标；所述反应容器上侧的炉体上设置有陶瓷复合材料生成装置，所述陶瓷复合材料生成装置用于生成3d打印用陶瓷复合材料，所述控制系统用于根据输入的待加工零件的三维数模坐标信息，并通过所述位置传感器、所述信号接收器以及所述高度传感器感知的运动小车系统的坐标信息，控制所述运动小车系统运动，并控制所述陶瓷复合材料生成装置生成3d打印用陶瓷复合材料，完成待加工零件的加工。

进一步的技术方案在于：所述陶瓷复合材料生成装置包括al/tio2导料管，所述al/tio2导料管的上端位于所述炉体的外侧，所述al/tio2导料管的下端延伸至所述反应容器内，且所述al/tio2导料管的底部设置有搅拌管，所述搅拌管上设置有若干个al/tio2出料槽，所述al/tio2导料管内设置有al/tio2复合棒材；所述al/tio2导料管的外侧套设有氧化硼导料管，所述氧化硼导料管与所述al/tio2导料管之间保持有间隙，所述氧化硼导料管的上端位于所述炉体的外侧，所述氧化硼导料管的下端与所述al/tio2导料管的下端齐平，且所述述氧化硼导料管下端的内部上设置有若干个搅拌块；所述氧化硼导料管下端的外周设置有导料口加热器，所述导料口加热器受控于所述控制系统，用于在所述控制系统的控制下得电或失电，对所述al/tio2导料管下端内部的材料以及氧化硼导料管下端内部的材料进行加热；位于所述炉体外的所述al/tio2导料管以及氧化硼导料管上分别设置有转动驱动装置，用于分别驱动所述al/tio2导料管以及氧化硼导料管转动。

进一步的技术方案在于：所述3d打印装置还包括测温热偶，所述测温热偶位于所述陶瓷复合材料生成装置旁，且所述测温热偶的上端位于所述炉体外，所述测温热偶的下端位于所述炉体的反应容器内，所述测温热偶的输出端与所述控制系统的信号输入端连接，所述测温热偶用于测量反应容器内tib2/al2o3陶瓷复合材料工件的温度。

进一步的技术方案在于：炉体的侧壁上设置有压力平衡阀门。

进一步的技术方案在于：所述承载台使用隔热材料制成，用于防止反应容器对运动小车系统造成高温伤害。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置在使用时首先将铝粉与tio2粉按着摩尔比混合均匀，在高温下压制成复合棒材。将复合棒材与氧化硼加热至熔融态，在旋转搅拌器的作用下在界面处混合均匀，由于高温作用触发氧化硼、铝与tio2反应并生成tib2/al2o3陶瓷复合材料，同时承载台在运动小车系统的带动下不断移动，tib2/al2o3陶瓷复合材料层不断按着程序设定的待加工部件的三维坐标在金属基体表面铺展，最终获得所需的tib2/al2o3陶瓷复合材料的精密零件。本发明所述装置采用3d打印结合自蔓延法制备复合陶瓷材料进行精密成型，具有方法简单，效率高，制备零件的精度高的特点，易于制备高复杂的先进陶瓷复合材料。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述打印装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述打印装置的局部放大结构示意图；

图3是图1中a-a向的剖视结构示意图；

图4是本发明实施例所述打印装置中al/tio2导料管的下端与氧化硼导料管的下端的放大结构示意图；

其中：1：炉体；2：al/tio2导料管；2-1：al/tio2搅拌管；2-2：al/tio2出料槽；3：al/tio2复合棒材；4：测温热偶；5：反应容器；6：保温套；7：加热器；8：第四位置传感器；9：第四信号接收器；10：第一电源线；11：承载台；12：运动小车系统控制线；13：运动小车系统；13-1：升降杆；13-2：运动轮14：高度传感器；15：第二电源线；16：第三位置传感器；17：第三信号接收器；18：tib2/al2o3陶瓷复合材料工件；19：反应热影响区；20：压力平衡阀门；21：导料口加热器；22：反应熔池；23：氧化硼导料管；23-1：搅拌块；24：固体氧化硼；25：液体氧化硼；26：熔融al与tio2混合液；27：第一位置传感器；28：第一信号接收器；29：第二位置传感器；30：第二信号接收器。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图4所示，本发明实施例公开了一种原位陶瓷复合材料的3d打印装置，包括炉体1，所述炉体1的底部设置有运动小车系统13，所述运动小车系统13能够在控制系统的控制下进行前后左右运动以及升降运动；所述运动小车系统13的上侧设置有承载台11，所述承载台11的上侧设置有保温套6，所述保温套6内设置有反应容器5，所述反应容器5的底部与所述保温套6之间设置有反应容器加热器7。所述反应容器加热器的两端分别通过第一电源线10和第二电源线15与电源连接，用于在所述控制系统的控制下得电或失电，所述第一电源线10和第二电源线15为柔性线缆，方便所述运动小车系统运动；

如图1和图3所示，所述炉体1的前后左右侧壁上分别设置有第一位置传感器27、第二位置传感器29、第三位置传感器16以及第四位置传感器8；所述保温套6的前后左右侧壁上设置有第一信号接收器28、第二信号接收器30、第三信号接收器17以及第四信号接收器9；所述第一位置传感器27与所述第一信号接收器28相对应，所述第二位置传感器29与所述第二信号接收器30相对应，所述第三位置传感器16与所述第三信号接收器17相对应，所述第四位置传感器8与所述第四信号接收器9相对应，用于反馈所述运动小车系统的前后左右位置坐标；

如图1所示，所述承载台11的下侧面设置有高度传感器14，所述高度传感器14与所述控制系统的信号输入端连接，用于反馈所述运动小车系统13在上下方向上的位置坐标；所述反应容器5上侧的炉体1上设置有陶瓷复合材料生成装置，所述陶瓷复合材料生成装置用于生成3d打印用陶瓷复合材料，所述控制系统用于根据输入的待加工零件的三维数模坐标信息，并通过所述位置传感器、所述信号接收器以及所述高度传感器感知的运动小车系统13的坐标信息，控制所述运动小车系统13运动（通过这些传感器来反馈运动小车系统13的坐标，并将坐标反馈给控制系统，控制系统即根据运动小车系统13当前坐标给出运动小车系统13下一步的运动轨迹），并控制所述陶瓷复合材料生成装置生成3d打印用陶瓷复合材料，完成待加工零件的加工。

如图1、图2和图4所示，所述陶瓷复合材料生成装置包括al/tio2导料管2，所述al/tio2导料管2的上端位于所述炉体1的外侧，所述al/tio2导料管2的下端延伸至所述反应容器5内，且所述al/tio2导料管2的底部设置有搅拌管2-1，所述搅拌管2-1上设置有若干个al/tio2出料槽2-2，所述al/tio2导料管2内设置有al/tio2复合棒材3；所述al/tio2导料管2的外侧套设有氧化硼导料管23，所述氧化硼导料管23与所述al/tio2导料管2之间保持有间隙，所述氧化硼导料管23的上端位于所述炉体1的外侧，所述氧化硼导料管23的下端与所述al/tio2导料管2的下端齐平，且所述述氧化硼导料管23下端的内部上设置有若干个搅拌块23-1；所述氧化硼导料管2下端的外周设置有导料口加热器21，所述导料口加热器21受控于所述控制系统，用于在所述控制系统的控制下得电或失电，对所述al/tio2导料管2下端内部的材料以及氧化硼导料管23下端内部的材料进行加热；位于所述炉体1外的所述al/tio2导料管2以及氧化硼导料管23上分别设置有转动驱动装置，用于分别驱动所述al/tio2导料管2以及氧化硼导料管23转动。

如图1所示，所述3d打印装置还包括测温热偶4，所述测温热偶4位于所述陶瓷复合材料生成装置旁，且所述测温热偶4的上端位于所述炉体1外，所述测温热偶4的下端位于所述炉体1的反应容器内，所述测温热偶4的输出端与所述控制系统的信号输入端连接，所述测温热偶4用于测量反应容器5内tib2/al2o3陶瓷复合材料工件18的温度。如图1所示，炉体1的侧壁上设置有压力平衡阀门20，用于平衡所述炉体1内的压力。进一步的，所述承载台11使用隔热材料制成，用于防止反应容器5对运动小车系统造成高温伤害。

本发明实施例还公开了一种原位陶瓷复合材料的3d打印方法，所述打印方法使用上述原位陶瓷复合材料的3d打印装置，包括如下步骤：

首先将铝粉与tio2粉混合均匀，在500℃±20℃下压制成al/tio2复合棒材3；将al/tio2复合棒材3通过传送装置插入到炉体上部的al/tio2导料管2中且al/tio2复合棒材3的下端远离导料口加热器21位置；

通过控制系统控制反应容器加热器7工作，通过炉体内的测温热偶4反馈反应容器内的温度，将反应容器5进行预热至900℃-1200℃；通过炉体内的测温热偶4反馈反应容器5内tib2/al2o3陶瓷复合材料工件的温度；同时启动导料口加热器21给氧化硼导料管23和al/tio2导料管2进行预热；

因所述反应容器内最初没有tib2/al2o3陶瓷复合材料，都是通过原位反应生成的。加热是为了提供反应温度，避免太凉，抑制反应的进行，另外如果已生成材料太凉的话，也会导致反应区应力过大，使得工件断裂。

通过控制系统控制运动小车系统13的升降杆13-1及运动轮13-2运动，将反应容器5运动至初始位置，使得氧化硼导料管23和al/tio2导料管2的底部接近反应容器5的底部；

通过高度传感器14，第一位置传感器27和第一信号接收器28、第二位置传感器29和第二信号接收器30、第三位置传感器16和第三信号接收器17、第四位置传感器8和第四信号接收器9构成位置传感器反馈系统，并根据传感器反馈系统采集的运动小车系统13坐标规定运动小车系统13的运动原点，根据运动原点位置在所述控制系统中输入待加工零件的3维坐标；

启动al/tio2导料管2与氧化硼导料管23外的转动驱动装置驱动所述al/tio2导料管2与氧化硼导料管23进行旋转，且两者的旋转方向相反；同时向al/tio2导料管2和氧化硼导料管23中通入惰性气体，并打开炉体侧壁上的压力平衡阀门20；

将al/tio2复合棒材3通过传送装置不断传送到al/tio2导料管2的下部，同时将固体氧化硼24投入氧化硼导料管23中，固体氧化硼24在氧化硼导料管23底部堆积后，由于受到导料口加热器21的作用开始熔化成为液体氧化硼25；同时导料口加热器21加热使得al/tio2复合棒材3中的铝熔化，并溃散成为al熔体与tio2颗粒的混合物；

al/tio2导料管2和氧化硼导料管23中的惰性气体排出以及al/tio2导料管2和氧化硼导料管23旋转使得al熔体与tio2颗粒的混合物通过al/tio2导料管2下端的al/tio2出料槽2-2排出al/tio2导料管2，同时使得液体氧化硼25在压力作用下与al熔体以及tio2颗粒的混合物相遇；al/tio2导料管2本身转动使得al/tio2搅拌管2-1对al熔体和tio2颗粒的混合物相遇与液体氧化硼25产生搅拌作用，同时氧化硼导料管23内的搅拌块23-1进一步对al熔体、tio2颗粒及液体氧化硼25加速搅拌；由于在高温作用下，al熔体与tio2颗粒及液体氧化硼25混合物发生化学反应生成tib2/al2o3陶瓷复合材料；

上述反应进行的同时，调整al/tio2导料管2和氧化硼导料管23通入的惰性气体压力差值，使得al熔体与tio2颗粒的混合熔体以及氧化硼26熔体畅通，且按比例范围注入到反应容器5的反应区，直至测温热偶4显示温度最高为止，此时证明两种熔体畅通且按比例范围合适，反应最为充分；测温热偶4有两种作用，一种是测量集体温度，同时当发生原位自生反应时是放热，因此测温热偶4的显示温度会增加，因此在制备的一开始用其进行判断各种al熔体与tio2颗粒及氧化硼的比例是否合适，如果上述3种原料比例最优，则会形成最高的反应温度。

通过位置传感器反馈系统来反馈运动小车系统13的坐标，并将坐标反馈给控制系统，控制系统根据输入的待加工零件的坐标以及运动小车系统13当前坐标，给出运动小车系统13的下一步运动轨迹，控制所述运动小车系统13运动；

待加工零件的3维坐标全部运行完毕后，tib2/al2o3陶瓷复合材料精密零件完成制备，通过运动小车系统13的升降杆13-1将tib2/al2o3陶瓷复合材料工件降至最低位置，关闭反应容器加热器7及导料口加热器21，关闭通入al/tio2导料管2和氧化硼导料管23的惰性气体并关闭压力平衡阀门20以及转动驱动装置；

待tib2/al2o3陶瓷复合材料工件冷却至室温，将其取出，完成tib2/al2o3陶瓷复合材料工件的制备。

优选的，将铝粉与tio2粉按着摩尔比[10-12]:[3-4]的比例混合，al/tio2导料管2的送料速率与氧化硼的流入速率的摩尔比为[13-16]：[3-4]。为了调整两种熔体的注入速率，al/tio2导料管2及氧化硼导料管23中通入惰性气体，保证两种熔体畅通且按比例范围注入到反应区并搅拌均匀。

为保证反应的顺利进行及新形成的tib2/al2o3陶瓷复合材料与tib2/al2o3陶瓷复合材料工件18不发生断裂及剥离等情况，减少裂纹源的产生。通过反应容器加热器7给已生成的tib2/al2o3陶瓷复合材料工件18进行加热，加热的温度控制范围为900-1200℃，并通过测温热偶4反馈tib2/al2o3陶瓷复合材料工件1待反应上表面的温度。

所述方法通过控制al/tio2复合棒材3的插入速率和固体氧化硼24投料速率并同时综合调整al/tio2导料管2以及氧化硼导料管23通入惰性气体的压力差值来调节两种熔体进入反应区比值。

al/tio2导料管2与氧化硼导料管23均进行旋转，且旋转方向相反。这样可以保证氧化硼导料管23内的搅拌块23-1及al/tio2导料管2上的al/tio2出料槽2-2对al熔体与tio2颗粒的混合物和液体氧化硼25更好的混合，保证反应充分进行，制备的tib2/al2o3陶瓷复合材料的物相及成分均匀。

进一步的，所述方法还可以在氧化硼导料管23中同时添加金属粉末，通过原位自蔓延反应进行制备金属基tib2/al2o3陶瓷复合材料及其精密零件。