CN101032832B - 激光三维加工陶瓷坯体方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光三维加工陶瓷坯体的方法和装置，该方法包含以下步骤：制备陶瓷素坯，经过干燥得到干燥陶瓷素坯；将干燥陶瓷素坯固定于三维激光加工装置工件台之上，对其进行精确定位，选择合理的工件和激光束组合运动方式，编制加工工艺；通过计算机控制工件和激光束的运动，精确、快速、选择性的烧蚀陶瓷素坯中的有机物连接体，同时通过气流吹扫、抽吸烧失的陶瓷粉末，得到精密尺寸陶瓷坯体。本发明所述的方法可以实现无模成型，可以广泛应用于结构陶瓷的成型加工，对于批量小，品种多，精度要求高的产品尤为适合。该工艺流程短，效率高，可重复性好，真正实现近净尺寸成型加工，可以显著降低烧结后陶瓷部件的机加工成本，便于实现工业批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷成型和加工技术领域，更确切的说是一种高效、精密加工陶瓷坯体的方法与装置，其是采用激光束将陶瓷坯体中的有机物烧蚀，从而进行快速、精密、三维、加工。
背景技术
陶瓷具有许多优异的性能，如强度高、硬度高、抗氧化性好、耐腐蚀等优点，在国防、航空、航天等领域具有无法替代的重要性。但是，成型加工困难，制备成本高，重复性差，成为限制高技术陶瓷产业化的瓶颈。人们逐渐认识到成型工艺作为制备陶瓷材料的关键环节，不仅是材料组成和设计实现的前提，而且是降低陶瓷成本，提高产品合格率和重复性尤为重要的环节。
传统的陶瓷素坯成型方法有以下几种：
1.干压和等静压成型，利用外压将具有流动性的粉料压制为具有一定堆积密度的素坯；
2.挤出成型，将具有塑性的泥料从模具口中挤出，得到一定形状的型材，如棒、管、片等；
3.注射成型，将含有石蜡等具有热塑性的浆料注入模具内，冷却后脱模，得到具有复杂形状的素坯；
4.泥浆浇注，把浆料注入多孔模具内，水分经模具吸收后，得到素坯。
上述这些传统方法在许多方面得到广泛应用，但它们也各有缺点，如干压成型坯体微观结构不均匀，挤出成型只适合于形状比较简单的型材，注射成型的坯体需要经过长时间的排胶过程，容易在排胶过程中造成开裂、变形等缺陷。
为解决传统成型方法在高技术陶瓷成型时存在的诸多问题，自上世纪90年代出现了许多陶瓷原位凝固胶态成型的工艺技术，这些方法的特点是在浆料中加入可使其发生固化的物质，在浆料发生固化前将其注入无孔模具，通过将料在模具中固化得到素坯。这类成型方法的出现，为传统的方法如注浆成型、干压成型等所不能解决的复杂形状部件提供了一条切实可行之路。目前普遍公认具有代表性的陶瓷胶态成型工艺有：美国橡树岭国家实验室发明的凝胶注模成型工艺Gelcasting(美国专利6228299，6066279，5145908，5028362，4894194)和瑞士苏黎士大学发明的直接凝固注模成型direct coagulationcasting(瑞士专利02 377/92-1，01 096/93-6，美国专利5788891)以及清华大学发明的胶态注射成型新工艺(中国发明专利，专利号：ZL00 136834.6)。
其中，凝胶注模成型是利用有机单体的交联、聚合反应，将陶瓷粉料和溶剂都束缚在聚合物三维网络中，脱模干燥后即得所需要形状并具有一定强度的坯体。凝胶注模成型工艺由于其可以有效控制颗粒的聚集，因此具有良好的坯体均匀性、高的坯体强度和优异的烧结性能。该工艺操作简单，坯体中有机物含量低，已广泛应用于各种陶瓷体系的成型。
但是胶态成型必须通过在模具内固化得到素坯，而脱模时坯体尚未干燥，强度较低，仍有一定的弹性，因此素坯在脱模过程中的变形是很难避免的。另外素坯在干燥过程也往往会产生一定的形变，尤其是对于外形尺寸较大，壁薄的部件，干燥过程中保障其坯体的规格尺寸是非常困难的。另外胶态成型需要将液体浆料直接注入模具中，因此对于模具的尺寸精度要求非常严格，所以模具的加工成本都比较高。对于小批量多品种的产品，这种采用模具成型方法更是非常的不适宜。对于许多非标的异形的部件，由于无法完成脱模过程，因此利用模具成型根本就无法实现。
上世纪九十年代中后期发展起来的快速成型技术(rapidprototyping)主要成功地应用于塑料和金属材料，在先进陶瓷方面的应用基本上仍然处于实验室研究阶段，工业化的推广使用还有诸多技术基础问题无法圆满解决。目前国际上广泛研究的陶瓷快速成型技术(rapid prototyping)主要以以下几种为典型代表：激光选区烧结技术(Selective laser sintering)、层片叠加成型技术(LaminatedObject Manufacturing)、熔化覆盖成型技术(Fused depositionmodeling)、立体印刷成型技术(Stereolithography)、三位打印成型技术(3D printing)、喷射打印成型技术(ink jet printing)等。上述这些方法概括起来属于增加材料(Adding material)的范畴。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种激光三维加工陶瓷坯体的方法与装置，采用激光束将陶瓷坯体中的有机物烧蚀，从而进行快速、精密、三维、加工。
为此，本发明采用了如下的技术方案：
本发明提供了一种激光三维加工陶瓷坯体的方法，其是采用激光束对陶瓷素坯进行快速、精密、三维加工，其包含以下步骤：
步骤一：制备陶瓷素坯，再经过干燥得到待加工的干燥陶瓷素坯；
步骤二：将干燥陶瓷素坯固定于三维激光加工装置工件台上，并对其进行精确定位，选择合理的工件和激光束组合运动方式，编制加工工艺；
步骤三：通过计算机控制工件和激光束的运动，精确、快速、选择性的烧蚀陶瓷素坯中有机物连接体，同时通过气流吹扫、抽吸烧失的陶瓷粉末，得到精密尺寸陶瓷坯体。
其步骤一中制备陶瓷素坯更具体是采用注射成型、挤出成型、流延成型、凝胶注模成型或类似凝胶成型如琼脂糖类、纤维素类等其他聚合物制备含有有机粘结剂或者聚合物的陶瓷素坯。
其中有机物的含量适当，既能够保障陶瓷坯体的强度，又能够保障陶瓷粉末的阻燃效果，防止有机物烧蚀过程中软化塌陷或局部爆燃，以便控制加工精度。
其中该步骤一中的干燥陶瓷素坯是通过烘箱、微波、真空、升华或室温自然阴干方式来实现，避免陶瓷素坯开裂或内部产生微裂纹缺陷。
其中步骤三中的激光为脉冲激光束或连续波激光束，其波长为10.6μm或1.06μm或0.532μm或0.355μm。其功率密度要求能够烧蚀有机物，但又不会烧蚀陶瓷材料。
其中步骤三更具体是通过吹扫、抽吸或吹扫与抽吸同时进行的气流及时去除脱离聚合物束缚的陶瓷粉末，气流方向可以于激光束方向相同也可以不同；并通过控制吹扫气体流量和气体种类，从而冷却烧蚀区域，减少热影响区，改善加工效率和精度。
此外，本发明还提供了用于激光三维加工陶瓷坯体的装置，该装置主要是由激光器、三维精密机械工作平台和计算机控制系统相结合的加工系统，其含有：激光器、计算机控制系统、工作平台、光路系统、待加工工件、气流控制系统、监控器、冷却系统；其中该激光器是整个加工装置的核心；计算机控制系统是整个装置加工运动的中央控制部件，用于控制激光器的开关、工作平台的运动轨迹、光路系统的调节和气流系统的开关流量；工作平台，用来承载工件；监控器，适时反馈工件的表面形貌和激光束加工定位，保证达到设计所要求的加工精度。
其中该工作平台为万能旋转工作台同时可以完成五轴联动的运动方式。
该监控器采用CCD彩色摄像机。
本发明的有益效果在于该加工方法属于无接触加工，无切削力作用于坯体加工，且坯体只需定位，不需夹紧，因此无机械应力及表面损伤。由于激光束易于导向、聚焦实现各方向变换，极易与数控系统配合，将CAD、CAPP、CAM等程序运用于加工，实现高度自动化、智能化，便于加工复杂部件。本工艺噪声小、振动小、对环境基本无污染；且加工效率高，加工质量稳定可靠。
本发明所述的方法也可以用来完成陶瓷坯体表面图案或字体的二维或者三维刻蚀加工。不仅效率高，而且可以刻蚀出图案精美和各种复杂形状的字体，可以应用于各种标牌、饰品、玩具等的加工。
本发明所述的方法也可以用来完成具有层状结构、纤维独石结构或者其它陶瓷基复合材料的复杂形状部件的加工和制备。由于层状结构、纤维独石结构或者其它陶瓷基复合材料具有很好的韧性和断裂功，但是在制备形状复杂的部件存在很大的难度，采用本发明所涉及的方法可以容易地制造出各种形状的陶瓷产品。
本发明所述的方法也可以用来完成模具成型后精度较差的毛坯进行精密修复，大大减少烧结后陶瓷的加工量。也可以实现无模成型，直接对素坯锭进行精密加工，制备模具无法实现的复杂异形部件。
如上所述，本发明所述的方法可以实现无模具成型，可以广泛应用于结构陶瓷的成型加工，对于品种多，批量小，精度要求高的产品尤为适合。该工艺流程短，效率高，可重复性好，真正实现近净尺寸成型加工，可以显著降低烧结后陶瓷部件的机加工成本，便于实现工业批量化生产。
附图说明
图1为本发明陶瓷素坯激光三维加工装置的结构示意图；
图2为本发明用于激光加工的陶瓷齿轮结构示意图；
图3为本发明陶瓷素坯激光三维加工示意图。
具体实施方式
为能使贵审查员清楚本发明的结构组成，以及整体运作方式，兹配合图式说明如下：
本发明与激光切割陶瓷机制迥然不同，激光切割陶瓷属于可控导向断裂。当激光束顺着预定的切割方向加热时，在光点周围很小区域引起定向的加热剃度和随之生成的高机械应力。这种应力使陶瓷这类脆性材料形成小裂缝。选择并控制恰当工艺参数，裂缝将严格沿着光束移动方向不断形成，从而把材料切断。激光切割陶瓷所采用激光器功率较高，例如切割1mm厚微电子装置用刚玉材料，需要用250w功率的激光束才能够精确的在指定部位切出要求尺寸，激光切割陶瓷要求工艺参数严格，否则容易导致材料无规则龟裂而使切割失败。
本发明与20世纪九十年中后期发展起来的快速成型技术(rapidprototyping)如：激光选区烧结技术(Selective laser sintering)、层片叠加成型技术(Laminated Object Manufacturing)、熔化覆盖成型技术(Fused deposition modeling)、立体印刷成型技术(Stereolithography)、三位打印成型技术(3D printing)、喷射打印成型技术(ink jet printing)等有着本质的区别。本发明的方法属于去除材料(Removing material)的方法。
本发明的工艺方法对所应用的陶瓷坯体和激光器的功率有着严格的要求。只对颗粒之间是通过有机物所形成三维空间网络所束缚的坯体有很好的效果。对于凝胶注模成型(gelcasting)的陶瓷坯体，或者类似凝胶成型(gelation)的坯体例如通过水溶性聚合物如琼脂糖类、纤维素类等通过温度变化从而实现凝胶成型的陶瓷干坯，都可以达到非常好的效果，因为凝胶注模成型或者凝胶成型的坯体在经过干燥之后，大部分水分得以挥发，留下了聚合后所形成的三维网架结构。另外该工艺需要严格控制激光器的功率，尤其对于有机物含量高的陶瓷坯体，例如传统注射成型和热压铸成型所制备的坯体，因为有机物含量较高，过高的激光束功率密度容易形成局部燃烧或软化塌陷，影响加工精度。
另外激光束的扫描速度与吹扫气体的流量和种类对去除加工的精度和表面状况也有着直接影响，因为在一定的激光功率下，扫描速度直接关系到有机聚合物的烧蚀深度。吹扫气体不仅可以携带去除脱落陶瓷颗粒，同时对烧蚀区也起到冷却的作用，减少热影响区域。如果吹扫气流中增加O2气的含量，也可以加快有机聚合物的烧蚀速度，提高加工效率。因此必须对二者进行严格控制才能达到理想的加工效果。
激光束光斑大小也直接关系到加工的精度，光斑直径一般为0.1-0.5mm，因此加工宽度最小可至0.1mm，加工尺寸精度可以达到±0.05mm。光斑直径越小，热影响区越小，局部加工精度愈高。
为了实现对坯体的三维加工，本发明设计了陶瓷素坯激光三维加工装置。结构如图1所示，含有激光器1(包括激光器电源)、计算机控制系统2、工作平台3、光路系统4、待加工工件5、气流控制系统6、监控器7、冷却系统8。其中，该装置不是一个简单的、孤立的激光加工工具，而是将激光器、三维精密机械工作平台和计算机控制系统等相结合的加工系统。该激光器1是整个加工系统的核心，计算机控制系统2是整个装置加工运动的中央控制部件，激光器1的开关、工作平台3的运动轨迹、光路系统4的调节和气流系统7的开关流量都通过2来执行。工作平台3为万能旋转工作台同时可以完成五轴运动，用来承载工件5。监控器7采用CCD彩色摄像机，适时反馈工件5的表面形貌和激光束加工定位，保证达到设计所要求的加工精度。
该装置能够实现以下四种常用加工运动方向：
1.二维坐标，例如x、y两轴，实现二维运动，这种情况是通过激光器1或工作平台的二维运动来实现的；
2.三维坐标，例如x、y、z轴，其中的二维运动同1所述，z轴的运动通过工作台3的升降或光路系统4的聚焦、反射等光学元件调整光束来实现的；
3.四维坐标，如2所述x、y、z三维运动，再加上工作台3的旋转运动。本发明是通过坯体旋转和激光束的导光纤维与反射镜来实现内壁加工，类似普通车床的旋转，可以处理圆柱(桶)坯体的内、外壁；
4.五轴联动，即x、y、z及在xy平面360°旋转ω，以及xy平面在z方向±180°的摆动φ，本发明通过万能旋转工作平台来实现ω、φ的运动，同时通过计算机控制系统来实现五轴联动加工。
此外，本发明更提供了加工陶瓷坯体的方法，其具体实施步骤如下：
步骤一：配制胶态成型所需浆料，注入模具制备毛坯或毛坯锭。经过干燥方式，获得干燥毛坯；干燥过程中应需用合理的干燥程序，防止裂纹，尽量减小坯体的形变。
步骤二：根据部件的尺寸要求，编制合理的加工工艺。将干燥素坯固定于三维激光加工装置工件台上，并对其进行精确定位。根据加工精度调整激光束光斑直径，并使焦斑位于待加工表面。
步骤三：通过计算机控制本发明所设计的激光加工装置，激光束选择性的烧蚀陶瓷素坯中的有机物连接体，同时借助高速气流吹扫、抽吸烧失的陶瓷粉末，随着激光聚焦点与被切材料的相对运动，生成烧失区域，得到精确尺寸的陶瓷坯体。再对加工后的陶瓷坯体进行烧结，得到近终形的陶瓷部件。
实施例1：倾斜回转法精密打孔
以氧化锆为例，颗粒平均粒径为1um，配置体积分数为35％的浆料，有机单体丙稀酰胺和交联剂亚甲基双丙稀酰胺含量5％，用凝胶注模成型方法制备直径4.0mm陶瓷球坯体，脱模后坯体在15℃下阴干5天，再在90℃下烘干2天。坯体干燥后固定于加工台上，采用30W、Nd：YAG固体激光器。为了避免或减小激光打孔后的圆锥度，提高激光打孔的形状精度，如圆度和圆柱度，采用倾斜回转法。
具体办法是让万能旋转工作台在Z轴方向倾斜β角，并在激光打孔的过程中绕着激光切割头的光轴(铅垂轴)作定轴转动。这样做的结果是减少造成的圆锥孔，提高成孔的圆柱度。倾斜角β在0.1°--0.4°之间。加工中的其它工艺参数选择如下：工作电流15MA，光斑直径0.1mm，辅助气体为氮气。加工结果：孔直径0.4mm，孔锥度小于1∶10。
实施例2：异性部件快速加工
以市售碳化硅粉为原料，采用注射成型制备长15cm，宽8cm，厚3.0mm陶瓷坯体。采用60W脉冲振荡YAG激光加工陶瓷齿轮。如图2所示，具体加工办法是将脱模后的陶瓷坯体固定于工作台上，激光器根据齿轮轮廓线在XY轴平面二维运动，工作台缓慢上升，激光束始终垂直于工件表面。工作电压20MA，光斑直径0.1mm，激光器运动线速度60cm/min，工作台上升速度1mm/min，辅助气体为氧气。
实例3：大长径比陶瓷管内壁修整
以市售氧化钛为原料，晶型为金红石和锐钛矿，颗粒直径为0.5um左右，添加助剂CaF2：1wt％；BaCO3：1wt％；ZnO：22.5wt％；H2WO4：1.5wt％；膨润土：2wt％。经1170℃混合煅烧，球磨后粒径控制在1.5um左右。采用挤出成型的方法制备内径25mm、外径30mm、长400mm的陶瓷管，在90℃烘箱烘干48小时后，采用40w激光器31对陶瓷管内壁进行修整。
加工示意图3所示，图中反射镜32与激光束方向呈45°夹角，可以使激光传播方向发生90°偏转。具体加工方法是让工作平台33在XY轴平面旋转，并同时在Z轴方向做往复直线运动。加工中工艺参数选择如下：旋转速度20转/min，Z轴步进速度20mm/mim，工作电流10MA，光斑直径0.5mm，辅助气体为空气。
实施例4：激光三维加工具有复杂图案的氧化锆陶瓷水杯
以市售氧化锆粉为原料，配置体积分数为50％的浆料，有机单体甲基丙稀酰胺、乙烯基吡咯烷酮和交联剂亚甲基双丙稀酰胺含量为8％，用凝胶注模成型方法制备高100mm、直径60mm带有把手的圆筒状陶瓷水杯，脱模后坯体在25℃下阴干5天，再在80℃下烘干3天。将干燥坯体固定在本发明所设计的激光加工装置工作台上。采用30w，CO2激光器，通过对工作平台旋转和升降的联动控制，使激光束的焦点始终处于陶瓷水杯待刻蚀外圆弧面，或采用实施例3的光束装置使激光束焦点始终处于陶瓷水杯内圆弧面，同时使陶瓷水杯坯体根据计算机设计好的图案进行移动，最终在陶瓷水杯外表面或内表面形成深度0.3mm的图案。刻蚀过程中激光束光斑直径0.1mm，工作电流5MA，辅助气体采用氮气。
实施例5：激光三维加工具有层状结构的氮化硅陶瓷静叶片
首先用流延成型或者扎膜成型制备0.5mm厚度的氮化硅和0.2mm厚度的BN薄片，然后用激光切割成为长度40mm、厚度40mm的方片，再将氮化硅、层氮化硼逐层叠加成为长度40mm、厚度40mm、高度28mm的方块，再经过10MPa压力机压实。经过压实的方块，放到本发明所设计的激光加工装置中，加工成为具有层状结构的Si3N4/BN陶瓷静叶片。加工中采用60W红宝石激光器，工艺参数选择如下：工作电流15MA，光斑直径0.1mm，辅助气体为空气。
如上所述，本发明提供一较佳的加工陶瓷坯体的方法及装置，以及相关的应用，于是依法提呈发明专利的申请；然而，以上的实施说明及图式所示，是本创作较佳实施例，并非以此局限本创作，是以，举凡与本创作的构造、装置、特征等近似、雷同，均应属本创作的创设目的及申请专利范围之内。
Claims (4)
1.一种激光三维加工陶瓷坯体的方法，其是采用激光束对陶瓷素坯进行快速、精密、三维加工，其包含以下步骤：
步骤一：制备陶瓷素坯，经过干燥得到待加工的干燥陶瓷素坯；
步骤二：将干燥陶瓷素坯固定于三维激光加工装置工件台上，并对其进行精确定位，选择合理的工件和激光束组合运动方式，编制加工工艺；
步骤三：通过计算机控制工件和激光束的运动，精确、快速、选择性的烧蚀陶瓷素坯中有机物连接体，同时通过气流吹扫、抽吸烧失的陶瓷粉末，得到精密尺寸陶瓷坯体；
其步骤一中陶瓷素坯是指颗粒之间通过有机连接体形成三维空间网络所束缚的坯体，更具体是采用注射成型、挤出成型、流延成型、凝胶注模成型或凝胶成型工艺制备而成的陶瓷素坯，该类陶瓷素坯中有机连接体的含量，既可以保障陶瓷坯体的强度，又可以保障陶瓷粉末的阻燃效果，防止有机连接体烧蚀过程中软化塌陷或局部爆燃；
其中步骤三中的激光束为脉冲激光束或连续波激光束，其激光器功率为30W、40W或60W，光斑直径为0.1-0.5mm；通过调整激光器功率与光斑直径，使激光束的功率密度能够烧蚀有机连接体，但又不会烧蚀陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的激光三维加工陶瓷坯体的方法，其中该步骤一中的干燥陶瓷素坯是通过烘箱、微波、真空或室温自然阴干方式来实现，避免陶瓷素坯开裂或内部产生微裂纹缺陷。
3.根据权利要求1所述的激光三维加工陶瓷坯体的方法，其中激光束波长为10.6μm或1.06μm或0.532μm或0.355μm。
4.根据权利要求1所述的激光三维加工陶瓷坯体的方法，其中步骤三更具体是通过吹扫、抽吸或吹扫与抽吸同时进行的气流及时去除脱离有机物连接体束缚的陶瓷粉末，气流方向可以于激光束方向相同也可以不同；并通过控制吹扫气体流量和气体种类，从而冷却烧蚀区域，减少热影响区，改善加工效率和精度。
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