CN101333115A - 复杂形状陶瓷件的叠层制备法 - Google Patents
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Abstract
复杂形状陶瓷件的叠层制备法，快速成形技术是八十年代中期发展起来的一种造型新技术，由于快速成形技术无需机械加工或任何模具，直接从CAD模型生成复杂形状的制件。分层实体造型是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状，然后叠加在一起的造型方法。本发明组成包括：设计零件、备料、混料、片层设计、片层粘结、陶瓷零件的烧结，所述的备料包括选择三氧化二铝粉体和确定陶瓷粒度的尺度范围及颗粒的纯度，所述的片层设计是首先使用三维造型软件将所需要制备的零件的三维图形输入到计算机中，然后在计算机上对零件进行分层，片材厚度被确定为0.7mm，生成单层零件的加工指令，然后再通过数控设备加工零件单层。本发明涉及材料领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种利用计算机完成复杂形状陶瓷件的叠层制备方法。
背景技术：
随着中国经济的迅猛发展，在高技术、国防、机械、电子等工业领域，对工程陶瓷产品的需求量不断加大，需求品种不断增多。今后陶瓷材料和产品的需求趋势是：品种多，批量小；研制、生产周期缩短。而陶瓷材料自身，尤其是复杂形状的陶瓷零件，也存在难成形、难加工、成本高等问题。解决以上问题的关键是开发低成本、高效率陶瓷产品生产技术。
快速成形技术(Rapid Prototyping and Manufacturing)是八十年代中期发展起来的一种造型新技术，由于快速成形技术无需机械加工或任何模具，直接从CAD模型生成复杂形状的制件，因而产品研制周期缩短，生产率提高，生产成本降低。分层实体造型(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状，然后叠加在一起的造型方法。分层实体造型技术在陶瓷领域中的应用包括，Dayton大学的Donald A.Klosterman等应用分层实体造型技术制备了陶瓷件、陶瓷基复合材料。Lone Peak工程公司的E.Alair Griffin等[8]采用分层实体造型技术制备了ZrO2和Al2O3陶瓷件。该公司的Curtis Griffin[9]等采用LOM技术制备了Al2O3试样和零件。Case WesternReserve大学的James D.Cawley等采用CAM-LEM(Computer-AideoManufacturing of Laminated Engineering Materials)技术制作陶瓷件，其成形原理与分层实体造型技术相同。
发明内容：
本发明的目的是提供一种采用叠层法制备复杂形状陶瓷件。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其组成包括：设计零件、备料、混料、片层设计、片层粘结、陶瓷零件的烧结，所述的备料包括选择三氧化二铝粉体和确定陶瓷粒度的尺度范围及颗粒的纯度，所述的片层设计是首先使用三维造型软件将所需要制备的零件的三维图形输入到计算机中，然后在计算机上对零件进行分层，片材厚度被确定为0.3～1.0mm，生成单层零件的加工指令，然后再通过数控设备加工零件单层。
所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，所述的备料是选定粒径在1～15μm，平均为2μm的三氧化二铝粉末，根据零件的设计要求确定陶瓷粒度为粒径在1～15μm，平均为2μm。
所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，所述的混料是先将需要量110％～130％的三氧化二铝粉体倒入混料容器中，再将粘结剂加入其中，用大功率搅拌机进行3～5小时同向搅拌，使三氧化二铝粉体与粘结剂充分混合。
所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，所述的片层粘结是将用数控设备产生的零件片层用专用粘结剂均匀地涂在片层表面，在涂抹粘结剂的时候要注意使每一个部件都要涂到，不可有遗漏的地方。
所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，所述的陶瓷零件的烧结是在进行烧结之前，要对陶瓷零件进行预烧，60～80摄氏度的环境下烧烤1～2小时，以使片层间粘结剂充分固化，将粘结在一起的片层转移至烧结炉中并升温，升温速度控制在10℃左右。当温度在240～520℃区间时，升温速度要控制在5℃/分钟，以对片层进行脱脂。温度达到1580℃时保温30分钟。
这个技术方案有以下有益效果：
1、本发明可以制备出各种形状的零件，例如一些中空的零件的制备，可以将该零件分割为许多小片，最后通过本发明所使用的粘结方法将它们联合在一起。而像这样的零件，用一般设备来加工非常困难的或者无法完成。大大降低了零件的加工难度；
2、本发明制作各种形状的零件均可不用制作模具，从而在一定程度上降低了生产成本；
3、本发明对制作单件或小批量且对强度要求不高的零件具有较高的实用价值。对于一些实验性的零件，只要通过本发明中的方法可以比较容易地制造出想要的零件；
4、作为成型工艺，分层实体造型工艺在制备一维梯度功能材料具有优势，由于膜厚均匀致密，成分易于控制，并且可以做一定程度的变形，对比其它成分分布控制手段，分层实体造型工艺更灵活而有效。
5、由于快速成形技术无需机械加工或任何模具，直接从CAD模型生成复杂形状的制件，因而产品研制周期缩短，生产率提高，生产成本降低。
附图说明：
附图1是本发明零件分割示意图。
本发明的具体实施方式：
实施例1：
复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其组成包括：设计零件、备料、混料、片层设计、片层粘结、陶瓷零件的烧结，所述的备料包括选择三氧化二铝粉体和确定陶瓷粒度的尺度范围及颗粒的纯度，所述的片层设计是首先使用三维造型软件将所需要制备的零件的三维图形输入到计算机中，然后在计算机上对零件进行分层，生成单层零件的加工指令，然后再通过数控设备加工零件单层。
所述的备料是选定粒径在1～15μm，平均为2μm的三氧化二铝粉末，根据零件的设计要求确定陶瓷粒度为粒径在1～15μm，平均为2μm。
所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，所述的混料是先将需要量110％～130％的三氧化二铝粉体倒入混料容器中，再将粘结剂加入其中，用大功率搅拌机进行3～5小时同向搅拌，使三氧化二铝粉体与粘结剂充分混合。
所述的片层粘结是将用数控设备产生的零件片层用专用粘结剂均匀地涂在片层表面，在涂抹粘结剂的时候要注意使每一个部件都要涂到，不可有遗漏的地方。
所述的陶瓷零件的烧结是在进行烧结之前，要对陶瓷零件进行预烧，60～80摄氏度的环境下烧烤1～2小时，以使片层间粘结剂充分固化，将粘结在一起的片层转移至烧结炉中并升温，升温速度控制在10℃左右。当温度在240~52C℃区间时，升温速度要控制在5℃/分钟，以对片层进行脱脂。温度达到1580℃时保温30分钟后即可切断烧结炉电源，使坯体随炉冷却至室温。
实施例2：
根据使用要求，我们设计出如下了如附图所示的零件，其外观尺寸为200×200×400mm3的零件。
为了使成本与质量之间达到最佳结合点，在本实施例中，我们采用的三氧化二铝的纯度为96％，其平均粒度分布在1～15μm，平均为2μm。
将称量好的三氧化二铝粉体倒入混料用的容器内，并倒入适量的质量浓度为7％的PVB，使用大功率搅拌机进行3小时的同方向搅拌；
在搅拌的同时，使用M-RPMS-II多功能快速成型系统对零件进行分层实体造型。将所设计的零件的三维图形用Pro/Engineer Wildfire 3输入到计算机内，生成STL文件，根据STL文件进行工艺规划。然后对STL文件进行分层(如附图1)，生成单层的控制指令，通过数控卡控制硬件的各种动作，加工零件。片材厚度被确定为0.7mm。在本实施例中，首先加工出底面方向的片层，最后再加工顶面方向的片层。
将已经生产出来的片层按片层加工的先后顺序摆放。为减少片层搬运次数，可在上一个片层完全被粘结好再进行下一层的粘结，也不可同时对多个片层涂粘结剂。但可将这些片层分成若干组，每一组可按上面的原则进行粘结，以提高效率。
在所有的片层被粘结在一起后，可在80摄氏度的环境下烧烤2小时，以使粘结剂充分固化。然后将粘结在一起的片层转移至烧结炉中并升温，升温速度控制在10℃左右。当温度在240~520℃区间时，升温速度要控制在5℃/分钟，这样可以对片层进行脱脂。温度达到1580℃时保温30分钟后即可切断烧结炉电源，使坯体随炉冷却至室温。
Claims (9)
1.一种复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其组成包括：设计零件、备料、混料、片层设计、片层粘结、陶瓷零件的烧结，其特征是：所述的备料包括选择三氧化二铝粉体和确定陶瓷粒度的尺度范围及颗粒的纯度，所述的片层设计是首先使用三维造型软件将所需要制备的零件的三维图形输入到计算机中，然后在计算机上对零件进行分层，片材厚度被确定为0.3～1.0mm，生成单层零件的加工指令，然后再通过数控设备加工零件单层。
2.根据权利要求1所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的备料是选定粒径在1～15μm，平均为2μm的三氧化二铝粉末，根据零件的设计要求确定陶瓷粒度为粒径在1～15μm，平均为2μm。
3.根据权利要求1或2所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的混料是先将需要量110％～130％的三氧化二铝粉体倒入混料容器中，再将粘结剂加入其中，用大功率搅拌机进行3～5小时同向搅拌，使三氧化二铝粉体与粘结剂充分混合。
4.根据权利要求1或2所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的片层粘结是将用数控设备产生的零件片层用专用粘结剂均匀地涂在片层表面，在涂抹粘结剂的时候要注意使每一个部件都要涂到，不可有遗漏的地方。
5.根据权利要求3所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的片层粘结是将用数控设备产生的零件片层用专用粘结剂均匀地涂在片层表面，在涂抹粘结剂的时候要注意使每一个部件都要涂到，不可有遗漏的地方。
6.根据权利要求4所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的片层粘结是将用数控设备产生的零件片层用专用粘结剂均匀地涂在片层表面，在涂抹粘结剂的时候要注意使每一个部件都要涂到，不可有遗漏的地方。
7.根据权利要求1或2或5或6所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的陶瓷零件的烧结是在进行烧结之前，要对陶瓷零件进行预烧，60～80摄氏度的环境下烧烤1～2小时，以使片层间粘结剂充分固化，将粘结在一起的片层转移至烧结炉中并升温，升温速度控制在10℃左右。当温度在240～520℃区间时，升温速度要控制在5℃/分钟，以对片层进行脱脂。温度达到1580℃时保温30分钟。
8.根据权利要求3所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的陶瓷零件的烧结是在进行烧结之前，要对陶瓷零件进行预烧，60～80摄氏度的环境下烧烤1～2小时，以使片层间粘结剂充分固化，将粘结在一起的片层转移至烧结炉中并升温，升温速度控制在10℃左右。当温度在240～520℃区间时，升温速度要控制在5℃/分钟，以对片层进行脱脂。温度达到1580℃时保温30分钟。
9.根据权利要求4所述的复杂形状陶瓷件的叠层制备法，其特征是：所述的陶瓷零件的烧结是在进行烧结之前，要对陶瓷零件进行预烧，60～80摄氏度的环境下烧烤1～2小时，以使片层间粘结剂充分固化，将粘结在一起的片层转移至烧结炉中并升温，升温速度控制在10℃左右。当温度在240～520℃区间时，升温速度要控制在5℃/分钟，以对片层进行脱脂。温度达到1580℃时保温30分钟。
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2007
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