CN101391896A - 一种复杂陶瓷零件的快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂陶瓷零件的快速制造工艺。首先利用薄材叠层制造(LOM)技术，以陶瓷薄膜为原料，制成陶瓷零件的初坯；将陶瓷零件初坯覆上包套，放入冷等静压炉中进行加压处理；对压制后的陶瓷零件坯体进行脱脂处理和高温烧结；最后根据零件几何尺寸和形状的精度要求，对近净成形的零件进行少量的后续加工。本发明的实质是将冷等静压与LOM快速成形工艺有机结合起来，对LOM快速成形的陶瓷零件初坯进行冷等静压，提高其坯体致密度，有利于后续的烧结和致密化过程。本发明结合了LOM工艺与冷等静压工艺的优点，避免了复杂的模具设计或包套设计，提高了最终陶瓷零件的性能，适合于形状结构复杂的陶瓷零件的制造和小批量生产。
Description
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及一种复杂陶瓷零件的快速制造方法。
技术背景
陶瓷作为一种重要的结构材料，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，在诸多领域都有着广泛的应用。然而，陶瓷硬而脆的特点给陶瓷件的成形、加工带来了很多困难。尤其是形状复杂的陶瓷件，通常需要通过复杂的模具来实现。而复杂模具需要较高的制作成本和较长的制作周期，从而制约了原形件和小批量的陶瓷零件生产。在市场竞争日趋激烈，产品更新速度日益加快的今天，这种生产状况已经越来越不能适应现代企业生存和发展的需要。
薄材叠层制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)是快速成形技术(Rapid Prototyping，RP)的一种，该技术采用背面涂有热敏性粘接剂的薄膜材料为原料，先由CAD三维造型软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息。根据这些数据用激光将薄膜依次切成零件的各层形状并叠加起来成为实体件，层与层间的粘结靠加热和加压来实现。LOM可以快速成形结构复杂的三维模型或零件。
目前，已经有利用LOM技术制造陶瓷零件的相关研究，其基本的步骤为：用LOM技术成形陶瓷零件初坯；对零件初坯进行脱脂处理和高温烧结后得到具有一定强度、形状的陶瓷零件。然而，这种工艺步骤可能存在以下的问题：由于坯体致密度很低，粉末颗粒间距离过大，常常导致在高温烧结过程中无法致密化，因而零件的机械性能较低。
冷等静压(Cold Isostatic Pressing，CIP)技术通过均匀施加外来压力，使粉末颗粒发生位移、变形或碎裂，缩短颗粒间的距离，扩大粉末颗粒间的接触面积，增强颗粒间机械啮合的程度，具有压坯均匀性好、可以成形复杂形状的压坯、机加工量少、节省原料等优点。本发明将冷等静压技术引入LOM陶瓷形坯的后处理，可以显著提高陶瓷形坯的致密度，对后续的烧结工艺以及零件的最终性能都能起到显著的改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂陶瓷零件的快速制造方法，该方法工艺简单，生产成本相对较低，所制备的陶瓷零件具有较高的致密度和机械性能，并且可以在较短时间内生产出形状结构复杂的陶瓷零件。
本发明提供的复杂陶瓷零件的快速制造方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出零件三维CAD模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息传送到薄材叠层制造快速成形系统；
(2)以涂有高分子粘接剂的陶瓷薄膜为原料，在薄材叠层制造快速成形系统上成形三维的陶瓷零件初坯；
(3)将陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等静压炉，进行加压处理；
覆包套的方法为：将端羟基聚丁二烯和甲苯二异氰酸酯按质量比12：1～14：1均匀混合，其中端羟基聚丁二烯的羟值在0.8～0.95mmol/g；将陶瓷零件初坯浸入上述混合树脂中，在制件表面均匀附着一层树脂；将制件在75～85℃下烘干4～7h，使液体在制件表面形成封闭的保护膜；
冷等静压的工艺过程为：以2～4MPa/s的速度，将压力从0MPa升到250～300MPa，保压后再以2～4MPa/s将压力升高到600～650MPa，保压后卸压；
(4)对冷等静压后的陶瓷零件坯体进行脱脂处理，除去其中的高分子粘结剂；
(5)对脱脂后的陶瓷零件进行高温烧结，使陶瓷零件进一步致密化；
(6)对陶瓷零件进行后续加工，使最终的零件产品满足几何尺寸和形状，以及表面精度的要求。
本发明将LOM技术与冷等静压技术有机结合起来，能够低成本快速制造结构复杂、致密度高的陶瓷零件，这种复合方法具有以下优点：
(1)采用LOM成形陶瓷零件初坯，保证了零件极低的内应力，从而避免了初坯成形过程中的扭曲，收缩和变形，保证了后续工艺的顺利进行和最终的产品质量。
(2)克服了单纯采用LOM技术成形陶瓷零件初坯，在烧结过程中由于无法致密化容易产生零件缺陷的缺点，大幅提高陶瓷零件的致密度，从而使陶瓷零件的机械性能得到提高。
(3)克服了单纯产用冷等静压工艺成形陶瓷零件初坯需要复杂的包套设计，无法成形结构复杂的陶瓷零件的缺点，缩短了新产品的开发周期，使生产过程更具有柔性。
(4)能够快速无模制造出形状和结构复杂、致密度高的陶瓷零件。
(5)工艺简单，低成本，低能耗，高效率。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的具体过程作进一步详细的阐述：
(1)采用三维造型软件设计出零件三维CAD模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息传送到LOM快速成形系统。使用三维造型软件设计产品零件，具有高效，简单，可视化的优点，并且可以将数据信息传入数控设备直接进行加工。
(2)以涂有高分子粘接剂的陶瓷薄膜为原料，在LOM系统上成形三维的陶瓷零件初坯。利用快速成形系统可以无模快速成形形状结构复杂的三维实体零件坯体，从而无需复杂的模具设计或包套设计。
(3)将陶瓷零件初坯覆上橡胶包套后，放入冷等静压炉，进行加压处理。冷等静压的工艺过程为：以2～4MPa/s的速度，将压力从0MPa升到250～300MPa，保压1～2min；接着再以2～4MPa/s将压力升高到600～650MPa，保压2～4min后卸压。对陶瓷零件初坯进行冷等静压的目的是，增大烧结前坯体的致密度，缩短颗粒间的距离，促进陶瓷零件在高温烧结过程中的致密化。
包套的设计方法如下：将制件浸入包套溶液中，在制件表面均匀附着一层液体后，对制件进行加热烘干处理，使液体在制件表面形成封闭的保护膜，在冷等静压时起包套的作用。这里的液体材料需要具有如下特点：a)与陶瓷有一定的润湿性，可以附着在制件表面，且经加热烘干可以固化形成封闭的保护膜；b)形成的保护膜具有很好的弹性和抗撕裂性，在冷等静压过程中不会破裂。
覆包套的方法如下：将端羟基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二异氰酸酯(TDI)按质量比12∶1～14∶1均匀混合，其中HTPB的羟值在0.8～0.95mmol/g；将LOM初始形坯浸入上述混合树脂中，在制件表面均匀附着一层树脂；将制件在75～85℃下烘干4～7h，使液体在制件表面形成封闭的保护膜。
(4)对冷等静压后的陶瓷零件坯体进行脱脂处理，除去其中的高分子粘结剂。
(5)对脱脂后的陶瓷零件进行高温烧结，使陶瓷零件致密化。
(6)对陶瓷零件进行后续加工，使最终的零件产品满足几何尺寸和形状，以及表面精度的要求。
本发明的实质是将冷等静压与LOM快速成形工艺有机结合起来，对LOM快速成形的陶瓷零件初坯进行冷等静压，提高其坯体致密度，有利于后续的烧结和致密化过程。本发明结合了LOM工艺与冷等静压工艺的优点，避免了复杂的模具设计或包套设计，提高了烧结零件的质量，适合于形状结构复杂的陶瓷零件的原形件制造和小批量生产。
实例1
(1)根据LOM成形的陶瓷零件的初坯密度以及冷等静压后可能出现的尺寸变化，由最终的零件尺寸计算出初坯的零件尺寸，并留有一定的加工余量。
(2)采用三维造型软件(如UG、ProE)根据计算出的初坯尺寸绘制出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息传送到LOM快速成形系统。
(3)使用厚度为0.5mm的Al2O3陶瓷薄膜为原料，在LOM系统上成形三维的陶瓷零件初坯。
(4)将陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等静压炉，进行加压处理。
覆包套的方法如下：将端羟基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二异氰酸酯(TDI)按质量比14：1均匀混合，其中HTPB的羟值在0.8mmol/g；将陶瓷初坯浸入上述混合树脂中，在制件表面均匀附着一层树脂；将制件在85℃下烘干4h，使液体在制件表面形成封闭的保护膜。
冷等静压的工艺过程为：以3MPa/s的速度，将压力从0MPa升到300MPa，保压2min；接着再以3MPa/s将压力升高到600MPa，保压4min后卸压。
(5)将冷等静压后的陶瓷零件转移到真空脱脂炉中，由室温以5℃/min升温到240℃，保温3小时，再以1℃/min升温到520℃，保温3小时，最后以1℃/min冷却至室温，出炉。
(6)将脱脂后的陶瓷零件转移到高温烧结炉中，由室温以5℃/min升温到240℃，再以3℃/min升温到1580℃，保温1小时，最后以1℃/min冷却至室温，出炉。
(7)对陶瓷零件进行后续加工，使最终的零件产品满足几何尺寸和形状，以及表面精度的要求。
实例2
(1)根据LOM成形的陶瓷零件的初坯密度以及冷等静压后可能出现的尺寸变化，由最终的零件尺寸计算出初坯的零件尺寸，并留有一定的加工余量。
(2)采用三维造型软件(如UG、ProE)根据计算出的初坯尺寸绘制出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息传送到LOM快速成形系统。
(3)使用厚度为0.3mm的SiC陶瓷薄膜为原料，在LOM系统上成形三维的陶瓷零件初坯。
(4)将陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等静压炉，进行加压处理。
覆包套的方法如下：将端羟基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二异氰酸酯(TDI)按质量比13：1均匀混合，其中HTPB的羟值在0.9mmol/g；将陶瓷初坯浸入上述混合树脂中，在制件表面均匀附着一层树脂；将制件进行在80℃下烘干6h，使液体在制件表面形成封闭的保护膜。
冷等静压的工艺过程为：以2MPa/s的速度，将压力从0MPa升到280MPa，保压1min；接着再以2MPa/s将压力升高到650MPa，保压2min后卸压。
(5)将冷等静压后的陶瓷零件转移到真空脱脂炉中，由室温以5℃/min升温到280℃，保温3小时，再以1℃/min升温到600℃，保温3小时，最后以1℃/min冷却至室温，出炉。
(6)将脱脂后的陶瓷零件转移到真空高温烧结炉中，由室温以5℃/min升温到280℃，再以3℃/min升温到2000℃，保温1小时，最后以1℃/min冷却至室温，出炉。
(7)对陶瓷零件进行后续加工，使最终的零件产品满足几何尺寸和形状，以及表面精度的要求。
实例3
(1)根据LOM成形的陶瓷零件的初坯密度以及冷等静压后可能出现的尺寸变化，由最终的零件尺寸计算出初坯的零件尺寸，并留有一定的加工余量。
(2)采用三维造型软件(如UG、ProE)根据计算出的初坯尺寸绘制出零件的三维CAD模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息传送到LOM快速成形系统。
(3)使用厚度为0.2mm的AlN陶瓷薄膜为原料，在LOM系统上成形三维的陶瓷零件初坯。
(4)将陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等静压炉，进行加压处理。
覆包套的方法如下：将端羟基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二异氰酸酯(TDI)按质量比12：1均匀混合，其中HTPB的羟值在0.95mmol/g；将陶瓷初坯浸入上述混合树脂中，在制件表面均匀附着一层树脂；将制件进行在75℃下烘干5h，使液体在制件表面形成封闭的保护膜。
冷等静压的工艺过程为：以4MPa/s的速度，将压力从0MPa升到250MPa，保压2min；接着再以4MPa/s将压力升高到650MPa，保压4min后卸压。
(5)将冷等静压后的陶瓷零件转移到真空脱脂炉中，由室温以5℃/min升温到280℃，保温3小时，再以1℃/min升温到600℃，保温3小时，最后以1℃/min冷却至室温，出炉。
(6)将脱脂后的陶瓷零件转移到高温真空烧结炉中，由室温以5℃/min升温到280℃，再以3℃/min升温到1800℃，保温1小时，最后以1℃/min冷却至室温，出炉。
(7)对陶瓷零件进行后续加工，使最终的零件产品满足几何尺寸和形状，以及表面精度的要求。
Claims (1)
1、一种复杂陶瓷零件的快速制造方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出零件三维CAD模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息传送到薄材叠层制造快速成形系统；
(2)以涂有高分子粘接剂的陶瓷薄膜为原料，在薄材叠层制造快速成形系统上成形三维的陶瓷零件初坯；
(3)将陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等静压炉，进行加压处理；
覆包套的方法为：将端羟基聚丁二烯和甲苯二异氰酸酯按质量比12：1～14：1均匀混合，其中端羟基聚丁二烯的羟值在0.8～0.95mmol/g；将陶瓷零件初坯浸入上述混合树脂中，在制件表面均匀附着一层树脂；将制件在75～85℃下烘干4～7h，使液体在制件表面形成封闭的保护膜；
冷等静压的工艺过程为：以2～4MPa/s的速度，将压力从0MPa升到250～300MPa，保压后再以2～4MPa/s将压力升高到600～650MPa，保压后卸压；
(4)对冷等静压后的陶瓷零件坯体进行脱脂处理，除去其中的高分子粘结剂；
(5)对脱脂后的陶瓷零件进行高温烧结，使陶瓷零件进一步致密化；
(6)对陶瓷零件进行后续加工，使最终的零件产品满足几何尺寸和形状，以及表面精度的要求。
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