CN105563610B - 一种用3d打印技术制备金属陶瓷的方法 - Google Patents

一种用3d打印技术制备金属陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，本发明在3D打印成型过程中添加金属纤维材料与陶瓷材料进行复合，最后经过烧结得到既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损特性的金属陶瓷材料，解决了金属陶瓷成型困难，成型速度慢，成型精度低，成型结构简单的缺陷，扩大了金属陶瓷产品的应用范围，该成型方法工艺简单，易于工业化生产，促进了3D打印成型技术在生活中的推广应用，具有广阔的市场前景。

Description

一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的3D打印成型方法，具体涉及一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术，是快速成型领域的一种新兴技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的发展和应用，材料成为限制3D打印技术未来走向的关键因素之一，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料、木质材料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。
利用3D打印技术来成型制备陶瓷类产品具有成型速度快，性能好，精度高，能成型复杂结构产品的优点，被人们所接受并在各个领域得到应用。金属陶瓷是一种新型的复合材料，既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性，具有广阔的应用前景，但传统的成型方法对金属陶瓷的成型具有成型困难，成型速度慢，成型精度低，成型结构简单的缺陷，因而很难满足金属陶瓷在各个领域中的使用。将金属陶瓷材料采用3D打印技术成型，能显著改善金属陶瓷在成型中存在的不足，使金属陶瓷材料在各个领域中得到更好点的应用，具有广阔的市场前景。
发明内容
本发明针对目前金属陶瓷的成型具有成型困难，成型速度慢，成型精度低，成型结构简单的缺陷提出了一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，利用3D打印陶瓷材料与连续金属纤维的复合，制备得到一种具有高强度和高韧性的金属陶瓷材料，弥补了金属陶瓷材料在成型中的不足，也促进了3D打印技术在金属陶瓷材料成型中的应用。
本发明一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，其特征在于具体制备方法包括以下步骤：
(1)、提供3D打印的原料，包括85-90份的3D打印陶瓷材料和5-15份的金属纤维；
(2)、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续金属纤维放置在料盘上；
(3)、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
(4)、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
(5)、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在700-850℃的温度下预烧结18-20h，然后在1100-1500℃的温度下烧结3-4h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品。
上述一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，其中所述的3D打印陶瓷材料由30-45份的粘土，35-45份的胶体粒子，20-35份的润湿剂，0-30份的骨料和5-10份的增塑剂通过混合得到；所述的金属纤维为钴纤维、镍纤维、铬纤维、钨纤维、钼纤维、铝纤维、不锈钢纤维中的一种或多种。
上述一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，其中所述的粘土为经过高温煅烧去除了有机质的细度为1250-2000目的高岭土、蒙脱土中的一种或两种；所述的胶体粒子为氢氧化铝胶体粒子、氢氧化镁胶体粒子中的一种或两种；所述的骨料为细度为1500-2000目的水白云母粉末、蒙脱石粉末、伊利石粉末中的一种或多种；所述的润湿剂为水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液；所述的增塑剂为甘油、植物油中的一种或两种。
上述一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，其中所述的连续长纤维粘土3D打印机其特点在于其打印头由内外重叠双头复合而成，内为纤维牵引头，外为粘土喷头；打印时，膏状3D打印陶瓷材料和金属纤维同时出料，陶瓷材料将纤维包覆然后挤出，进行打印成型。
本发明利用了3D打印陶瓷材料高塑性的特点，在3D打印成型过程中添加金属纤维材料与陶瓷材料进行复合，最后经过烧结得到既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温 、耐腐蚀和耐磨损特性的金属陶瓷材料，解决了金属陶瓷成型困难，成型速度慢，成型精度低，成型结构简单的缺陷，扩大了金属陶瓷产品的应用范围，该成型方法工艺简单，易于工业化生产，促进了3D打印成型技术在生活中的推广应用，具有广阔的市场前景。
本发明突出的特点和有益效果在于：
1、本发明解决了金属陶瓷成型困难，成型速度慢，成型精度低，成型结构简单的缺陷，制备得到了具有高强度和高韧性的金属陶瓷材料产品。
2、本发明直接用粘土材料和连续金属纤维材料作为原料，成本低廉，原料易得。
3、本发明成型方法直接成型得到金属陶瓷产品，工艺简单，易于工业化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
1、提供3D打印的原料，包括85份的3D打印粘土材料和15份的连续金属纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续金属纤维放置在料盘上；
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
4、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在700℃的温度下预烧结18h，然后在1100℃的温度下烧结3h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品。
其中步骤1中的3D打印陶瓷材料由30重量份的1250目的高岭土，35重量份的氢氧化铝胶体粒子，20重量份的水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液，10重量份的1500目的白云母粉末和5重量份的甘油混合而成；所述的金属连续纤维为钴纤维。
实施例2
1、提供3D打印的原料，包括90份的3D打印粘土材料和5份的连续金属纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续金属纤维放置在料盘上；
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
4、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在850℃的温度下预烧结20h，然后在1500℃的温度下烧结4h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品。
其中步骤1中的3D打印陶瓷材料由40重量份的1500目的高岭土，40重量份的氢氧化镁胶体粒子，30重量份的水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液，15重量份的1500目的蒙脱石粉末和10重量份的甘油混合而成；所述的金属连续纤维为镍纤维。
实施例3
1、提供3D打印的原料，包括85份的3D打印粘土材料和15份的连续金属纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续金属纤维放置在料盘上；
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
4、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在750℃的温度下预烧结19h，然后在1400℃的温度下烧结3h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品。
其中步骤1中的3D打印陶瓷材料由35重量份的2000目的蒙脱土，35重量份的氢氧化铝胶体粒子，20重量份的水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液，10重量份的1500目的伊利石粉末和5重量份的棉籽油混合而成；所述的金属连续纤维为不锈钢纤维。
实施例4
1、提供3D打印的原料，包括85份的3D打印粘土材料和5份的连续金属纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续金属纤维放置在料盘上；
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
4、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在800℃的温度下预烧结20h，然后在1300℃的温度下烧结3-4h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品。
其中步骤1中的3D打印陶瓷材料由45重量份的1250目的高岭土，35重量份的氢氧化镁胶体粒子，35重量份的水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液，10重量份的2000目的伊利石粉末和10重量份的蓖麻油混合而成；所述的金属连续纤维为铝纤维。
实施例5
1、提供3D打印的原料，包括85份的3D打印粘土材料和10份的连续金属纤维；
2、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印粘土材料放置于3D打印机料槽内，将连续金属纤维放置在料盘上；
3、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
4、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
5、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在850℃的温度下预烧结20h，然后在1500℃的温度下烧结4h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品。
其中步骤1中的3D打印陶瓷材料由30重量份的2000目的蒙脱土，45重量份的氢氧化铝胶体粒子，30重量份的水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液，10重量份的1500目的白云母粉末和5重量份的甘油混合而成；所述的金属连续纤维为铬纤维。

Claims (1)

1.一种用3D打印技术制备金属陶瓷的方法，其特征在于具体制备方法包括以下步骤：
（1）、提供3D打印的原料，包括85-90份的3D打印陶瓷材料和5-15份的金属纤维；
（2）、提供一台连续长纤维粘土3D打印机，将步骤1的3D打印陶瓷材料放置于3D打印机料槽内，将金属纤维放置在料盘上；其中所述的连续长纤维粘土3D打印机其特点在于其打印头由内外重叠双头复合而成，内为纤维牵引头，外为粘土喷头；打印时，3D打印陶瓷材料和金属纤维同时出料，陶瓷材料将纤维包覆然后挤出，进行打印成型；
（3）、使用计算机辅助设计软件绘制陶瓷产品的三维立体结构模型；
（4）、启动3D打印机，将所述陶瓷产品的三维立体结构模型文件导入到步骤2中的3D打印机中，并使3D打印机开始打印，得到陶瓷胚体；
（5）、设置烧结曲线，将步骤4得到的陶瓷胚体在氮气的气氛中先在700-850℃的温度下预烧结18-20h，然后在1100-1500℃的温度下烧结3-4h，最后进行冷却，制得金属陶瓷材料产品；
其中所述的3D打印陶瓷材料由30-45份的粘土，35-45份的胶体粒子，20-35份的润湿剂，0-30份的骨料和5-10份的增塑剂通过混合得到；所述的金属纤维为钴纤维、镍纤维、铬纤维、钨纤维、钼纤维、铝纤维、不锈钢纤维中的一种或多种；所述的粘土为经过高温煅烧去除了有机质的细度为1250-2000目的高岭土、蒙脱土中的一种或两种；所述的胶体粒子为氢氧化铝胶体粒子、氢氧化镁胶体粒子中的一种或两种；所述的骨料为细度为1500-2000目的水白云母粉末、蒙脱石粉末、伊利石粉末中的一种或多种；所述的润湿剂为水与乙醇按1∶2混溶的乙醇溶液；所述的增塑剂为甘油、植物油中的一种或两种。
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