CN106584637B - 一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置及方法 - Google Patents

一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，其特征在于，该装置包括：光固化机构、传动机构以及挤出回抽机构，所述光固化机构设于所述挤出回抽机构的一端，所述传动机构设于所述挤出回抽机构的另一端；其中，所述光固化机构包括调光器(15)、紫外线灯固定盘(16)和紫外固化灯(17)；所述挤出回抽机构包括喷嘴(1)、喷嘴连接件(2)、螺杆(3)、料筒(4)及料斗(6)；所述传动机构包括电机(12)和联轴器(11)。本发明还公开了一种应用所述装置的增材制造成形方法。本发明的方法可以均匀连续将陶瓷固含量为0vol％～65vol％的陶瓷光固化浆料挤出，光固化同时沉积成形，陶瓷固含量高，成形坯体烧结后致密度较高。

Description

一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种基于陶瓷材料的增材制造成形方法。
背景技术
增材制造技术是自上世纪80年代末迅速发展起来的一种新型材料成形工艺，也称为快速成形技术和增材制造技术。增材制造技术采用将传统的三维实体加工转化为二维图形组合的降维技术。增材制造技术利用传统的材料成形小批量形状复杂的零件。主要包括以下几种成形技术：熔融沉积成形(FDM，Fused Deposition Modeling)、选择性激光烧结成形(SLS，Selective Laser Sintering)、三维打印成形技术(3DP，Three DimensionalPrinting)、分层实体制造成形(LOM，Laminated Object Manufacturing)、立体光固化成形(SLA，Stereo Lithography Apparatus)。
1988年，FDM工艺的思想最初由美国工程师Scott Crump提出，并于1992年开发了世界上第一台商业塑料FDM成形机3D-Modeler。该FDM工艺将被打印的塑料制成丝状原料，然后通过送料机构送入挤出喷嘴，实现熔融沉积成形。该方法仅限于成形热塑性的塑料材料。丹麦技术大学的学者Anna Bellini根据塑料F D M的原理，提出利用螺杆挤出的方式进行陶瓷FDM成形。但是，其陶瓷FDM工艺主要存在以下缺陷：所用喂料的陶瓷固含量不高，经烧结无法获得致密的陶瓷零件。此外，必须通过提高成型温度降低喂料的粘度，才能够实现成型，这样就会导致成型冷却过程样品的收缩较大，尺寸精度难以保证。
光固化成形工艺由美国Charles W.Hull于1984年最早提出，在1988年美国3DSystem公司最先推出商品化成型设备后得到飞速发展与应用，它利用紫外光诱导树脂发生固化。西安交通大学周伟召博士团队制备了的水基陶瓷浆料，尝试陶瓷浆料的光固化成型。但是陶瓷固含量很低，同样烧结后难以得到高密度的陶瓷零件。
专利文献CN106083059A公开了一种基于激光增材制造技术的复杂结构碳化硅陶瓷零件制造方法，其利用激光烧结的方法成形氮化硅零件，克服了传统激光增材制造技术成型碳化硅陶瓷存在的工艺流程长、热解后坯体强度低、渗硅过程易发生不良反应对工作人员造成危险等缺陷。但该方法的技术方案中，陶瓷固相含量较低，成形后，经过烧结难以获得高致密度陶瓷零件，此外零件容易开裂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于陶瓷材料的增材制造成形方法，其目的在于利用陶瓷浆料具体剪切稀化的特点，制备含光固化树脂的高固相含量的浆料，采用螺杆挤出方式及光固化原理实现陶瓷材料的增材制造。该方法可以均匀连续增材制造陶瓷固含量为0vol％～65vol％的陶瓷光固化浆料，光固化后沉积成形，解决了目前陶瓷增材制造固含量较低，烧结后致密度较低的问题。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，其特征在于，该装置包括：光固化机构、传动机构以及挤出回抽机构，所述传动机构设于所述挤出回抽机构的一端，用于驱动所述挤出回抽机构旋转，从而挤出或回抽陶瓷光固化浆料，所述光固化机构设于所述挤出回抽机构的另一端，用于固化所述陶瓷光固化浆料，使其成形；
其中，所述挤出回抽机构包括喷嘴、喷嘴连接件、螺杆、料筒及料斗，所述喷嘴通过喷嘴连接件和料筒相连，螺杆设于料筒内部，料斗紧固在料筒上端，所述陶瓷光固化浆料从料斗流入料筒内；
所述传动机构包括电机和联轴器，所述电机的输出端与所述螺杆连接，用于带动所述螺杆转动，从而挤出或回抽所述陶瓷光固化浆料；
所述光固化机构包括调光器、紫外线灯固定盘和紫外固化灯，紫外固化灯灯源竖直向下安装在所述紫外线灯固定盘中，所述调光器与紫外固化灯相连，用于改变所述紫外固化灯的输出光谱和光强，所述紫外固化灯灯光照射在所述陶瓷光固化浆料细丝上，使其固化成形。
进一步地，该装置还包括散热机构，所述散热机构包括散热风扇和金属散热片，散热风扇和散热片相连，金属散热片安装在步进电机的一侧。
进一步地，该装置还包括料筒支架，其套设在所述料筒上，用于固定所述料筒。
优选地，所述喷嘴直径为0.05mm～5mm。
优选地，所述螺杆(3)与料筒(4)之间的间隙为0.05mm～0.3mm。
按照本发明的另一个方面，提供一种应用所述的基于陶瓷材料的增材制造成形装置的增材制造成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)制备光固化树脂体系；
(2)向所述树脂体系中添加陶瓷粉体并混合均匀，随后在混合均匀的浆料中加入光引发剂，混合均匀制得陶瓷光固化材料浆料；
(3)设置待成形零件的工艺参数，对所述零件的模型进行切片处理，生成切片信息，并转化生成控制步机运行的指令；
(4)将所述陶瓷光固化材料浆料加入料斗中，同时所述电机驱动螺杆从喷嘴挤出所述陶瓷光固化材料，运行步骤中产生的指令，得到所述零件成形的陶瓷坯体；
(5)将所述成形的陶瓷坯体进行脱脂、烧结处理，即可得到所述陶瓷零件。
进一步地，所述陶瓷粉体的体积分数为0vol％～65vol％。
进一步地，所述工艺参数为打印速度、层高或扫描角度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的方法，利用陶瓷浆料具体剪切稀化的特点，制备含光固化树脂的高固相含量的浆料，采用螺杆挤出方式及光固化原理实现陶瓷材料的增材制造。该方法可以均匀连续增材制造陶瓷固含量为0vol％～65vol％的陶瓷光固化浆料，光固化同时成形，解决了目前陶瓷增材制造固含量较低，烧结后致密度较低的问题。
(2)本发明基于陶瓷材料的增材制造成形装置，最终能够成形出高致密度高性能的陶瓷零件，并且制备的陶瓷零件固含量高，烧结后致密度较高。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置的结构示意图。
图1中，1-喷嘴、2-喷嘴连接件、3螺杆、4料筒、5料筒支架、6料斗、7轴承端盖、8支撑板、9轴承、10电机支架、11联轴器、12电机、13散热风扇、14金属散热片、15调光器、16紫外线灯管固定盘、17UV紫外固化灯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所述一种基于陶瓷光固化材料增材制造成形方法的原理是利用螺杆将高固相含量的陶瓷光固化浆料均匀连续挤出，经过光固化后沉积成形。
图1为本发明实施例的一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括以下机构：光固化机构、传动机构、散热机构、挤出回抽机构以及装配机构：
所述光固化机构包括调光器15、紫外线灯管固定盘16、紫外线固化灯17，紫外线固化灯17灯源竖直向下安装在紫外线灯管固定盘16中，紫外线固化灯17和调光器15相连，紫外线灯管固定盘16安装在料筒4的最下端，工作时，紫外线固化灯17，通过所述调光器15可以改变紫外线固化灯17的输出光谱和光强，紫外线固化灯17发出的灯光照射挤出在成形台上的光固化材料细丝，使其固化。
在本发明的优选实施例中，紫外线灯管固定盘16为一系列尺寸，以用于不同大小零件的成形。
如图1所示，所述传动机构包括电机12、联轴器11、电机支架10、支撑板8、轴承9和轴承端盖7，电机12固定在电机支架10上，电机12的输出轴与联轴器11一端相连，轴承9和支撑板8通过过盈配合固定，轴承端盖7安装在支撑板8中心处，螺杆3轴部套进轴承9和轴承端盖7后与联轴器11另一端相连，支撑板8两端安装在料斗6边缘，电机12控制螺杆3正转反转从而挤出或回抽光固化浆料，而切片软件生成的G代码可以不做任何修改直接控制电机12的转向和转速，工作时，步进电机带动螺杆转动挤出光固化材料细丝于成形台上。
所述散热机构包括散热风扇13和金属散热片14，散热风扇13通过螺纹连接的方式和散热片14相连，金属散热片14安装在电机12的一侧；
如图1所示，所述挤出回抽机构包括黄铜喷嘴1、喷嘴连接件2、螺杆3、料筒4、料斗6，黄铜喷嘴1通过喷嘴连接件2和料筒4相连，螺杆3放于料筒4内部，料斗6紧固在料筒4上端，光固化材料从料斗6流入料筒4内。
优选地，所述黄铜喷嘴直径选为0.05mm～5mm。
优选地，螺杆3与料筒4之间的单边间隙选为0.05mm～0.3mm。
所述装配机构指料筒支架5，料筒支架5固定在增材制造设备上，料筒支架5套在料筒4上从而将所述光基于固化材料增材制造挤出装置安装于所述增材制造设备上。
本发明的实施例一种基于陶瓷光固化材料增材制造成形方法，应用上述基于陶瓷光固化材料增材制造成形装置实现，包括如下步骤：
(1)制备光固化树脂体系；
(2)在树脂体系中添加体积分数为0～65vol％的陶瓷粉体并混合均匀，随后在混合均匀的将料中加入光引发剂，混合均匀制得成形用浆料；
(3)设计零件三维模型，将设计的模型数据传递到切片软件中，并在切片软件中设置好合适的工艺参数(如打印速度、层高、扫描角度等)，进而通过切片软件对模型切片处理，生成切片信息，并转化成为控制增材制造设备中X、Y、Z三个轴的电机和所述一种基于光固化材料增材制造挤出装置中电机12运行的代码；
(4)将成形用的高装载量陶瓷光固化材料加入到料斗中，同时使所述一种基于陶瓷光固化材料增材制造挤出装置的电机12转动从喷嘴挤出材料，材料均匀连续挤出后，结束手动控制，运行步骤(3)中产生的代码，直到完成制造过程，得到成形的陶瓷坯体；
(5)将成形的陶瓷坯体进行脱脂、烧结处理，获得密度为99％的陶瓷零件。
在本发明的优选实施例中，所述步进电机选用上海瑞和电子有限公司的42BYGH603AA(保持力矩为600mN·m)；联轴器选购广东省深圳市兴达传动的不锈钢弹性联轴器；轴承选用上海旭集五金的微型轴承；紫外线固化灯选用上海拓贝电子有限公司订制的紫外线灯管；黄铜喷嘴选用0.2mm；其他部件均根据实际情况设计。
基于所述装置的增材制造流程如下步骤：
(1)光固化树脂体系的制备:56～70份预聚体和30～44份稀释剂混合均匀；
(2)在树脂体系中添加体积分数为65vol％的陶瓷粉体并混合均匀，随后在混合均匀的将料中加入4份光引发剂，混合均匀制得浆料；
(3)利用CAD系统设计零件三维CAD模型，将设计的CAD模型数据传递到切片软件中，并在切片软件中设置好合适的工艺参数，进而通过切片软件对CAD模型切片处理，生成切片信息，并转化成为控制FDM打印设备中X、Y、Z三个轴的步进电机和所述方法中电机12运行的G代码；
(4)将成形用的光固化材料加入到料斗中，控制调光器15的光谱输出和光强，同时使所述一种基于光固化材料增材制造方法的电机12带动螺杆3从喷嘴挤出浆料，浆料均匀连续挤出后，结束手动控制，运行步骤(3)中产生的G代码，直到完成制造，得到成形的陶瓷坯体；
(5)将成形的陶瓷坯体进行脱脂、烧结处理，获得密度为99％的陶瓷零件。
本实施例，所述预聚体优选6官聚氨酯丙烯酸酯。
本实施例，所述稀释剂优选三缩丙二醇双丙烯酸酯TPGDA。
本实施例，所述光引发剂优选苯基双氧化膦。
本实施例，所述工艺参数优选为：打印速度6～10mm/s、层高0.12mm～0.15mm、扫描角度45°。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，其特征在于，该装置包括：光固化机构、传动机构以及挤出回抽机构，所述传动机构设于所述挤出回抽机构的一端，用于驱动所述挤出回抽机构旋转，从而挤出或回抽陶瓷光固化浆料，所述光固化机构设于所述挤出回抽机构的另一端，用于固化所述陶瓷光固化浆料，使其成形；
其中，所述挤出回抽机构包括喷嘴(1)、喷嘴连接件(2)、螺杆(3)、料筒(4)及料斗(6)，所述喷嘴(1)通过喷嘴连接件(2)和料筒(4)相连，螺杆(3)设于料筒(4)内部，料斗(6)紧固在料筒(4)上端，所述陶瓷光固化浆料从料斗(6)流入料筒(4)内；
所述传动机构包括电机(12)和联轴器(11)，所述电机(12)的输出端与所述螺杆(3)连接，用于带动所述螺杆(3)转动，从而挤出或回抽所述陶瓷光固化浆料；
所述光固化机构包括调光器(15)、紫外线灯固定盘(16)和紫外固化灯(17)，紫外固化灯(17)灯源竖直向下安装在所述紫外线灯固定盘(16)中，所述调光器(15)与紫外固化灯(17)相连，用于改变所述紫外固化灯(17)的输出光谱和光强，所述紫外固化灯(17)灯光照射在所述陶瓷光固化浆料细丝上，使其固化成形。
2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，其特征在于，该装置还包括料筒支架(5)，其套设在所述料筒(4)上，用于固定所述料筒(4)。
3.根据权利要求2所述的一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，其特征在于，所述喷嘴直径为0.05mm～5mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，其特征在于，所述螺杆(3)与料筒(4)之间的间隙为0.05mm～0.3mm。
5.一种应用权利要求1-4中任一项所述的基于陶瓷材料的增材制造成形装置的增材制造成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(S1)制备光固化树脂体系；
(S2)向所述树脂体系中添加陶瓷粉体并混合均匀，随后在混合均匀的浆料中加入光引发剂，混合均匀制得陶瓷光固化材料浆料；
(S3)设置待成形零件的工艺参数，对所述零件的模型进行切片处理，生成切片信息，并转化生成控制电机(12)运行的指令；
(S4)将所述陶瓷光固化材料浆料加入料斗(6)中，同时所述电机(12)驱动螺杆(3)从喷嘴(1)挤出所述陶瓷光固化材料，运行步骤(S3)中产生的指令，得到所述零件成形的陶瓷坯体；
(S5)将所述成形的陶瓷坯体进行脱脂、烧结处理，即可得到陶瓷零件。
6.根据权利要求5所述的一种基于陶瓷材料的增材制造成形方法，其特征在于，所述陶瓷粉体的体积分数为0vol％～65vol％。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的一种基于陶瓷材料的增材制造成形方法，其特征在于，所述工艺参数为打印速度、层高或扫描角度。
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