CN107030853B - 一种桌面级陶瓷制品3d打印成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷制品3D打印技术领域，具体涉及一种桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，在桌面级复合材料3D打印装置上实现的，其工艺过程包括制备原料、打印坯体、溶剂脱脂和制备成品共四个步骤，首先制备出用于打印的氧化铝或氧化锆等复合材料颗粒，再采用喂料挤出式3D打印机进行陶瓷制品坯体的低温3D打印，然后对陶瓷制品坯体进行脱脂‑烧结一体化工艺处理得到成型的陶瓷制品，解决了陶瓷复合材料3D打印行业的技术难题；其原理科学可靠，打印制造成本低，成型方法实用简便，制备效率高，陶瓷制品的精度高，质量好，适用于陶瓷制品的批量化和个性化生产，应用前景广阔，使用环境友好。

Description

一种桌面级陶瓷制品3D打印成型方法
技术领域：
本发明属于陶瓷制品3D打印技术领域，具体涉及一种桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，采用陶瓷复合材料为原料利用3D打印技术打印陶瓷复合材料坯体。
背景技术：
具有数字制造、三维制造、堆积制造、直接制造和快速制造等优点的3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注；中国专利201710076104.4公开的一种用于高分子温控形状记忆树脂材料的3D打印方法包括以下步骤：(1)准备工作：首先确定打印高分子温控形状记忆树脂材料的3D打印参数为填充密度15-55％，打印速度15-65mm/s，喷头温度80-200℃，热床温度18-48℃，直径1.0-1.98mm，挤出量100％，然后预热3D打印机喷头和热床；(2)打印：当3D打印机喷头和热床温度达到设置的要求后，根据所述3D打印参数进行打印；中国专利201710088220.8公开的一种陶瓷金属异质结构3D打印成型制造方法包括以下步骤：一、三维模型建立；二、Si3N4陶瓷料浆的制备；三、Ti金属料浆的制备；四、引发剂的制备；五、输送浆料及打印；六、逐层打印；七、烧结，得到陶瓷金属异质结构件；中国专利201410840236.6公开的一种陶瓷3D打印成型的方法包括以下步骤：(1)构建目标零件的三维模型；(2)分层处理，将分层数据导入制造程序中；(3)制备陶瓷浆料；(4)将配制的陶瓷浆料加入到3D打印机中制得陶瓷快速成型的坯体；(5)将坯体在固化温度下固化10～60min后，置于烘箱中干燥；(6)将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结制得目标零件；上述专利方法采用的FDM型3D打印机一般为线型耗材机器，限制了3D打印技术的发展和应用，尤其限制了陶瓷3D打印设备的研发及耗材的制备，目前，国内外对粘土陶瓷的研究较多，其采用的成型方法为喷墨式3D打印方法，喷墨式3D打印设备存在结构复杂和成型精度低的问题；但是在氧化铝和氧化锆等陶瓷材料3D打印技术方面还处于起步阶段，氧化铝和氧化锆陶瓷基于其高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢的优点被广泛应用于结构陶瓷领域：传统的氧化锆和氧化铝等陶瓷材料主要采取注射成型的方法进行加工制造，然而，对于一些小批量生产或者异形产品(难以脱模)不适用于传统方法进行加工，传统注射成型的方法需要开模，成本较高，在一定程度上限制了氧化锆和氧化铝等陶瓷材料的应用及发展。因此，研发一种桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，利用3D打印技术快速打印复合材料制品，很有科学和应用价性，也具有良好的社会和应用前景。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，利用3D打印技术快速打印陶瓷复合材料坯体，解决目前陶瓷复合材料3D打印的关键性技术难题。
为了实现上述目的，本发明涉及的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法是在桌面级复合材料3D打印装置上实现的，其工艺过程包括制备原料、打印坯体、溶剂脱脂和制备成品共四个步骤：
(1)制备原料：将设定质量份数的陶瓷粉末和粘接剂混合制备得到用于陶瓷坯体3D打印用的混合物料颗粒，完成原料的制备；
(2)打印坯体：开启计算机和复合材料3D打印装置，将计算机中需要打印的文件利用分层软件处理之后导入到复合材料3D打印装置中，将料筒和喷头温度加热到170-190℃，温度为40-50℃的三维运动平台按照计算机设定的运动轨迹在Z方向控制电机、Y方向控制电机和X方向控制电机移动以承接从喷嘴中挤出的陶瓷复合材料溶体，获得陶瓷制品坯体，完成坯体的打印；
(3)溶剂脱脂：将步骤(2)打印的陶瓷制品坯体置于汽油中在60-70℃的条件下进行溶剂脱脂8-12h，然后将陶瓷制品坯体置于温度为60-70℃的干燥箱中进行干燥保温处理5-10h以去除陶瓷制品坯体表面孔隙中的汽油，完成陶瓷制品坯体的溶剂脱脂；
(4)制备成品：将步骤(3)处理后的陶瓷制品坯体放置在真空气压脱脂烧结炉中进行脱脂-烧结一体化工艺处理得到陶瓷制品，脱脂-烧结一体化工艺处理的持续时间为24-28h，最高烧结温度为1400-1700℃，将陶瓷制品置于室温环境下待其自然冷却至室温，得到最终的陶瓷制品，完成成品的制备。
本发明涉及的桌面级复合材料3D打印装置得主体结构包括机架、机头单元和三维运动平台；框架式结构的机架的顶部设置有机头单元，机架的内部设置有矩形板状结构的三维运动平台，机头单元与三维运动平台平行；机架的结构包括Z方向滑轨、Y方向滑轨、X方向滑轨、Z方向控制电机、Y方向控制电机和X方向控制电机；机架的左侧面和右侧面边框内侧分别设置有两根U形槽状结构的Z方向滑轨，在机架的同一侧面边框上的两根Z方向滑轨之间设置有U形槽状结构的Y方向滑轨，两根Y方向滑轨之间设置有U形槽状结构的X方向滑轨，任意两根Z方向滑轨平行，Z方向滑轨与三维运动平台垂直，Y方向滑轨与三维运动平台平行，三维运动平台安装在X方向滑轨的上部，机架的同一侧面边框上的两根Z方向滑轨中的一根Z方向滑轨的底部设置有Z方向控制电机，两根Y方向滑轨中的一根Y方向滑轨的一端设置有Y方向控制电机，X方向滑轨的一端设置有X方向控制电机，Z方向控制电机控制Y方向滑轨在Z方向滑轨中上下滑动，Y方向控制电机控制X方向滑轨在Y方向滑轨中前后滑动，X方向控制电机控制三维运动平台在X方向滑轨中左右滑动；作为核心部件的机头单元的结构包括连接座、喂料口、料筒、法兰盘、输送螺杆、减速器、连杆、电机、流道、喷头、加热圈、转接头、喷嘴接头、罩体、加热棒、锁紧套、加热块、锁紧螺母和喷嘴；中空式矩形结构的连接座的顶部与上宽下窄广口式结构的喂料口螺栓式连接，内空式圆柱形结构的料筒贯穿连接座的中空部分，连接座与料筒之间通过法兰盘固定连接，料筒位于连接座右侧的端部与带有螺纹的输送螺杆连接，输送螺杆的一端伸入料筒内部的长度为240mm，输送螺杆的另一端伸入减速器与减速器机械传动式连接，连接座通过圆柱形结构的连杆与减速器固定连接，减速器与电机机械传动式连接，料筒位于连接座左侧的端部与内部开设流道的矩形结构的喷头连接，连接座与喷头之间的料筒的外侧均匀间隔式包套有3-5个圆环形结构的加热圈，流道的一端与料筒连接，流道的另一端通过圆弧形结构的转接头与圆柱形结构的喷嘴接头固定连接，矩形结构的罩体与喷头螺栓式连接后将转接头和喷嘴接头包覆在罩体中，喷头与罩体之间设置有圆柱形结构的加热棒，喷嘴接头通过锁紧套与罩体固定连接，喷嘴接头与锁紧套焊接式连接后通过高温密封圈进行密封，喷嘴接头伸出罩体的一段外侧包覆有加热块，喷嘴接头的端部通过锁紧螺母与喷嘴固定连接。
本发明涉及的机架、Z方向滑轨、Y方向滑轨、X方向滑轨、连接座、喂料口、料筒、法兰盘和连杆的材质为不锈钢；机头单元为喂料挤出式结构；三维运动平台能够沿上下、左右和前后方向往复移动；Z方向控制电机、Y方向控制电机、X方向控制电机和电机均为步进电机；输送螺杆是采用变螺旋升角方法进行设计的结构部件，具有保证复合材料的有效传输和保压作用，能够有效提高复合材料在3D成型过程中的连续性和稳定性；减速器为多级减速机，减速器用于降低电机的转速，增加电机的转矩；流道采用U形结构，具有保压作用强的特点，流道的形状由大到小进行渐变，保证复合材料溶体能够充足的供给给喷嘴，实现复合材料溶体均匀可控的输送，解决了复合材料溶体自流现象的难题；喷头为了便于U形结构的流道的加工而采用一分为二的对称加工方式制作，对前半喷头和后半喷头进行抛光后通过螺栓紧固前半喷头和后半喷头使其固定连接为喷头；加热圈的作用是对料筒加热；转接头用于连接流道和喷嘴接头；喷嘴接头用于连接喷嘴；罩体用于包覆转接头和喷嘴接头使其与外界环境隔绝，具有保持转接头和喷嘴接头温度的作用；加热棒的作用是对喷头进行加热；锁紧套用于紧固喷嘴接头；加热块的作用是在复合材料溶体从喷头传送到喷嘴的过程使其温度保持一致，防止由于温度的变化使复合材料溶体出现流动性变差的问题而引发喷嘴堵塞的状况；锁紧螺母用于紧固喷嘴；喷嘴的材质为具有耐磨、强度高、大幅度提高成型精度、便于安装和拆卸的碳化硅陶瓷材料，喷嘴的打印精度能够通过调节喷嘴的直径进行调节，实现复合材料坯体的功能化打印成型。
本发明涉及的桌面级复合材料3D打印装置使用时，首先通过加热圈和加热棒分别对料筒和喷头进行加热，使料筒和喷头温度达到复合材料的熔融温度，再从喂料口放入复合材料颗粒，复合材料颗粒通过减速器和电机带动的输送螺杆进行复合材料溶体的传送，当复合材料溶体传送至喷头时，U形结构的流道对复合材料溶体形成恒定的压力防止复合材料溶体出现自流现象，然后，复合材料溶体依次通过流道转接头、喷嘴接头、加热块和锁紧螺母后从喷嘴挤出，Z方向控制电机控制Y方向滑轨在Z方向滑轨中上下滑动，Y方向控制电机控制X方向滑轨在Y方向滑轨中前后滑动，X方向控制电机控制三维运动平台在X方向滑轨中左右滑动，以使从喷嘴中挤出的复合材料溶体层层堆积在三维运动平台上形成复合材料制品的坯体。
本发明涉及的桌面级复合材料3D打印装置能够打印复合材料制品的坯体，复合材料是以金属或陶瓷粉末材料为基体并在基体中加入设定质量和组分的粘结剂形成的混合物料，具有搬运工作用的粘结剂是金属或陶瓷粉末在桌面级复合材料3D打印装置中流动的载体；打印得到的复合材料制品的坯体经过脱脂-烧结一体化工艺能够得到成型的复合材料制品。
本发明步骤(1)涉及的原料的制备方法的工艺过程包括制备混合粉末、辊压、混炼、二次混炼、粉碎和制备混合物料共六个步骤：
(1)制备混合粉末：在温度为60-70℃的条件下将设定质量的PW融化，将融化后的PW与设定质量份数的陶瓷粉末混合搅拌均匀，得到PW与陶瓷粉末的混合粉末，完成混合粉末的制备；
(2)辊压：将电加热开炼机辊的温度升至250-270℃，将PC均分为两份，加入一份PC过辊，辊压均匀，完成辊压；
(3)混炼：将电加热开炼机辊的温度降至170-200℃，加入PP、POM、PLA和另一份PC过辊，将混合粉末均分为两份，然后加入一份混合粉末混炼均匀，最后再加入另一份混合粉末进行混炼，混炼均匀，完成混炼；
(4)二次混炼：将电加热开炼机辊的温度降至60-80℃，加入PE和SA反复过辊8-10次直到混炼均匀，得到陶瓷混合物，完成二次混炼；
(5)粉碎：将陶瓷混合物通过粉碎机进行粉碎，再通过挤出机挤出后进行二次粉碎，得到大小均匀的颗粒状陶瓷混合物，完成陶瓷混合物的粉碎；
(6)制备混合物料：将颗粒状陶瓷混合物放置在温度为45-55℃的干燥箱中干燥8-15h，完成混合物料的制备。
本发明步骤(1)涉及的原料的组分包括质量份数为85-93的陶瓷粉末和质量份数为7-15的粘接剂；其中陶瓷粉末包括氧化锆陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末和氧化铝陶瓷粉末；粘接剂由PW(石蜡)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、POM(聚甲醛)、SAD(硬脂酸)、PLA(聚乳酸)和PC(聚碳酸酯)分别按照质量百分比为20-30％、10-20％、15-20％、15-20％、2-5％、15-25％和5-10％混合构成。
本发明与现有技术相比，首先制备出用于打印的氧化铝或氧化锆等复合材料颗粒，再采用喂料挤出式3D打印机进行陶瓷制品坯体的低温3D打印，然后对陶瓷制品坯体进行脱脂-烧结一体化工艺处理得到成型的陶瓷制品，解决了陶瓷复合材料3D打印行业的技术难题；其原理科学可靠，打印制造成本低，成型方法实用简便，制备效率高，陶瓷制品的精度高，质量好，适用于陶瓷制品的批量化和个性化生产，应用前景广阔，使用环境友好。
附图说明：
图1为本发明的工艺过程流程框图。
图2为本发明涉及的桌面级复合材料3D打印装置的主体结构原理示意图。
图3为本发明涉及的机架的主体结构原理示意图。
图4为本发明涉及的机头单元的主体结构原理示意图。
图5为本发明涉及的输送螺杆的主体结构原理示意图。
图6为本发明涉及的桌面级复合材料3D打印装置的局部结构剖面原理示意图。
图7为本发明步骤(1)涉及的原料的制备方法的工艺流程框图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法是在桌面级复合材料3D打印装置上实现的，其工艺过程包括制备原料、打印坯体、溶剂脱脂和制备成品共四个步骤：
(1)制备原料：将设定质量份数的陶瓷粉末和粘接剂混合制备得到用于陶瓷坯体3D打印用的混合物料颗粒，完成原料的制备；
(2)打印坯体：开启计算机和复合材料3D打印装置，将计算机中需要打印的文件利用分层软件处理之后导入到复合材料3D打印装置中，将料筒22和喷头29温度加热到180℃，温度为45℃的三维运动平台3按照计算机设定的运动轨迹在Z方向控制电机13、Y方向控制电机14和X方向控制电机15移动以承接从喷嘴38中挤出的陶瓷复合材料溶体，获得陶瓷制品坯体，完成坯体的打印；
(3)溶剂脱脂：将步骤(2)打印的陶瓷制品坯体置于汽油中在65℃的条件下进行溶剂脱脂10h，然后将陶瓷制品坯体置于温度为65℃的干燥箱中进行干燥保温处理8h以去除陶瓷制品坯体表面孔隙中的汽油，完成陶瓷制品坯体的溶剂脱脂；
(4)制备成品：将步骤(3)处理后的陶瓷制品坯体放置在真空气压脱脂烧结炉中进行脱脂-烧结一体化工艺处理得到陶瓷制品，脱脂-烧结一体化工艺处理的具体流程为：从室温经过30min升至100℃，再从100℃经过20min升至160℃并保温40min，再从160℃经过35min升至230℃并保温60min，再从230℃经过90min升至320℃并保温120min，再从320℃经过160min升至400℃并保温120min，再从400℃经过200min升至500℃并保温60min，再从500℃经过210min升至1150℃并保温60min，再从1150℃经过60min升至1250℃并保温30min，再从1250℃经过60min升至1350℃并保温30min，再从1350℃经过60min升至1450℃并保温30min，最后从1450℃经过60min升至1550℃并保温30min，将陶瓷制品置于室温环境下待其自然冷却至室温，得到最终的陶瓷制品，完成成品的制备。
本实施例涉及的桌面级复合材料3D打印装置的主体结构包括机架1、机头单元2和三维运动平台3；框架式结构的机架1的顶部设置有机头单元2，机架1的内部设置有矩形板状结构的三维运动平台3，机头单元2与三维运动平台3平行；机架1的结构包括Z方向滑轨10、Y方向滑轨11、X方向滑轨12、Z方向控制电机13、Y方向控制电机14和X方向控制电机15；机架1的左侧面和右侧面边框内侧分别设置有两根U形槽状结构的Z方向滑轨10，在机架1的同一侧面边框上的两根Z方向滑轨10之间设置有U形槽状结构的Y方向滑轨11，两根Y方向滑轨11之间设置有U形槽状结构的X方向滑轨12，任意两根Z方向滑轨10平行，Z方向滑轨10与三维运动平台3垂直，Y方向滑轨11与三维运动平台3平行，三维运动平台3安装在X方向滑轨12的上部，机架1的同一侧面边框上的两根Z方向滑轨10中的一根Z方向滑轨10的底部设置有Z方向控制电机13，两根Y方向滑轨11中的一根Y方向滑轨11的一端设置有Y方向控制电机14，X方向滑轨12的一端设置有X方向控制电机15，Z方向控制电机13控制Y方向滑轨11在Z方向滑轨10中上下滑动，Y方向控制电机14控制X方向滑轨12在Y方向滑轨11中前后滑动，X方向控制电机15控制三维运动平台3在X方向滑轨12中左右滑动；作为核心部件的机头单元2的结构包括连接座20、喂料口21、料筒22、法兰盘23、输送螺杆24、减速器25、连杆26、电机27、流道28、喷头29、加热圈30、转接头31、喷嘴接头32、罩体33、加热棒34、锁紧套35、加热块36、锁紧螺母37和喷嘴38；中空式矩形结构的连接座20的顶部与上宽下窄广口式结构的喂料口21螺栓式连接，内空式圆柱形结构的料筒22贯穿连接座20的中空部分，连接座20与料筒22之间通过法兰盘23固定连接，料筒22位于连接座20右侧的端部与带有螺纹的输送螺杆24连接，输送螺杆24的一端伸入料筒22内部的长度为240mm，输送螺杆24的另一端伸入减速器25与减速器25机械传动式连接，连接座20通过圆柱形结构的连杆26与减速器25固定连接，减速器25与电机27机械传动式连接，料筒22位于连接座20左侧的端部与内部开设流道28的矩形结构的喷头29连接，连接座20与喷头29之间的料筒22的外侧均匀间隔式包套有3-5个圆环形结构的加热圈30，流道28的一端与料筒22连接，流道28的另一端通过圆弧形结构的转接头31与圆柱形结构的喷嘴接头32固定连接，矩形结构的罩体33与喷头29螺栓式连接后将转接头31和喷嘴接头32包覆在罩体33中，喷头29与罩体33之间设置有圆柱形结构的加热棒34，喷嘴接头32通过锁紧套35与罩体33固定连接，喷嘴接头32与锁紧套35焊接式连接后通过高温密封圈进行密封，喷嘴接头32伸出罩体33的一段外侧包覆有加热块36，喷嘴接头32的端部通过锁紧螺母37与喷嘴38固定连接。
本实施例涉及的机架1、Z方向滑轨10、Y方向滑轨11、X方向滑轨12、连接座20、喂料口21、料筒22、法兰盘23和连杆26的材质为不锈钢；机头单元2为喂料挤出式结构；三维运动平台3能够沿上下、左右和前后方向往复移动；Z方向控制电机13、Y方向控制电机14、X方向控制电机15和电机27均为步进电机；输送螺杆24是采用变螺旋升角方法进行设计的结构部件，具有保证复合材料的有效传输和保压作用，能够有效提高复合材料在3D成型过程中的连续性和稳定性；减速器25为多级减速机，减速器25用于降低电机27的转速，增加电机27的转矩；流道28采用U形结构，具有保压作用强的特点，流道28的形状由大到小进行渐变，保证复合材料溶体能够充足的供给给喷嘴38，实现复合材料溶体均匀可控的输送，解决了复合材料溶体自流现象的难题；喷头29为了便于U形结构的流道28的加工而采用一分为二的对称加工方式制作，对前半喷头和后半喷头进行抛光后通过螺栓紧固前半喷头和后半喷头使其固定连接为喷头29；加热圈30的作用是对料筒22加热；转接头31用于连接流道28和喷嘴接头32；喷嘴接头32用于连接喷嘴38；罩体33用于包覆转接头31和喷嘴接头32使其与外界环境隔绝，具有保持转接头31和喷嘴接头32温度的作用；加热棒34的作用是对喷头29进行加热；锁紧套35用于紧固喷嘴接头32；加热块36的作用是在复合材料溶体从喷头29传送到喷嘴38的过程使其温度保持一致，防止由于温度的变化使复合材料溶体出现流动性变差的问题而引发喷嘴38堵塞的状况；锁紧螺母37用于紧固喷嘴38；喷嘴38的材质为具有耐磨、强度高、大幅度提高成型精度、便于安装和拆卸的碳化硅陶瓷材料，喷嘴38的打印精度能够通过调节喷嘴38的直径进行调节，实现复合材料坯体的功能化打印成型。
本实施例涉及的桌面级复合材料3D打印装置使用时，首先通过加热圈30和加热棒34分别对料筒22和喷头29进行加热，使料筒22和喷头29温度达到复合材料的熔融温度，再从喂料口21放入复合材料颗粒，复合材料颗粒通过减速器25和电机27带动的输送螺杆24进行复合材料溶体的传送，当复合材料溶体传送至喷头29时，U形结构的流道28对复合材料溶体形成恒定的压力防止复合材料溶体出现自流现象，然后，复合材料溶体依次通过流道转接头31、喷嘴接头32、加热块36和锁紧螺母37后从喷嘴38挤出，Z方向控制电机13控制Y方向滑轨11在Z方向滑轨10中上下滑动，Y方向控制电机14控制X方向滑轨12在Y方向滑轨11中前后滑动，X方向控制电机15控制三维运动平台3在X方向滑轨12中左右滑动，以使从喷嘴38中挤出的复合材料溶体层层堆积在三维运动平台3上形成复合材料制品的坯体。
本实施例涉及的桌面级复合材料3D打印装置能够打印复合材料制品的坯体，复合材料是以金属或陶瓷粉末材料为基体并在基体中加入设定质量和组分的粘结剂形成的混合物料，具有搬运工作用的粘结剂是金属或陶瓷粉末在桌面级复合材料3D打印装置中流动的载体；打印得到的复合材料制品的坯体经过脱脂-烧结一体化工艺能够得到成型的复合材料制品。
本实施例步骤(1)涉及的原料的制备方法的工艺过程包括制备混合粉末、辊压、混炼、二次混炼、粉碎和制备混合物料共六个步骤：
(1)制备混合粉末：在温度为60-70℃的条件下将设定质量的PW融化，将融化后的PW与设定质量份数的陶瓷粉末混合搅拌均匀，得到PW与陶瓷粉末的混合粉末，完成混合粉末的制备；
(2)辊压：将电加热开炼机辊的温度升至250-270℃，将PC均分为两份，加入一份PC过辊，辊压均匀，完成辊压；
(3)混炼：将电加热开炼机辊的温度降至170-200℃，加入PP、POM、PLA和另一份PC过辊，将混合粉末均分为两份，然后加入一份混合粉末混炼均匀，最后再加入另一份混合粉末进行混炼，混炼均匀，完成混炼；
(4)二次混炼：将电加热开炼机辊的温度降至60-80℃，加入PE和SA反复过辊8-10次直到混炼均匀，得到陶瓷混合物，完成二次混炼；
(5)粉碎：将陶瓷混合物通过粉碎机进行粉碎，再通过挤出机挤出后进行二次粉碎，得到大小均匀的颗粒状陶瓷混合物，完成陶瓷混合物的粉碎；
(6)制备混合物料：将颗粒状陶瓷混合物放置在温度为45-55℃的干燥箱中干燥8-15h，完成混合物料的制备。
本实施例步骤(1)涉及的原料的组分包括质量份数为85-93的陶瓷粉末和质量份数为7-15的粘接剂；其中陶瓷粉末包括氧化锆陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末和氧化铝陶瓷粉末；粘接剂由PW(石蜡)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、POM(聚甲醛)、SAD(硬脂酸)、PLA(聚乳酸)和PC(聚碳酸酯)分别按照质量百分比为20-30％、10-20％、15-20％、15-20％、2-5％、15-25％和5-10％混合构成。

Claims (6)

1.一种桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，其特征在于在桌面级复合材料3D打印装置上实现的，其工艺过程包括制备原料、打印坯体、溶剂脱脂和制备成品共四个步骤：
(1)制备原料：将设定质量份数的陶瓷粉末和粘接剂混合制备得到用于陶瓷坯体3D打印用的混合物料颗粒，完成原料的制备；
(2)打印坯体：开启计算机和复合材料3D打印装置，将计算机中需要打印的文件利用分层软件处理之后导入到复合材料3D打印装置中，将料筒和喷头温度加热到170-190℃，温度为40-50℃的三维运动平台按照计算机设定的运动轨迹在Z方向控制电机、Y方向控制电机和X方向控制电机移动以承接从喷嘴中挤出的陶瓷复合材料溶体，获得陶瓷制品坯体，完成坯体的打印；
(3)溶剂脱脂：将步骤(2)打印的陶瓷制品坯体置于汽油中在60-70℃的条件下进行溶剂脱脂8-12h，然后将陶瓷制品坯体置于温度为60-70℃的干燥箱中进行干燥保温处理5-10h以去除陶瓷制品坯体表面孔隙中的汽油，完成陶瓷制品坯体的溶剂脱脂；
(4)制备成品：将步骤(3)处理后的陶瓷制品坯体放置在真空气压脱脂烧结炉中进行脱脂-烧结一体化工艺处理得到陶瓷制品，脱脂-烧结一体化工艺处理的持续时间为24-28h，最高烧结温度为1400-1700℃，将陶瓷制品置于室温环境下待其自然冷却至室温，得到最终的陶瓷制品，完成成品的制备；所述桌面级复合材料3D打印装置得主体结构包括机架、机头单元和三维运动平台；框架式结构的机架的顶部设置有机头单元，机架的内部设置有矩形板状结构的三维运动平台，机头单元与三维运动平台平行；机架的结构包括Z方向滑轨、Y方向滑轨、X方向滑轨、Z方向控制电机、Y方向控制电机和X方向控制电机；机架的左侧面和右侧面边框内侧分别设置有两根U形槽状结构的Z方向滑轨，在机架的同一侧面边框上的两根Z方向滑轨之间设置有U形槽状结构的Y方向滑轨，两根Y方向滑轨之间设置有U形槽状结构的X方向滑轨，任意两根Z方向滑轨平行，Z方向滑轨与三维运动平台垂直，Y方向滑轨与三维运动平台平行，三维运动平台安装在X方向滑轨的上部，机架的同一侧面边框上的两根Z方向滑轨中的一根Z方向滑轨的底部设置有Z方向控制电机，两根Y方向滑轨中的一根Y方向滑轨的一端设置有Y方向控制电机，X方向滑轨的一端设置有X方向控制电机，Z方向控制电机控制Y方向滑轨在Z方向滑轨中上下滑动，Y方向控制电机控制X方向滑轨在Y方向滑轨中前后滑动，X方向控制电机控制三维运动平台在X方向滑轨中左右滑动；作为核心部件的机头单元的结构包括连接座、喂料口、料筒、法兰盘、输送螺杆、减速器、连杆、电机、流道、喷头、加热圈、转接头、喷嘴接头、罩体、加热棒、锁紧套、加热块、锁紧螺母和喷嘴；中空式矩形结构的连接座的顶部与上宽下窄广口式结构的喂料口螺栓式连接，内空式圆柱形结构的料筒贯穿连接座的中空部分，连接座与料筒之间通过法兰盘固定连接，料筒位于连接座右侧的端部与带有螺纹的输送螺杆连接，输送螺杆的一端伸入料筒内部的长度为240mm，输送螺杆的另一端伸入减速器与减速器机械传动式连接，连接座通过圆柱形结构的连杆与减速器固定连接，减速器与电机机械传动式连接，料筒位于连接座左侧的端部与内部开设流道的矩形结构的喷头连接，连接座与喷头之间的料筒的外侧均匀间隔式包套有3-5个圆环形结构的加热圈，流道的一端与料筒连接，流道的另一端通过圆弧形结构的转接头与圆柱形结构的喷嘴接头固定连接，矩形结构的罩体与喷头螺栓式连接后将转接头和喷嘴接头包覆在罩体中，喷头与罩体之间设置有圆柱形结构的加热棒，喷嘴接头通过锁紧套与罩体固定连接，喷嘴接头与锁紧套焊接式连接后通过高温密封圈进行密封，喷嘴接头伸出罩体的一段外侧包覆有加热块，喷嘴接头的端部通过锁紧螺母与喷嘴固定连接。
2.根据权利要求1所述的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，其特征在于所述机架、Z方向滑轨、Y方向滑轨、X方向滑轨、连接座、喂料口、料筒、法兰盘和连杆的材质为不锈钢；机头单元为喂料挤出式结构；三维运动平台能够沿上下、左右和前后方向往复移动；Z方向控制电机、Y方向控制电机、X方向控制电机和电机均为步进电机；输送螺杆是采用变螺旋升角方法进行设计的结构部件，具有保证复合材料的有效传输和保压作用，能够有效提高复合材料在3D成型过程中的连续性和稳定性；减速器为多级减速机，减速器用于降低电机的转速，增加电机的转矩；流道采用U形结构，具有保压作用强的特点，流道的形状由大到小进行渐变，保证复合材料溶体能够充足的供给给喷嘴，实现复合材料溶体均匀可控的输送，解决了复合材料溶体自流现象的难题；喷头为了便于U形结构的流道的加工而采用一分为二的对称加工方式制作，对前半喷头和后半喷头进行抛光后通过螺栓紧固前半喷头和后半喷头使其固定连接为喷头；加热圈的作用是对料筒加热；转接头用于连接流道和喷嘴接头；喷嘴接头用于连接喷嘴；罩体用于包覆转接头和喷嘴接头使其与外界环境隔绝，具有保持转接头和喷嘴接头温度的作用；加热棒的作用是对喷头进行加热；锁紧套用于紧固喷嘴接头；加热块的作用是在复合材料溶体从喷头传送到喷嘴的过程使其温度保持一致，防止由于温度的变化使复合材料溶体出现流动性变差的问题而引发喷嘴堵塞的状况；锁紧螺母用于紧固喷嘴；喷嘴的材质为具有耐磨、强度高、大幅度提高成型精度、便于安装和拆卸的碳化硅陶瓷材料，喷嘴的打印精度能够通过调节喷嘴的直径进行调节，实现复合材料坯体的功能化打印成型。
3.根据权利要求1所述的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，其特征在于所述桌面级复合材料3D打印装置使用时，首先通过加热圈和加热棒分别对料筒和喷头进行加热，使料筒和喷头温度达到复合材料的熔融温度，再从喂料口放入复合材料颗粒，复合材料颗粒通过减速器和电机带动的输送螺杆进行复合材料溶体的传送，当复合材料溶体传送至喷头时，U形结构的流道对复合材料溶体形成恒定的压力防止复合材料溶体出现自流现象，然后，复合材料溶体依次通过流道转接头、喷嘴接头、加热块和锁紧螺母后从喷嘴挤出，Z方向控制电机控制Y方向滑轨在Z方向滑轨中上下滑动，Y方向控制电机控制X方向滑轨在Y方向滑轨中前后滑动，X方向控制电机控制三维运动平台在X方向滑轨中左右滑动，以使从喷嘴中挤出的复合材料溶体层层堆积在三维运动平台上形成复合材料制品的坯体。
4.根据权利要求1所述的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，其特征在于所述桌面级复合材料3D打印装置能够打印复合材料制品的坯体，复合材料是以金属或陶瓷粉末材料为基体并在基体中加入设定质量和组分的粘结剂形成的混合物料，具有搬运工作用的粘结剂是金属或陶瓷粉末在桌面级复合材料3D打印装置中流动的载体；打印得到的复合材料制品的坯体经过脱脂-烧结一体化工艺能够得到成型的复合材料制品。
5.根据权利要求1所述的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，其特征在于所述步骤(1)涉及的原料的制备方法的工艺过程包括制备混合粉末、辊压、混炼、二次混炼、粉碎和制备混合物料共六个步骤：
(1)制备混合粉末：在温度为60-70℃的条件下将设定质量的PW融化，将融化后的PW与设定质量份数的陶瓷粉末混合搅拌均匀，得到PW与陶瓷粉末的混合粉末，完成混合粉末的制备；
(2)辊压：将电加热开炼机辊的温度升至250-270℃，将PC均分为两份，加入一份PC过辊，辊压均匀，完成辊压；
(3)混炼：将电加热开炼机辊的温度降至170-200℃，加入PP、POM、PLA和另一份PC过辊，将混合粉末均分为两份，然后加入一份混合粉末混炼均匀，最后再加入另一份混合粉末进行混炼，混炼均匀，完成混炼；
(4)二次混炼：将电加热开炼机辊的温度降至60-80℃，加入PE和SA反复过辊8-10次直到混炼均匀，得到陶瓷混合物，完成二次混炼；
(5)粉碎：将陶瓷混合物通过粉碎机进行粉碎，再通过挤出机挤出后进行二次粉碎，得到大小均匀的颗粒状陶瓷混合物，完成陶瓷混合物的粉碎；
(6)制备混合物料：将颗粒状陶瓷混合物放置在温度为45-55℃的干燥箱中干燥8-15h，完成混合物料的制备。
6.根据权利要求1所述的桌面级陶瓷制品3D打印成型方法，其特征在于所述步骤(1)涉及的原料的组分包括质量份数为85-93的陶瓷粉末和质量份数为7-15的粘接剂；其中陶瓷粉末包括氧化锆陶瓷粉末、碳化硅陶瓷粉末和氧化铝陶瓷粉末；粘接剂由PW(石蜡)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、POM(聚甲醛)、SAD(硬脂酸)、PLA(聚乳酸)和PC(聚碳酸酯)分别按照质量百分比为20-30％、10-20％、15-20％、15-20％、2-5％、15-25％和5-10％混合构成。
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