CN1075477C - 陶瓷部件快速成型的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷部件快速成型的方法和装置，该方法是首先配制含有陶瓷粉末、分散剂和单体溶液的陶瓷浆料，将浆料放入池中，按部件模型有选择的在浆料上喷上自由基引发剂和催化剂，使陶瓷浆料胶凝，在已胶凝的浆料上刮平一层新的浆料，重复上述过程，直到整个部件坯体建造完毕。将陶瓷坯体预热、保温、使其干燥后继续升温，去除有机物，最后在高温下烧结，即为陶瓷部件成品。利用本发明的方法制备陶瓷部件，准确快速，坯体在烧结过程中不易塌陷。
Description
本发明涉及一种陶瓷部件快速成型的方法和装置，属陶瓷材料技术领域。
自从高技术陶瓷作为一种新型材料问世以来，其应用的广范程度和发展速度都勿需置疑。而陶瓷材料本身固有的高硬度、高耐磨性等优点，却成了陶瓷部件成型、制造和加工中的障碍，对于外形复杂的陶瓷部件，则通常需要较高的模具加工成本、较长的模具加工周期以及较高的后期加工费用。虽然目前出现了一系列新的陶瓷成型工艺，例如凝胶铸模成型(Gelcasting)，直接凝固成型(Direct Coagulation Casting)，可溶性有机模型注浆技术等，但这些新工艺也都是以复杂的模具为基础来进行的，而复杂模具的加工往往需要较长的时间，而且一旦加工完毕，则无法对产品和模具进行修改。这种状况已越来越不能适应目前高科技产品的快速更新换代和日趋激烈的市场竞争。能否采用一种迅速的、准确的陶瓷成型方法，越来越引起全世界研究者的注意。
在近十年中出现在制造领域的快速成型(Rapid Prototyping)技术使得无模具的制造成为可能，这种技术的本质是用积分法制造三维实体，在成型过程中，先由三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型，然后将其用软件“切”出设定厚度的系列片层(几十微米)，再将这些片层的数据信息传递给成型机，通过材料逐层添加法制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。目前在快速成型技术中采用的成型材料主要是蜡、纸、ABS塑料、光固化树脂等，主要用于对产品进行设计验证、评价、性能测试等，部分ABS塑料成型的物体可直接用于产品的使用。现在世界上也有少数几所大学开展了采用陶瓷材料作为成型材料的研究，他们均采用目前已有的快速成型机来进行改造，但是这些成型机的设计思路均是面向蜡、纸、树脂、塑料等材料的，因此在用于陶瓷材料时均会出现各种不易克服的缺陷，例如SLS和3DP的产要缺点是多余的粉料不易去除，SLA和FDM则在坯体中含有高含量的有机物，而高含量的有机物会使陶瓷部件在烧结时易于塌陷。产生这些缺陷的原因在于SLS和3DP采用的成型材料是粉末，而粉末的流动性较差，在成型小的空腔时空腔内的粉末不易清除。SLA和FDM采用液体成型，但均需高含量的有机物进行粘结。
Gelcasting技术是近几年刚出现的一种陶瓷成型方法，是基于传统陶瓷和聚合物化学衍生的合成概念，通过采用高悬浮陶瓷中的有机单体在引发剂作用下的聚合，从而使得陶瓷颗粒原位团聚，形成有一定强度的凝胶固体，在干燥以后，得到高强度的陶瓷坯体。这种方法最大的优点是得到坯体的强度很高(达到3-20MPa)，而有机物含量却很低(4～5wt％)。在这种技术中，引发剂是通过搅拌的方法均匀地使其成型并固化。这种方法仍离不开复杂的模具。
解决上述困难的方法是采用喷墨打印的技术，将引发剂有选择地喷洒到浆料表面的部分区域中，使这一部分区域的一薄层聚合而固化，再借助快速成型的思路，将已固化的这一薄层上再覆盖一层浆料，然后再有选择地喷洒引发剂，如此重复进行，直到整个物体完全固化完毕。
本发明设计的陶瓷部件快速成型的方法，包括下列各步骤：
(1)配制含有陶瓷粉末、分散剂和单体溶液的陶瓷浆料，其比例为：
陶瓷粉末：47.75wt％～78.46wt％
分散剂：0.047wt％～0.94wt％
单体溶液：20.9wt％～52.2wt％
上述分散剂为聚丙烯酸铵或偏六磷酸钠，单体溶液为单官能团单体与交联剂的混合液，单官能团单体与交联剂的重量比为：20～30∶1，单官能团单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或羟甲基丙烯酰胺中的一种或二种相混，交联剂为叉甲基二丙烯酰胺或聚乙烯醇二甲基丙烯酸酯；
(2)将陶瓷浆料填充到浆料池中，按部件模型有选择地在陶瓷浆料上喷上自由基引发剂和催化剂，使陶瓷浆料胶凝，其中的自由基引发剂为过硫酸铵，催化剂为四甲基乙二胺；
(3)在上述已胶凝的浆料上刮平一层新的浆料；
(4)重复上述第二、第三步，直到整个部件坯体建造完毕；
(5)将上述坯体从浆料池中取出，加热至30～70℃，保持1～2天，以去除坯体中的溶剂，并使其干燥；
(6)进一步加热至550℃～650℃，保温1～5小时，以去除有机物；
(7)将上述陶瓷部件按1～3℃/分的升温速度升温至1000℃～1550℃，保温1～5小时，即为陶瓷部件成品。
本发明还设计了陶瓷部件快速成型的装置，该装置包括浆料池、活塞、导轨和喷头。喷头置于浆料池的上方，活塞与导轨相连，并置于浆料池中。
利用本发明的快速成型方法和装置，解决了精细陶瓷部件成型需要周期长、投资大的模具和机加工的问题，使得复杂的陶瓷部件坯体不需任何模具和机械加工过程就能在几天之内准确、快速地完成，所获得的陶瓷坯体由于有机物含量很少而使得在烧结过程中不易塌陷。
附图说明；
图1是本发明设计的快速成型装置的结构示意图。
图2～图5为成型过程示意图。
下面结合附图详细介绍本发明的装置及实施例。
图1～图5中，1是浆料池，2是喷头，3是活塞，4是导轨，5是成型支撑体，6是成型坯体。
本发明提出的用于快速制造陶瓷部件的方法中，需要先配制浆料，浆料中含有陶瓷粉末(例如氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆、羟基磷灰石等)，使陶瓷粉末稳定悬浮于浆料中的分散剂(例如聚丙烯酸铵、偏六磷酸钠、柠檬酸等)以及单体溶液。而单体溶液中则至少含有一种单官能团的单体(例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺等)，一种交联剂(例如叉甲基二丙烯酰胺、聚乙烯醇二甲基丙烯酸酯等)和水基或非水基(例如乙醇等)溶剂。通过CAD造型软件(例如Auto CAD、Pro Engineer等)先在计算机里画出所需制造的部件的三维实体模型，再用切片软件将模型“切”成一系列一定厚度的薄片(50～500μm)，从而得到部件的一系列横截面数据，然后由计算机按照这一系列横截面数据控制三维成型机，将自由基引发剂(例如过硫酸铵)/催化剂(例如四甲基乙二胺)采用喷墨打印技术有选择地喷洒到上面所述的陶瓷浆料的最顶层的部分区域，这个区域即对应所建造物体的某个横截面。最顶层这一区域的浆料中的单体就会在引发剂的作用下聚合和交联，形成一个坚固的聚合物、溶剂及陶瓷粉末凝胶的薄层。然后在这个凝胶的薄层上再覆盖上一层上述的陶瓷浆料，在对应部件下一个横截面的区域喷上前面所述的引发剂/催化剂，而使这一层新的陶瓷浆料中的这些区域的单体聚合、交联，并与前面一层已固化的薄层交联。每一层中喷引发剂/催化剂的部位也就是所要制造的部件在这一层的横截面，末喷洒引发剂/催化剂的部件不能使单体聚合固化，仍然保持溶液状态，可以很容易地在部件制造完后，将其去除(用去离子水清洗)。将这个过程重复执行直至整个部件制造完毕，从而形成一个由连续的层状截面叠加起来的部件，然后将胶凝的部件从末胶凝的浆料中取出，并清洗掉粘附在表面上的多余浆料。然后将其干燥(30～70℃,1～2天)以去除溶剂，再加热(600℃，保温1～5小时)除去其中已经聚合的单体，然后就可以进行常规的陶瓷烧结获得所需要的陶瓷部件。
如图1所示，快速成型装置包括浆料池1、活塞3、导轨4和喷头2。喷头2置于浆料池1的上方，活塞3与导轨4相连，并置于浆料池中。
图2～图5表示了一个成型物体的整个过程。图1表示成型的最初，浆料池活塞上端平面略低于浆料平面一薄层的厚度(50～500μm)，图2表明喷嘴2在这一薄层上扫过并在需要的区域上喷洒了引发剂/催化剂，使这些区域固化，图3～图5表示重复执行的过程。如果建造的物体中出现悬臂结构，则在这些悬臂结构的下边设置成型支撑体5。支撑体是一种结构比较薄脆、易于在成型后去除的结构体。每固化完一层浆料，导轨4带动浆料池活塞3向下移动一薄层距离，新的一层浆料在物体上铺满，然后进行这一层的固化。最后得到成型后的坯体6。
实施例一羟基磷灰石即陶瓷粉1000g，占总重量的48.21wt％，去离子水1000g，丙烯酰胺70g，叉甲基二丙烯酰胺3g，上述三者即单体，其占总重量的51.736wt％，分散剂聚丙烯酸铵1g，占总重量的0.048wt％，球磨24小时混合均匀制成陶瓷浆料；去离子水10g，过硫酸铵0.5g，配成自由基引发剂；去离子水10g，四甲基乙二胺0.5g，配成催化剂；将自由基引发剂和催化剂分别注入到成型机的两个喷头中，在计算机的控制下，有选择地喷洒到上述的陶瓷浆料中，得到直径35mm，高15mm的圆柱状坯体，室温下45℃干燥48小时，管式炉中氧气氛下300℃～600℃按每小时6℃脱去有机物，600℃保温2小时，再按每分钟1℃升温至1200℃保温3小时，炉冷至室温，得到致密的羟基磷灰石块。
实施例二羟基磷灰石即陶瓷粉1000g，占总重量的47.755wt％，去离子水1000g，甲基丙烯酰胺90g，叉甲基二丙烯酰胺3g，上述三者占总重量的52.196wt％，分散剂聚丙烯酸铵1g，占总重量的0.0478wt％，球磨24小时混合均匀制成陶瓷浆料；去离子水10g，过硫酸铵0.5g，配成自由基引发剂；去离子水10g，四甲基乙二胺0.5g，配成催化剂；将自由基引发剂和催化剂分别注入到成型机的两个喷头中，在计算机的控制下，有选择地喷洒到上述的陶瓷浆料中，得到35mm×35mm×15mm的块状多孔坯体，室温下45℃干燥48小时，管式炉中氧气氛下300℃～600℃按每小时6℃脱去有机物，600℃保温2小时，再按每分钟1℃升温至1200℃保温3小时，炉冷至室温，得到多孔的羟基磷灰石块。
实施例三氧化铝即陶瓷粉1000g，占总重量的78.462wt％，去离子水200g，丙烯酰胺70g，叉甲基二丙烯酰胺3g，上述三者占总重量的21.42wt％，分散剂聚丙烯酸铵1.5g，占总重量的 0.118wt％，球磨24小时混合均匀制成陶瓷浆料；去离子水10g，过硫酸铵0.5g，配成自由基引发剂；去离子水10g，四甲基乙二胺0.5g，配成催化剂；将自由基引发剂和催化剂分别注入到成型机的两个喷头中，在计算机的控制下，有选择地喷洒到上述的陶瓷浆料中，得到直径35mm，高15mm的圆柱状坯体，室温下45℃干燥48小时，管式炉中氧气氛下300℃～600℃按每小时6℃脱去有机物，600℃保温2小时，再按每分钟1℃升温至1500℃保温3小时，炉冷至室温，得到致密的氧化铝块。
实施例四氧化锆即陶瓷粉1000g，占总重量的78.125wt％，去离子水160g，羟甲基丙烯酰胺102g，聚乙烯醇二甲基丙烯酸酯6g，上述三者占总重的20.937wt％，分散剂偏六磷酸钠12g，占总重量的0.938wt％，球磨24小时混合均匀制成陶瓷浆料；去离子水10g，过硫酸铵0.5g，配成自由基引发剂；去离子水10g，四甲基乙二胺0.5g，配成催化剂；将自由基引发剂和催化剂分别注入到成型机的两个喷头中，在计算机的控制下，有选择地喷洒到上述的陶瓷浆料中，得到直径35mm，高15mm的圆柱状坯体，室温下45℃干燥48小时，管式炉中氧气氛下300℃～600℃按每小时6℃脱去有机物，600℃保温2小时，再按每分钟1℃升温至1550℃保温2小时，炉冷至室温，得到致密的氧化锆块。
Claims (2)
1、一种陶瓷部件快速成型的方法，其特征在于该方法包括下列各步骤：
(1)配制含有陶瓷粉末、分散剂和单体溶液的陶瓷浆料，其比例为：
陶瓷粉末：47.75wt％～78.46wt％
分散剂： 0.047wt％～0.94wt％
单体溶液：20.9wt％～52.2wt％
上述分散剂为聚丙烯酸铵或偏六磷酸钠，单体溶液为单官能团单体与交联剂的混合液，单官能团单体与交联剂的重量比为：20～30∶1，单官能团单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或羟甲基丙烯酰胺中的一种或二种相混，交联剂为叉甲基二丙烯酰胺或聚乙烯醇二甲基丙烯酸酯；
(2)将陶瓷浆料填充到浆料池中，按部件模型有选择地在陶瓷浆料上喷上自由基引发剂和催化剂，使陶瓷浆料胶凝，其中的自由基引发剂为过硫酸铵，催化剂为四甲基乙二胺；
(3)在上述已胶凝的浆料上刮平一层新的浆料；
(4)重复上述第二、第三步，直到整个部件坯体建造完毕；
(5)将上述坯体从浆料池中取出，加热至30～70℃，保持1～2天，以去除坯体中的溶剂，并使其干燥；
(6)进一步加热至550℃～650℃，保温1～5小时，以去除有机物；
(7)将上述陶瓷部件按1～3℃/分的升温速度升温至1000℃～1550℃，保温1～5小时，即为陶瓷部件成品。
2、一种陶瓷部件快速成型的装置，其特征在于该装置包括浆料池、活塞、导轨和喷头；所述的喷头置于浆料池的上方，活塞与导轨相连，并置于浆料池中。
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