CN107932691A - 一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，利用干粉的层片叠加法进行复杂结构陶瓷材料的致密化制备，既保留了干压法的成型密度和强度，也保留了增材制造的成型精度。该方法通用性强，可制造具有复杂形状及复杂内结构的大型或精密陶瓷件，易于推广，有利于工业化批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料成型技术领域，更具体地，涉及一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其能大大提高增材制造效率，不需要额外支撑，且无需排胶处理。
背景技术
对于复杂结构陶瓷材料的成型技术，传统的方法有注浆法、凝胶注模法、等静压法等等，这些方法在成型复杂结构陶瓷材料时，大部分需要额外的模具，而且需要加入大量的有机物来增加可铸性。工艺较为复杂，有时脱模困难，成本较高。近年来，增材制造技术的发展为实现复杂结构陶瓷材料的制备提供了新的选择。
能够适用于陶瓷材料的增材制造方法虽然已有好几种，但从成型精度方面来考虑，传统的用于有机物的增材制造方法较难在陶瓷材料中通用。有报道称已有部分公司采用光固化技术实现了陶瓷材料的复杂结构成型。光固化成型技术目前主要分为SLA（立体平版印刷）、DLP（数字光处理成型）和LCP（数字屏投影成型）等几大类。SLA技术经历了向上、向下打印的技术之争，料池供料虽然有利于层的快速铺放，但难以避免成型件带出大量多余的打印材料。特别是在陶瓷材料的光固化成型过程中，陶瓷浆料固相含量低时，固化后的成型强度较低，提高固相含量会对后期的成型件余料清理带来不便，且材料浪费比较严重。DLP、LCP成型技术的发展虽提高了成型速率，但在成型陶瓷材料过程中同样存在一定的局限性。
由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，使其能够在不增加成本的前提下，摆脱传统增材制造方法中精度与速度难以兼顾、后续清理未固化浆料的繁杂工序等问题，满足生产的需要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，可有效提高成型坯体密度，大大提高成型效率，不需要额外支撑，能够实现复杂结构陶瓷件的快速增材制造成型。
为实现上述目的，本发明提供了一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
a. 建模：通过软件构建出所需成型的复杂结构三维模型，采用切片程序对三维模型进行切片，得到相应的模块化STL文件；
b. 轮廓化：根据STL文件，在光固化成型机中利用树脂固化构建出上述步骤中复杂结构的层片结构模块的三维轮廓；
c. 铺粉：采用铺粉装置，在光固化机中成型的轮廓层片内铺放相应的陶瓷粉体；
d. 干压：将基板连同铺过粉的层片结构放入压力机下，采用合适的压力进行压制；
e. 剥离：将压制好的层片结构模块从基板上取出，利用各种工具剔除轮廓以外的粉体；
f. 叠压：重复上述步骤，得到复杂结构的全部模块化层片结构后，将制备的陶瓷浆料均匀涂在层片结构的待连接表面，根据模块化顺序依次将各层片结构叠加成完整的三维结构，采用适当压力进行叠压；
g. 烧结：将叠压后的三维结构进行适当干燥或固化处理，放入烧结炉，采用合适的烧结制度冷却后即制得复杂结构陶瓷材料。
具体地，本发明所述的切片程序根据三维模型的结构特征进行不同层厚的切片，实现对复杂结构的模块化解构。
优选地，所述的陶瓷浆料采用与层片结构的粉末相同的陶瓷粉末配制为50-90%固含量的浆料，以免出现层间梯度；也可根据需要采用不同材质制备浆料，实现梯度复杂结构陶瓷材料的制备。
进一步优选地，所述的轮廓化采用商业光固化成型机及商业树脂，构建相应厚度的模块化层片轮廓，厚度以能够夹持为基准。
优选地，所述的陶瓷粉体为经过有机物包覆处理后的陶瓷粉体。所述的陶瓷粉体在每一个层片结构铺粉时可以是同一种陶瓷粉体或多种陶瓷的混合粉体或每一个层片根据需要铺放不同的粉体。
优选地，所述的陶瓷浆料采用手工涂制或其他涂浆方法在模块化层片结构的上表面涂匀，所述陶瓷浆料为可固化浆料体系。
优选地，所述的干燥处理可以是空气中自然干燥，也可以采用其他干燥设备进行或采用固化设备进行。
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，具有以下优点和有益效果：
（1）本发明的复杂结构陶瓷材料增材制造方法，针对现有陶瓷材料增材制造技术的局限性，通过光固化技术、层铺粉技术、干压技术、叠压技术等实现了复杂结构陶瓷材料的流水化增材制造，成型效率高，通用性强，有利于批量化、大型化、工业化生产。
（2）本发明所述的复杂结构陶瓷材料增材制造方法，相比现有的陶瓷材料增材制造方法，没有复杂的浆料清除后续工序，无需对整个结构体进行激光扫描，大大降低了增材制造时间。
（3）本发明所述的复杂结构陶瓷材料增材制造方法，无需额外的排胶工序，工艺参数稳定，操作简便，劳动生产效率高，生产成本低，可成型各种复杂结构，易于推广。
附图说明
图1是本发明的模块化增材制造复杂结构陶瓷材料的工艺流程图。
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。
图1是本发明的模块化增材制造复杂结构陶瓷材料的工艺流程图，如图所示，其包括建模、轮廓化、铺粉、干压、剥离、叠压、烧结。所涉及的陶瓷材料及相关设备均为现存或已有技术，在此不另作更详细的说明。
为更好地解释本发明，以下给出一个具体实施例：
实施例1
a. 建模：在计算机上通过绘图软件构建出所需成型的复杂结构三维模型，根据模型的立体结构特征，采用切片软件程序对三维模型进行切片实现模块化，得到相应的STL文件；
b. 轮廓化：根据a步骤中的STL文件，在商业光固化成型机中利用树脂固化构建出具有一定厚度及高度的上述步骤中复杂结构模块的三维轮廓的层片结构；
c. 铺粉：将光固化机中成型的轮廓层片移出，清洗干净后固化，放在基板上，采用铺粉装置，铺放一定厚度的经包覆处理后的陶瓷粉体；所述的陶瓷粉体在每一个层片结构铺粉时可以是同一种陶瓷粉体或多种陶瓷的混合粉体或每一个层片根据需要铺放不同的粉体；
d. 干压：将基板连同铺放好的层片结构放入压力机下，采用合适的压力进行层片结构的模块化压制；
e. 剥离：利用各种工具剔除轮廓以外的粉体，将压制好的层片模块从基板上取出备用；
f. 叠压：重复上述步骤，得到复杂结构的全部模块化层片结构后，将制备好的陶瓷浆料均匀涂在层片结构的待连接表面，根据模块化切片顺序依次将各层片结构叠加成完整的三维结构，采用适当压力进行叠制，将溢出的多余浆料除去；
g. 烧结：将叠压规整的三维结构进行适当干燥处理或固化处理，放入烧结炉，采用合适的烧结制度冷却后即制得复杂结构陶瓷材料。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实施例而已，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)
1.一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
a. 建模：通过软件构建出所需成型的复杂结构三维模型，采用切片程序对三维模型进行切片实现模块化，得到相应的STL文件；
b. 轮廓化：根据STL文件，在光固化成型机中利用树脂构建并固化出上述步骤中复杂结构的层片结构模块的三维轮廓；
c. 铺粉：采用铺粉装置，在光固化机中成型的轮廓层片内铺放相应的陶瓷粉体；
d. 干压：将基板连同铺放好的层片结构放入压力机下，采用合适的压力进行压制；
e. 剥离：将压制好的层片结构模块从基板上取出，利用各种工具剔除轮廓以外的粉体；
f. 叠压：重复上述步骤，得到复杂结构的全部模块化层片结构后，将制备的陶瓷浆料均匀涂在层片结构的待连接表面，根据模块化顺序依次将各层片结构叠加成完整的三维结构，采用适当压力进行叠制；
g. 烧结：将叠压后的三维结构进行适当干燥或固化处理，放入烧结炉，采用合适的烧结制度冷却后即制得复杂结构陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，所述的切片程序根据三维模型的结构特征进行不同层厚的切片，实现对复杂结构的模块化解构。
3.如权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，所述的陶瓷浆料为50-90%固含量的相同粉体或不同粉体配合有机物而制成。
4.如权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，所述的陶瓷粉体为经过有机物包覆处理后的陶瓷粉体。
5.如权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，所述的陶瓷粉体在每一个层片结构铺粉时可以是同一种陶瓷粉体或多种陶瓷的混合粉体或每一个层片根据需要铺放不同的粉体。
6.如权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，所述的陶瓷浆料采用手工涂制或其他涂浆方法在模块化层片结构的上表面涂匀，所述陶瓷浆料为可固化浆料体系。
7.如权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷材料的增材制造方法，其特征在于，所述的干燥处理可以是空气中自然干燥，也可以采用其他干燥设备进行。
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| CN108892515A (zh) * | 2018-08-03 | 2018-11-27 | 广东工业大学 | 一种光固化氮化硅陶瓷浆料、氮化硅陶瓷及其制备方法 |
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| WO2023221332A1 (zh) * | 2022-05-14 | 2023-11-23 | 苏州大学 | 陶瓷器件 3d 动态成型优化设计方法 |
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- 2017-11-30 CN CN201711238569.1A patent/CN107932691A/zh active Pending
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