CN108748604A - 光固化陶瓷3d打印设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光固化陶瓷3D打印设备及方法，用控制器控制紫外光源的照射区域，在电脑上设置构件的几何形状，控制光固化区域，配合刮板组件的使用，层层打印，便可以持续打印出Si‑(M)‑N复相陶瓷构件，打印出的Si‑(M)‑N复相陶瓷构件还需要脱脂与陈化烧结，最终得到陶瓷构件。与现有技术相比，本发明实现了Si‑(M)‑N复相陶瓷在基板上成形和持续打印的问题。

Description

光固化陶瓷3D打印设备及方法
技术领域
本发明涉及一种Si-(M)-N复相陶瓷打印技术领域，尤其是涉及Si-(M)-N复相陶瓷构件光固化3D打印设备及方法。
背景技术
光固化成型技术是陶瓷3D打印技术的一种，光固化陶瓷3D打印技术是一种低温3D打印成形的先进陶瓷制备方法，可以在基板上成形复杂的几何形状，可用于制造高性能陶瓷-金属复合的复杂构件。然而，目前的光固化陶瓷打印技术无法使Si-(M)-N复相陶瓷有效地在基板上成形和持续打印。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光固化陶瓷3D打印设备及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光固化陶瓷3D打印设备，用于将前驱体浆料采用紫外光固化的方式打印成Si-(M)-N复相陶瓷构件，包括：
打印料池，底部可被紫外光透过，
紫外线发生装置，设置于打印料池下方，包括紫外光源和位于打印料池和紫外光源之间的掩模，
刮板组件，由架设于打印料池两侧的导轨、位于打印料池上方并与导轨滑动连接的刮板和压滴机构、以及用于驱动刮板和压滴机构沿导轨运动的刮板驱动机构，
浆料贮藏池，与压滴机构连接，
底板机构，设置于打印料池的上方，由与打印料池相对设置的底板本体以及用于驱动底板本体上下运动的底板驱动器组成，
控制器，与紫外发生装置、刮板组件、浆料贮藏池以及底板机构通讯连接。
优选地，所述的压滴机构包括一排设置在刮板上并随刮板运动的浆料滴加头以及与各浆料滴加头连接的浆料泵，所述的浆料贮藏池与浆料泵连接；随刮板运动过程中，浆料滴加头在控制器的控制下将浆料贮藏池内的浆料滴入打印料池中的预设部位，刮板用于将浆料平铺。
优选地，所述的浆料泵为蠕动泵。
优选地，所述的掩模为液晶掩模，在控制器的控制下与紫外光源配合，控制光固化区域。该液晶掩模的工作原理是通过控制液晶分子的转向，形成遮(UV)光部分和透(UV)光部分，从而形成特定的光固化区域。
优选地，所述的打印料池为平底浅池，且底部设有可透过紫外光的离型膜。、优选地，所述的离型膜可以是PE离型膜、PET离型膜、OPP离型膜、FEP离型膜、PC离型膜、PS隔离膜、PMMA离型膜、BOPP离型膜、TPX离型膜、PTFE离型膜、PET离型膜、单硅离型薄膜、聚脂离型薄膜、特氟龙离型薄膜、复合式离型膜、耐高温离型膜、聚乙烯离型膜、复合离型膜等中的一种，通过在基材表面涂硅油或者离型剂获得的该离型膜。
优选地，所述的刮板驱动器为伺服电机，所述的底板驱动器用于驱动底板本体上升或下降到指定位置。
优选地，浆料贮藏池采用避光外壳，并且设有搅拌器。通过上述措施，可以避免浆料的沉降和固化。
光固化陶瓷3D打印方法，采用所述的设备，该方法包括以下步骤：
(I)刮板组件动作，浆料滴加头随刮板运动过程中，在控制器的控制下将浆料贮藏池内的浆料滴入打印料池中的预设部位，刮板将浆料平铺；
(II)底板机构动作，将底板本体下压至平铺的浆料上表面，掩模在控制器的控制下与紫外光源配合，控制光固化区域，进行固化，形成一层固结物；
(III)底板本体复位，并将该层固结物拉出；
(IV)按照步骤(I)～(III)，层层固化，得到Si-(M)-N复相陶瓷构件。
优选地，底板本体下压时，刮板和压滴机构位于压板本体正投影范围外。
本发明打印出的Si-(M)-N复相陶瓷构件还需要进行脱脂与陈化烧结，最终得到烧结构件。
本发明通过压滴机构把浆料贮藏池内的浆料精确少量地滴入打印料池中的预设部位；刮板将少量的液滴铺平。刮板驱动机构和压滴机构的蠕动泵一起通过软件编程，接入控制器(中央打印系统，例如计算机)，保证前一层打印完，底板本体推至安全高度后，刮板组件的压滴机构和刮板依次进行压滴、平铺操作(也就是该过程中压滴机构位于刮板运动方向的前部)。使用刮板组件，可以每次压滴极少量的浆料，然后通过集成控制的刮板刮平，形成极薄的液层。然后，底板本体压下进行固化，重复上述步骤，层层打印，可以更加顺利地打印Si-(M)-N复相陶瓷构件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明用控制器控制紫外光源的照射区域，在电脑上设置构件的几何形状，控制光固化区域，配合刮板组件的使用，层层打印，便可以持续打印出Si-(M)-N复相陶瓷构件，打印出的Si-(M)-N复相陶瓷构件还需要脱脂与陈化烧结，最终得到陶瓷构件，实现了Si-(M)-N(例如Si-(M)-N)复相陶瓷在基板上成形和持续打印的问题。
(2)本发明的采用一排浆料滴加头，可以根据样品形状，在控制器的控制下，将浆料压滴在打印料池的预设部位，并经刮板铺平后形成大致形状，然后再通过掩模精确控制形状，进行打印，打印精度高，并且节省浆料。
(3)液晶掩模的使用，使得每一层固化的区域均可进行有效控制，使得该装置可以打印复杂形状构件。
附图说明
图1为本发明的机构示意图；
图2为采用本发明实施例1固化打印得到的构件的示意图。
图中，1为打印料池，21为紫外光源，22为掩模，31为导轨，32为刮板，33为浆料滴加头，4为底板本体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种光固化陶瓷3D打印设备，如图1所示，用于将前驱体浆料采用紫外光固化的方式打印成Si-(M)-N复相陶瓷构件，包括打印料池、紫外线发生装置、刮板组件、浆料贮藏池和底板机构，其中：
打印料池1底部可被紫外光透过，
紫外线发生装置设置于打印料池1下方，包括紫外光源21和位于打印料池1和紫外光源21之间的掩模22，
刮板组件由架设于打印料池1两侧的导轨31、位于打印料池1上方并与导轨31滑动连接的刮板32和压滴机构、以及用于驱动刮板32和压滴机构沿导轨31运动的刮板驱动机构，
浆料贮藏池与压滴机构连接，
底板机构设置于打印料池1的上方，由与打印料池1相对设置的底板本体4以及用于驱动底板本体4上下运动的底板驱动器组成，
控制器与紫外发生装置、刮板组件、浆料贮藏池以及底板机构通讯连接。
本实施例中的打印料池1一般选择平底浅池，且底部设有可透过紫外光的离型膜。离型膜的使用，使得每次固化的固结物可以在底板复位时附着于底板本体并被拉出，从而不影响下一次固化。
本实施例中紫外线发生装置的掩模22为液晶掩模，在控制器的控制下与紫外光源21配合，控制光固化区域。紫外光源21可以通过许多小紫外灯组成，例如紫外灯阵列，紫外光波长为405nm。
本实施例中的刮板组件中，导轨可以由两根位于打印料池1两侧的导杆组成，刮板32与两根导杆滑动连接，可以选择伺服电机作为刮板驱动器，压滴机构包括一排设置在刮板32上并随刮板32运动的浆料滴加头33以及与各浆料滴加头33连接的浆料泵，浆料贮藏池与浆料泵连接；随刮板32运动过程中，浆料滴加头33在控制器的控制下将浆料贮藏池内的浆料滴入打印料池1中的预设部位，刮板32用于将浆料平铺成极薄的液层。浆料泵可以选择蠕动泵。
本实施例中的浆料贮藏池采用避光外壳，并且设有搅拌器。通过上述措施，可以避免浆料的沉降和固化。
本实施例中的底板驱动器用于驱动底板本体4上升或下降到指定位置，最好运动过程中保持匀速，底板驱动器可以选择伺服电机。
一种光固化陶瓷3D打印方法，采用上述设备，该方法包括以下步骤：
(I)刮板组件动作，浆料滴加头33随刮板32运动过程中，在控制器的控制下将浆料贮藏池内的浆料滴入打印料池1中的预设部位，刮板32将浆料平铺；
(II)底板机构动作，将底板本体4下压至平铺的浆料上表面，掩模22在控制器的控制下与紫外光源21配合，控制光固化区域，进行固化，形成一层固结物；
(III)底板本体4复位，并将该层固结物拉出；
(IV)按照步骤(I)～(III)，层层固化，得到Si-(M)-N复相陶瓷构件。
底板本体4下压时，刮板32和压滴机构位于压板本体4正投影范围外。
本实施例中的控制器(例如计算机)、浆料贮藏池等按照常规设置即可。
总之，本发明通过压滴机构把浆料贮藏池内的浆料精确少量地滴入打印料池1中的预设部位；刮板32将少量的液滴铺平。刮板驱动机构和压滴机构的蠕动泵一起通过软件编程，接入控制器(中央打印系统，例如计算机)，保证前一层打印完，底板本体推至安全高度后，刮板组件的压滴机构和刮板32依次进行压滴、平铺操作(也就是该过程中压滴机构位于刮板运动方向的前部)。使用刮板组件，可以每次压滴极少量的浆料，然后通过集成控制的刮板32刮平，形成极薄的液层。然后，底板本体4压下进行固化，重复上述步骤，层层打印，可以更加顺利地打印Si-(M)-N复相陶瓷构件。
本发明打印出的Si-(M)-N复相陶瓷构件还需要进行脱脂与陈化烧结，最终得到烧结构件。烧结方案包括：在脱脂烧结一体炉内，流量不小于10L/min的氮气气氛下，以3℃/min的升温速率缓慢加热至1200℃，保温0.5小时后进入烧结段，继续升温至1400℃，保温10-15分钟，以5℃/min的速率升温至1700℃，保温2小时后缓慢炉冷得到烧结构件。
采用上述设备和方法打印Si3N4构件，如图2所示，打印制得的构件试样厚度2.5±0.05mm，总长80mm，总宽20mm：经过XRD测试发现，Si3N4陶瓷浆料在打印过程中不受影响。使氮化硅陶瓷打印件在一定条件下进行脱脂与陈化烧结处理，烧成的样品厚度方向变为2.0mm，总长变为52.1mm，总宽13.0mm。由此可以计算，厚度方向的收缩率为80.0％，平面两个方向的尺寸收缩率为65.1％，烧结构件的密度达到理论密度的93.3％(按3.4g/cm3)
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光固化陶瓷3D打印设备，用于将前驱体浆料采用紫外光固化的方式打印成Si-(M)-N复相陶瓷构件，其特征在于，包括：
打印料池(1)，底部可被紫外光透过，
紫外线发生装置，设置于打印料池(1)下方，包括紫外光源(21)和位于打印料池(1)和紫外光源(21)之间的掩模(22)，
刮板组件，由架设于打印料池(1)两侧的导轨(31)、位于打印料池(1)上方并与导轨(31)滑动连接的刮板(32)和压滴机构、以及用于驱动刮板(32)和压滴机构沿导轨(31)运动的刮板驱动机构，
浆料贮藏池，与压滴机构连接，
底板机构，设置于打印料池(1)的上方，由与打印料池(1)相对设置的底板本体(4)以及用于驱动底板本体(4)上下运动的底板驱动器组成，
控制器，与紫外发生装置、刮板组件、浆料贮藏池以及底板机构通讯连接。
2.根据权利要求1所述的光固化陶瓷3D打印设备，其特征在于，所述的压滴机构包括一排设置在刮板(32)上并随刮板(32)运动的浆料滴加头(33)以及与各浆料滴加头(33)连接的浆料泵，所述的浆料贮藏池与浆料泵连接；随刮板(32)运动过程中，浆料滴加头(33)在控制器的控制下将浆料贮藏池内的浆料滴入打印料池(1)中的预设部位，刮板(32)用于将浆料平铺。
3.根据权利要求2所述的光固化陶瓷3D打印设备，其特征在于，所述的浆料泵为蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的光固化陶瓷3D打印设备，其特征在于，所述的掩模(22)为液晶掩模，在控制器的控制下与紫外光源(21)配合，控制光固化区域。
5.根据权利要求1所述的光固化陶瓷3D打印设备，其特征在于，所述的打印料池(1)为平底浅池，且底部设有可透过紫外光的离型膜。
6.根据权利要求1所述的光固化陶瓷3D打印设备，其特征在于，所述的刮板驱动器为伺服电机，所述的底板驱动器用于驱动底板本体上升或下降到指定位置。
7.一种光固化陶瓷3D打印方法，其特征在于，采用权利要求1～6任一所述的设备，该方法包括以下步骤：
(I)刮板组件动作，浆料滴加头(33)随刮板(32)运动过程中，在控制器的控制下将浆料贮藏池内的浆料滴入打印料池(1)中的预设部位，刮板(32)将浆料平铺；
(II)底板机构动作，将底板本体(4)下压至平铺的浆料上表面，掩模(22)在控制器的控制下与紫外光源(21)配合，控制光固化区域，进行固化，形成一层固结物；
(III)底板本体(4)复位，并将该层固结物拉出；
(IV)按照步骤(I)～(III)，层层固化，得到Si-(M)-N复相陶瓷构件。
8.根据权利要求7所述的光固化陶瓷3D打印方法，其特征在于，底板本体(4)下压时，刮板(32)和压滴机构位于压板本体(4)正投影范围外。
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