CN109129820A - 一种气动打印制备陶瓷微球装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种气动打印制备陶瓷微球装置和方法。步骤一：将陶瓷粉体、交联剂、去离子水混合均匀形成浆料，并且各组分的质量百分比如下：陶瓷粉体5％‑50％，交联剂0.5％‑2％，其余为去离子水；步骤二：配制固化液，将步骤一中交联剂对应的交联引发剂溶于溶剂中搅拌均匀；步骤三：根据打印要求设置待加工陶瓷微球的工艺参数，包括正压、负压、保压时间、接收距离；步骤四：将按照步骤一形成的浆料转移至针筒中。采用滴落法制备微球一些关键指标如粒径可控、球形度等方面有待进一步的改进。相应地，本领域亟需寻找更为完善的解决方案，以满足日益增长的质量和工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种气动打印制备陶瓷微球装置和方法。
背景技术
陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、耐蚀性好、绝缘性好等优点，在机械、材料、化工、电力、军事等领域得到广泛的应用。陶瓷微球一般呈球状或近似球状。多孔陶瓷微球在多个领域均具有广泛应用如：吸附、催化、骨组织工程、药物输送和生物介质。它们的球形外形提供了良好的机动性、可流动性、高包装密度、易于分离后的再利用。
滴落法是一种最简单的制备陶瓷微球的方法，所制备的陶瓷微球粒径均一，适用材料范围广泛。具体而言，例如CN106422998 A公开了一种滴落法制备毫米级疏水性SiO2气凝胶球的方法，CN101401953 A滴落法制备粒径范围为0.4-4mm的磷酸盐生物陶瓷微球的方法。这些方法靠手动推动注射器或者依靠重力自然滴落，所得到的微球的大小不可控，自动化程度也不高难以实现大规模工业化生产。
采用滴落法制备微球一些关键指标如粒径可控、球形度等方面有待进一步的改进。相应地，本领域亟需寻找更为完善的解决方案，以满足日益增长的质量和工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种气动打印制备陶瓷微球装置和方法。
为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：
一种气动打印制备陶瓷微球装置，包括打印台、喷头，所述喷头竖直设置在打印台上端，所述喷头包括针筒、针头，所述针头设置在针筒下端，所述针筒上端与Z轴固定连接，所述Z轴可以上下移动的设置在支架上，所述支架主体呈“Π”状，所述支架两端可以前后滑动的固定在打印台两侧；所述打印台两端分别设置有气泵、主机，所述主机与打印台连接控制装置运行，所述气泵与喷头通过管道连接，所述连接气泵与喷头的管道上设置有气压控制装置；所述喷头下方对应的打印台上设置有接受装置，所述接受装置一侧设置有喷雾装置，所述喷头将原料喷入接受装置打印制备陶瓷微球。
一种气动打印制备陶瓷微球方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将陶瓷粉体、交联剂、去离子水混合均匀形成浆料，并且各组分的质量百分比如下：陶瓷粉体5％-50％，交联剂0.5％-2％，其余为去离子水；
步骤二：配制固化液，将步骤一中交联剂对应的交联引发剂溶于溶剂中搅拌均匀；
步骤三：根据打印要求设置待加工陶瓷微球的工艺参数，包括正压、负压、保压时间、接收距离；
步骤四：将按照步骤一形成的浆料转移至针筒中，并采用步骤2所示设置的工艺参数打印(靠气动压力挤出)浆料形成液滴滴落；
步骤五：在进行步骤四的同时，液滴下落路径上的喷雾装置喷出固化液，使浆料在滴落的过程中进行预固化，所形成的液滴落入接收容器中进一步固化，形成球形胚体；
步骤六：收集步骤五形成的球形胚体，并经干燥处理和焙烧处理后制成所需的微球产品。
在步骤一中，所述陶瓷粉体为生物陶瓷材料和生物玻璃材料中的一种或几种；所述交联剂优选为海藻酸钠。
在步骤二中，所述固化液优选为CaCl2水溶液。
各组分的质量百分比进一步优选设定如下：陶瓷粉体15％，交联剂0.5％，其余为去离子水。
在步骤四中采用气动压力打出微球，操作简单、便于控制，并且打印的同时喷洒固化液，大大提升固化效果，利于形成微球胚状产品；所述固化剂优选为CaCl2溶液，并且质量分数优选为1％～5％。
在步骤四中，针头内径范围为0.2mm-2mm。
在步骤四中，对于所述液滴打印过程，其打印工艺参数调节范围如下：正压1-100kpa,负压1-20kpa,保压时间1-50ms,滴落距离1-300mm。
在步骤六中，所述干燥处理的条件优选如下：干燥温度25℃，干燥时间24h；所述焙烧处理的条件烧结方式、升降温速率、保温时间没有严格限制，烧结温度高于400℃。
其粒径大小可根据正压、负压、保压时间、滴落距离、干燥过程、烧结制度、针头内部结构的改变而改变。
本发明的有益效果在于：
采用滴落法制备微球一些关键指标如粒径可控、球形度等方面有待进一步的改进。相应地，本领域亟需寻找更为完善的解决方案，以满足日益增长的质量和工艺要求。
通过本发明所构建的工艺方法主要是对正压、负压、保压时间、接收距离、针头内径大小等这些工艺参数进行研究设计，通过调控这些参数，可快速制备出粒径可控、球形度好的陶瓷微球。该方法具有工艺简单、生产效率高、成本低廉、不需要模具等特点，因而能够实现陶瓷微球的大批量生产。
附图说明
下面结合附图和实施案例对本发明做进一步的说明。
图1是按照本发明所构建的气动打印制备陶瓷微球的工艺流程图；
图2是用于示范性显示本发明的浆料气动打印成型的装置示意图；
图3是打印的羟基磷灰石微球宏观形貌。
其中：1.主机，2Z轴，3气泵，4气压控制装置，5针筒，6针头，7喷雾装置，8接收装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参见图1-3。
本发明公开了一种气动打印制备陶瓷微球装置，包括打印台、喷头，所述喷头竖直设置在打印台上端，所述喷头包括针筒5、针头6，所述针头6设置在针筒5下端，所述针筒5上端与Z轴固定连接，所述Z轴可以上下移动的设置在支架上，所述支架主体呈“Π”状，所述支架两端可以前后滑动的固定在打印台两侧；所述打印台两端分别设置有气泵3、主机1，所述主机1与打印台连接控制装置运行，所述气泵3与喷头通过管道连接，所述连接气泵3与喷头的管道上设置有气压控制装置4；所述喷头下方对应的打印台上设置有接受装置8，所述接受装置8一侧设置有喷雾装置7，所述喷头将原料喷入接受装置8打印制备陶瓷微球9。
一种气动打印制备陶瓷微球方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将陶瓷粉体、交联剂、去离子水混合均匀形成浆料，并且各组分的质量百分比如下：陶瓷粉体5％-50％，交联剂0.5％-2％，其余为去离子水；
步骤二：配制固化液，将步骤一中交联剂对应的交联引发剂溶于溶剂中搅拌均匀；
步骤三：根据打印要求设置待加工陶瓷微球的工艺参数，包括正压、负压、保压时间、接收距离；
步骤四：将按照步骤一形成的浆料转移至针筒中，并采用步骤2所示设置的工艺参数打印(靠气动压力挤出)浆料形成液滴滴落；
步骤五：在进行步骤四的同时，液滴下落路径上的喷雾装置喷出固化液，使浆料在滴落的过程中进行预固化，所形成的液滴落入接收容器中进一步固化，形成球形胚体；
步骤六：收集步骤五形成的球形胚体，并经干燥处理和焙烧处理后制成所需的微球产品。
在步骤一中，所述陶瓷粉体为生物陶瓷材料和生物玻璃材料中的一种或几种；所述交联剂优选为海藻酸钠。
在步骤二中，所述固化液优选为CaCl2水溶液。
各组分的质量百分比进一步优选设定如下：陶瓷粉体15％，交联剂0.5％，其余为去离子水。
在步骤四中采用气动压力打出微球，操作简单、便于控制，并且打印的同时喷洒固化液，大大提升固化效果，利于形成微球胚状产品；所述固化剂优选为CaCl2溶液，并且质量分数优选为1％～5％。
在步骤四中，针头内径范围为0.2mm-2mm。
在步骤四中，对于所述液滴打印过程，其打印工艺参数调节范围如下：正压1-100kpa,负压1-20kpa,保压时间1-50ms,滴落距离1-300mm。
在步骤六中，所述干燥处理的条件优选如下：干燥温度25℃，干燥时间24h；所述焙烧处理的条件烧结方式、升降温速率、保温时间没有严格限制，烧结温度高于400℃。
其粒径大小可根据正压、负压、保压时间、滴落距离、干燥过程、烧结制度、针头内部结构的改变而改变。
本发明的使用原理简述如下：
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。
图1是按照本发明所构建的快速挤出制备陶瓷微球的工艺流程示意图。如图中所示，该工艺主要包括下列流程步骤：
首先，对用于执行后续气动3D打印制造微球的浆料配方进行设计。具体而言，可将陶瓷粉体、交联剂、溶剂按各组分的质量百分比设定混合均匀形成浆料。
接着，根据需求设置气动3D打印制造微球的气动3D打印成形设备的工艺参数，包括正压、负压、保压时间、接收距离、针头内径大小等这些工艺参数。
接着，将所配置的浆料转移至气动3D打印成形设备的针桶中,并采用预设的工艺参数，通过电脑软件来打印浆料，所形成的液滴在空气中下落的过程中，由于液体表面张力形成球形液滴。
接着，作为本发明的关键改进，在由于液体表面张力形成微球后，微球继续下落的过程中，使用装有固化液喷雾装置对微球进行喷雾，使其预固化成型。
接着，落入至含有固化剂溶液的接收容器中，完成最后的固化。
最后，收集球形坯体，并经干燥处理和焙烧处理后制成所需的陶瓷微球产品。
更具体地，如图中所示，按照本发明用于气动3D打印制造微球的生产系统主要包括计算机、气压控制器、气泵、针筒、针头、X轴方向传动部件、Y轴方向传动部件、Z轴方向传动部件、含有固化剂溶液的手动喷雾器和含有固化剂溶液的接收容器等。其中计算机作为中央处理系统，用于控制气动3D打印成形设备成型微球工艺参数。
该气动3D打印成形设备的下部为含有固化剂溶液的接收容器，上部配备有针筒以及用于将针筒执行三轴自由运动的传动部件，并且针筒的下部配备有针头。在工作时，气动3D打印成形设备基于计算机所提供的工艺参数，具体操控各个相关部件来实现制备过程，并如上所述地充分运用液体表面张力的作用，形成微球。通过调控正压、负压、保压时间、接收距离、针头内径大小等这些工艺参数，进而得到不同粒径大小、球形度好的微球。
下面将结合具体实施例来进一步解释按照本发明的工作过程。
实施例羟基磷灰石陶瓷微球的制备
(1)将羟基磷灰石粉末、海藻酸钠和去离子水混合均匀形成浆料，其中羟基磷灰石粉末的质量分数含量为15％，海藻酸钠的质量分数含量为0.5％，其余为去离子水。
(2)设置气压控制器的正压、负压、保压时间和接收距离，选择内径为0.6mm的点胶机针头作为打印针头。
(3)将步骤(1)中的浆料转移至针桶中,并按照步骤(2)中的成形参数，进行打印微球。
(4)微球下落的过程中，使用装有固化液的喷雾装置，对微球进行喷雾，使其预固化成型。
(5)微球落入至含有固化剂溶液的接收容器中，完成最后的固化。
(6)陶瓷微球坯体经自然室温干燥和高温焙烧后制成陶瓷微球,干燥温度为室温25℃、干燥时间为24h，焙烧温度为1200℃、保温时间为2h。
制成的陶瓷微球的球形度为0.967，粒径为1.6-1.8mm.
综上，通过本发明所构建的工艺方法主要是对正压、负压、保压时间、接收距离、针头内径大小等这些工艺参数进行研究设计，通过调控这些参数，可快速制备出粒径可控、球形度好的陶瓷微球。该方法具有工艺简单、生产效率高、成本低廉、不需要模具等特点，因而能够实现陶瓷微球的大批量生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种气动打印制备陶瓷微球装置，包括打印台(10)、喷头，其特征在于：所述喷头竖直设置在打印台(10)上端，所述喷头包括针筒(5)、针头(6)，所述针头(6)设置在针筒(5)下端，所述针筒(5)上端与Z轴固定连接，所述Z轴可以上下移动的设置在支架(11)上，所述支架(11)主体呈“Π”状，所述支架两端可以前后滑动的固定在打印台(10)两侧；所述打印台(10)两端分别设置有气泵(3)、主机(1)，所述主机(1)与打印台连接控制装置运行，所述气泵(3)与喷头通过管道连接，所述连接气泵(3)与喷头的管道上设置有气压控制装置(4)；所述喷头下方对应的打印台上设置有接受装置(8)，所述接受装置(8)一侧设置有喷雾装置(7)，所述喷头将原料喷入接受装置(8)打印制备陶瓷微球(9)。
2.一种气动打印制备陶瓷微球方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将陶瓷粉体、交联剂、去离子水混合均匀形成浆料，并且各组分的质量百分比如下：陶瓷粉体5％-50％，交联剂0.5％-2％，其余为去离子水；
步骤二：配制固化液，将步骤一中交联剂对应的交联引发剂溶于溶剂中搅拌均匀；
步骤三：根据打印要求设置待加工陶瓷微球的工艺参数，包括正压、负压、保压时间、接收距离；
步骤四：将按照步骤一形成的浆料转移至针筒中，并采用步骤2所示设置的工艺参数打印(靠气动压力挤出)浆料形成液滴滴落；
步骤五：在进行步骤四的同时，液滴下落路径上的喷雾装置喷出固化液，使浆料在滴落的过程中进行预固化，所形成的液滴落入接收容器中进一步固化，形成球形胚体；
步骤六：收集步骤五形成的球形胚体，并经干燥处理和焙烧处理后制成所需的微球产品。
3.根据权利要求2所述的一种气动打印制备陶瓷微球方法，其特征在于，在步骤一中，所述陶瓷粉体为生物陶瓷材料和生物玻璃材料中的一种或几种；所述交联剂优选为海藻酸钠。
4.根据权利要求2所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，在步骤二中，所述固化液优选为CaCl2水溶液。
5.根据权利要求2所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，各组分的质量百分比进一步优选设定如下：陶瓷粉体15％，交联剂0.5％，其余为去离子水。
6.根据权利要求2所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，在步骤四中采用气动压力打出微球，操作简单、便于控制，并且打印的同时喷洒固化液，大大提升固化效果，利于形成微球胚状产品；所述固化剂优选为CaCl2溶液，并且质量分数优选为1％～5％。
7.根据权利要求2所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，在步骤四中，针头内径范围为0.2mm-2mm。
8.根据权利要求2任意一项所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，在步骤四中，对于所述液滴打印过程，其打印工艺参数调节范围如下：正压1-100kpa,负压1-20kpa,保压时间1-50ms,滴落距离1-300mm。
9.根据权利要求2所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，在步骤六中，所述干燥处理的条件优选如下：干燥温度25℃，干燥时间24h；所述焙烧处理的条件烧结方式、升降温速率、保温时间没有严格限制，烧结温度高于400℃。
10.根据权利要求2所述的一种气动打印制备微球的方法，其特征在于，其粒径大小可根据正压、负压、保压时间、滴落距离、干燥过程、烧结制度、针头内部结构的改变而改变。
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