CN109435008A - 一种陶瓷坯体3d打印成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷坯体3D打印成型设备，包括：支撑平台，所述支撑平台的内部形成有真空腔室；打印平台，所述打印平台设置在所述真空腔室内，所述打印平台在外力作用沿Z轴方向移动；供料机构，所述供料机构的喷嘴设置在所述真空腔室内部且与所述打印平台相应设置，所述供料机构在外力作用下在XY轴所在平面内移动，用于逐层在所述打印平台上打印原料；加压机构，所述加压机构设置在所述真空腔室内，用于在打印当前层的同时对其进行加压；第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述支撑平台相连，且所述第一驱动机构用于向所述供料机构和所述打印平台提供驱动力。本发明能够有效的提高打印的材料层之间的熔合度，提高了打印制品的自身强度。

Description

一种陶瓷坯体3D打印成型设备

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种陶瓷坯体3D打印成型设备。

背景技术

3D打印属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术即“积层造形法”。

熔融沉积成型是3D打印的一种工艺，其原理是：喷头在计算机控制下作X-Y联动及Z向运动，丝材在喷头中被加热到温度略高于其熔点，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度。热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件。

现有的3D打印机打印出的陶瓷坯体层与层之间不够紧实，融合度不高，因此需要解决此类问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种陶瓷坯体3D打印成型设备，能够打印成型陶瓷坯体，打印出的制品结构紧实，强度高，层与层之间的融合度较高。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明实施例的陶瓷坯体3D打印成型设备，包括：

支撑平台，所述支撑平台的内部形成有真空腔室；

打印平台，所述打印平台设置在所述真空腔室内，所述打印平台在外力作用沿Z轴方向移动；

供料机构，所述供料机构的喷嘴设置在所述真空腔室内部且与所述打印平台相应设置，所述供料机构在外力作用下在XY轴所在平面内移动，用于逐层在所述打印平台上打印原料；

加压机构，所述加压机构设置在所述真空腔室内，用于在打印当前层的同时对其进行加压；

第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述支撑平台相连，且所述第一驱动机构用于向所述供料机构和所述打印平台提供驱动力。

根据本发明实施例的陶瓷坯体3D打印成型设备，在打印当前层的同时对其进行加压，能够有效提高打印出的陶瓷坯体层与层之间的结合性，提高陶瓷坯体的致密毒，提高层与层之间的融合度。

根据本发明的一些实施例，陶瓷坯体3D打印成型设备还包括：

加热装置，所述加热机构设置在真空腔室内，以从打印第二层开始直至打印结束，在打印当前层的同时，对当前层的下一层材料进行激光加热。通过对下层进行加热，能够使得当前层与下一层更好地融合，进一步提高打印出的陶瓷坯体层与层之间的结合性。

可选地,所述供料机构通过CoreXY结构在XY轴所在平面内移动，其包括：

料筒，所述料筒的一端形成有喷嘴，另一端设置有进料口；

螺杆，所述螺杆设置在所述料筒内部；

第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述螺杆相连，并带动所述螺杆在所述料筒内旋转以将所述原料在所述喷嘴挤出。

可选地，所述供料机构还包括：

加热部件，所述加热部件套设在所述料筒的外周用于对料筒内的原料加热；

温度检测部件，所述温度检测部固定在所述料筒上，其一端伸入所述料筒内，用于检测所述料筒内的原料的温度。

进一步地，陶瓷坯体3D打印成型设备还包括：

温度控制器，所述温度控制器与所述加热部件及所述温度检测部件相连。

更进一步地，陶瓷坯体3D打印成型设备还包括：

控制装置，所述控制装置与所述温度控制器、所述加热机构、所述加压机构、第一驱动机构和所述第二驱动机构相连；

电源，所述电源与所述控制装置、所述温度控制器、所述加热机构、所述加压机构、第一驱动机构、所述加热部件和所述第二驱动机构相连。优选地，所述第一驱动机构与所述第二驱动机构均为步进电机。

根据本发明的一些实施例，所述真空腔室内设有第一固定平台，所述第一固定平台上设有滑块，所述供料机构、所述加热机构和所述加压机构固定在所述滑块上。

进一步地，所述第一驱动机构为两个，两个所述第一驱动机构分别驱动所述供料机构在X Y轴所在的平面上移动,所述真空腔室内设有第二固定平台，所述打印平台安装在所述第二固定平台上，所述第二固定平台的两端分别与两个所述第一驱动机构相连并带动所述打印平台在Z轴方向上移动。

更进一步地，所述第一驱动机构上的输出轴连接有丝杆，所述丝杆与所述第二固定平台垂直设置并与所述第二固定平台螺纹连接。

更进一步地，所述第一驱动机构与所述丝杆通过联轴器连接。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

1)根据本发明实施例的陶瓷坯体3D打印成型设备采用真空打印平台，减少空气以及空气中的杂质对打印制品质量和精度的影响，提高打印的效率；

2)设置加热机构，使正在打印层的材料与上一层的粘结更加紧密，提高打印制品的强度和打印精度；

3)采用加压加压机构，全面提高制件的强度、韧性、疲劳寿命及可靠性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的陶瓷坯体3D打印成型设备的结构示意图；

图2为本发明实施例的供料机构的结构示意图。

附图标记：

陶瓷坯体3D打印成型设备100；

支撑平台10；真空腔室11；第一固定平台12；第二固定平台13；

供料机构20；料筒21；螺杆22；第二驱动机构23；喷嘴24；加热部件25；温度检测部件26；

打印平台30；加热床31；钢化玻璃32；

加热机构40；

加压机构50；

第一驱动机构60；丝杆61；联轴器62；

温度控制器70；

控制装置80；

电源90。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的陶瓷坯体3D打印成型设备100。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的陶瓷坯体3D打印成型设备100括支撑平台10、供料机构20、打印平台30、加压机构50和第一驱动机构60。

具体地，支撑平台10的内部形成有真空腔室11。供料机构20设置在真空腔室11内部，并在外力作用下沿XY轴所在平面上移动，用于提供原料。打印平台30设置在真空腔室11内并与供料机构20的喷嘴24相对设置，打印平台30在外力作用沿Z轴方向移动。加压机构50设置在真空腔内，用于在打印当前层的同时对其进行加压。第一驱动机构60与支撑平台10相连，且第一驱动机构60用于向供料机构20和打印平台30提供驱动力。

也就是说，供料机构20、打印平台30、和加压机构50均设置在支撑平台10的真空腔室11内，使整个打印过程在真空环境下完成，减少空气以及空气中的杂质对陶瓷制品质量和精度的影响。打印时，首先进行抽真空，然后将打印平台30预热到50-90℃，此后向供料机构20内部添加原料，原料经过供料机构20处理例如通过对原料进行加热使颗粒或粉末状的原料熔化为流变体。第一驱动机构60驱动打印平台30，使其沿Z轴向上移动至供料机构20喷嘴24所对应的位置，当打印平台30到达指定位置，第一驱动机构60驱动供料机构20在XY轴所在的平面上移动，流变体经过供料机构20的喷嘴24挤出并打印到打印平台30上的同时，加压机构50与喷嘴24同步移动对材料层进行振动并加压使当前层得到夯实，提高材料层之间的粘结度和熔合度，进而提高陶瓷制品的强度、韧性、疲劳寿命及可靠性。

此外，该陶瓷坯体的3D打印成型设备100还可以包括加热机构40。从打印第二层开始，与打印同步地，加热机构40对当前层的下一层进行激光加热，由此提高层与层之间的熔合度，使层与层之间粘结更加紧密，提高陶瓷制品的强度和打印精度。每打印一层材料后，打印平台30向下移动相应的材料层厚度的距离，接着打印下一层，逐层打印直至打印结束，得到陶瓷坯体。

综上可知，使用该陶瓷坯体的3D打印成型设备100，能够有效的提高打印的材料层之间的熔合度，提高了陶瓷制品的自身强度、韧性以及打印的精度。

其中,供料机构20可以通过CoreXY结构在XY轴所在平面内移动，供料机构20包括料筒21、螺杆22和第二驱动机构23，料筒21的一端形成有喷嘴24，另一端设置有进料口，螺杆22设置在料筒21内部，第二驱动机构23与螺杆22相连，并带动螺杆22在料筒21内旋转以将原料通过喷嘴24挤出。

也就是说，供料机构20通过CoreXY结构的运动方式，即通过两个电机同时控制XY的移动，左右两个电机同向的时候，往X轴移动，两个电机反向的时候往Y轴移动。由于CoreXY结构的运动方式是常知的技术，本领域的技术人员很容易理解，因此不再详细描述。

供料机构20包括用于装载原料的料筒21，料筒21内部设有螺杆22，螺杆22与第二驱动机构23相连，当第二驱动机构23运转时，带动螺杆22在料筒21内旋转，进而使原料从料筒21一端的喷嘴24挤出，该结构简单，能耗低，出丝率高、喷头不易堵塞，容易挤出耗材。

优选地，供料机构20还包括加热部件25和温度检测部件26，加热部件25套设在料筒21的外周用于对料筒21内的原料加热，温度检测部件26固定在料筒21上，其一端伸入料筒21内，用于检测料筒21内的原料的温度。

换句话说，料筒21内的原料，通过套设在料筒21外周的加热部件25进行加热以使其中的有机粘结剂熔融，与陶瓷颗粒形成流变体，便于供料机构20将料浆挤出，提高出丝率，喷嘴24不易堵塞，且打印层之间能够更好的熔合。此外，加热时为了避免原料的温度过高或过低影响原料的效果，采用温度检测部件26对料筒21内的原料温度进行检测和测量，优选地，其温度控制在80～220摄氏度，需要时可根据需要进行调节，其中，温度检测部件26可以为测温热电偶，如K型热电偶。

可选地，打印平台30包括加热床31以及承载原料的钢化玻璃32。其中，钢化玻璃的大小可以为400mm*400mm*5mm，采用加热床31对打印后的材料层进行加热，更有利于打印后的材料层之间的熔合。

可选地，真空腔室11内设有第一固定平台12，第一固定平台12上设有滑块，供料机构20、加热机构40和加压机构50固定在滑块上，第一驱动机构60为两个，两个第一驱动机构60分别驱动供料机构20在X Y轴所在的平面上，该结构更有利于实现CoreXY结构的运动方式，该结构的打印更加精准。

可选地，真空腔室11内设有第二固定平台13，打印平台30安装在第二固定平台13上，第二固定平台13的两端分别与两个第一驱动机构60相连并带动打印平台30在Z轴方向上移动。也就是说加热床31及钢化玻璃32固定在第二固定平台13上，第二固定平台13与两个第一驱动机构60相连，并在两个第一驱动机构60的带动下沿Z轴上下移动，进而实现了3D打印。

优选地，第一驱动机构60上的输出轴连接有丝杆61，丝杆61与第二固定平台13垂直设置并与第二固定平台13螺纹连接，第一驱动机构60与丝杆61通过联轴器62连接。

也就是说，通过丝杆61与第二固定平台13螺纹连接，随着丝杆61的正方和反向旋转进而带动第二固定平台13上下运动，实现了打印平台30的上下运动，该结构简单，且容易操作。

可选地，陶瓷坯体的3D打印成型设备100，还包括温度控制器70、控制装置80和电源90，温度控制器70与加热部件25及温度检测部件26相连，控制装置80与温度控制器70、加热机构40、加压机构50、第一驱动机构60和第二驱动机构23相连，电源90与控制装置80、温度控制器8070、加热机构40、加压机构50、第一驱动机构60、加热部件25和第二驱动机构23相连。

也就是说，通过温度控制器70对加热部件25的温度智能控制，可根据需要设定加热部件25的预设温度，当原料未达到预设温度时，加热部件25继续加热，当达到预设温度时停止加热，进而确保原料不会因为温度过高而损坏。采用控制装置80对温度控制器70以及本发明的各个电子部件进行智能控制，以实现打印机的智能化，由于控制装置80的具体结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

优选地，第一驱动机构60与第二驱动机构23均为步进电机，采用不进电机驱动更加稳定，挺高打印的精准性。

总之，使用该陶瓷坯体的3D打印成型设备100，能够有效的提高打印的材料层之间的熔合度，提高了陶瓷制品的自身强度、韧性以及打印的精度。

下面以对本发明的陶瓷坯体3D打印成型设备100的陶瓷坯体的3D打印成型方法进行描述。

陶瓷坯体的3D打印成型方法，包括如下步骤：

步骤1，使打印平台30处于真空环境。

具体地，如图1-图2所示设置支撑平台10，支撑平台10内部形成腔室，打印平台30至于该腔室内，通过抽真空形成真空腔室,以在该真空腔室中进行3D打印处理。

步骤2，预热所述打印平台30。

具体的预热温度可以设置为例如50-90℃。通过预热该打印平台，当在其上打印原料时，能够和原料之间更好地结合，以避免由于接触界面的温度差产生的收缩导致破裂等。

步骤3，打印原料，以在打印平台30上逐层叠所述原料。

也就是说，第一层原料打印在打印平台30上，本层打印结束后，自第二层开始，一层层叠加打印在之前一层上，逐层打印，直至打印任务结束，形成陶瓷坯体。

其中，陶瓷坯体的原料包含陶瓷粉和有机粘结剂。

可以对原料进行预处理。例如，所述步骤3可以具体包括如下步骤：

步骤31，将所述陶瓷粉和所述有机粘结剂在100-230℃的混合机上共混60-120分钟，得到共混料。

优选地，所述陶瓷粉占所述共混料的70-90wt％。高的固相含量将有利于提高成型的坯体的致密度和强度。所述陶瓷粉可以为氧化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化铝、氧化锆、莫来石、堇青石、或其混合物。

在所述共混料中，作为所述有机粘结剂，包含：高聚物粘结剂1.5～9wt％；表面活性剂0.2～1.8wt％；石蜡类粘结剂3～20wt％。含有表面活性剂有利于提高陶瓷颗粒的分散性，含有石蜡有利于提高原料的挤出性能，高聚物粘结剂发挥载体的作用。关于具体的高聚物粘结剂的组成没有限制，可以为聚丙烯PP、高密度聚乙烯HDPE、低密度聚乙烯LDPE、乙烯醋酸乙烯酯共聚物EVA、聚苯乙烯PS、丙烯酸树脂AR中的一种或几种的组合；所述表面活性剂可以为硬脂酸SA或油酸OA；所述石蜡类粘结剂剂为石蜡、蜂蜡、巴西棕榈蜡中的一种或几种的组合。

步骤32，将所述共混料冷却后进行粉碎或造粒，得到粒径为3-5mm的颗粒料。具体粉碎方法或造粒方法没有特殊的限制，可以为本领域常规的方法。

步骤33，打印所述颗粒料，以使其在打印平台30上层叠。

优选地，在打印之前可以对所述原料(以下所称原料，除非特别说明，包括处理前的原料，也包括处理过后得到的颗粒料)进行加热，以促进打印后的层与层之间相互熔合，所述加热的温度控制在80～220℃之间。

具体地，可以将供料机构放置在真空腔室内，供料机构可以采用CoreXY(这种描述是否为同行内认可)结构的运动方式，在打印之前对供料机构内的原料进行加热，使其中的有机粘结剂熔化从而与陶瓷粉一起形成流变体，便于通过供料机构20挤出及持续供料。第一驱动机构60带动供料机构20和打印平台30通过CoreXY结构的运行方式完成3D打印。更具体的，供料机可以是螺杆进料挤出机，关于其具体结构，后面进行详细描述。

关于具体的原料供料机构没有特殊的限制，优选地，所述原料通过螺杆进料挤出机打印到所述打印平台上。

步骤4，打印当前层的同时，对其进行加压。

在每一层打印时，可以通过激振器或压电马达进行加压，由此能够提高陶瓷制品的密度，促进层与层之间的粘结和更加紧实，由于激振器或压电马达属于微区加压，因此加压时激振器或压电马达跟随供料机构的喷嘴进行移动，以对上、下的材料层进行有效的振实，提高材料层之间的紧密性。

步骤5，逐层打印直至打印结束，得到陶瓷坯体。

上述得到的陶瓷坯体，经过排蜡、烧结，即可得到陶瓷制品。

其中，排蜡的过程为将陶瓷坯体放在55-60℃的干燥箱内，将陶瓷坯体中蜡及其他粘结剂熔化，形成液体流出，进一步将排蜡后的陶瓷坯体以升温速率为以3～5℃/min的升温速率升温至500-700℃，保温1-2h，再以3～5℃/min的升温速率升温至1100～1500℃保温1～2h后冷却。所得到的陶瓷具有较高的强度和精度。

为了进一步提高层与层之间的熔合，还可以包括如下步骤：

步骤6，从打印第二层开始直至打印结束，在打印当前层的同时，对当前层的下一层材料进行激光加热。

从第二层开始，通过对当前层的下一层材料的加热可以有效的使上一层材料与下一层材料的熔合，提高陶瓷制品的强度。加热的温度控制在80～220℃之间，该温度可以使陶瓷颗粒熔融，以便于于刚打印出来的当前层更好地熔合。

本发明中激光加热属于微区加热，当激光对打印平台上的材料层进行加热时，激光跟随供料机构的喷嘴移动，以实现对材料层的上一层材料层与下一层材料层有效的熔合。

也就是说，在打印原料的同时，对当前打印下来的材料进行加压使得当前层能够更致密，并对此前一层的材料进行加热以便使该前一层与当前层能够更好的热熔合。进一步地，通过对打印的原料进行加热，并对此前一层材料同时使用激光加热，能够使得层与层之间有效熔合，提高陶瓷坯体的致密度，有效消除分层的风险。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，包括：

支撑平台，所述支撑平台的内部形成有真空腔室；

打印平台，所述打印平台设置在所述真空腔室内，所述打印平台在外力作用沿Z轴方向移动；

供料机构，所述供料机构的喷嘴设置在所述真空腔室内部且与所述打印平台相应设置，所述供料机构在外力作用下在XY轴所在平面内移动，用于逐层在所述打印平台上打印原料；

加压机构，所述加压机构设置在所述真空腔室内，用于在打印当前层的同时对其进行加压；

第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述支撑平台相连，且所述第一驱动机构用于向所述供料机构和所述打印平台提供驱动力。

2.根据权利要求1所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，还包括：

加热装置，所述加热机构设置在真空腔室内，以从打印第二层开始直至打印结束，在打印当前层的同时，对当前层的下一层材料进行激光加热。

3.根据权利要求2所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于,所述供料机构通过CoreXY结构在XY轴所在平面内移动，其包括：

料筒，所述料筒的一端形成有喷嘴，另一端设置有进料口；

螺杆，所述螺杆设置在所述料筒内部；

第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述螺杆相连，并带动所述螺杆在所述料筒内旋转以将所述原料在所述喷嘴挤出。

4.根据权利要求3所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，所述供料机构还包括：

加热部件，所述加热部件套设在所述料筒的外周用于对料筒内的原料加热；

温度检测部件，所述温度检测部固定在所述料筒上，其一端伸入所述料筒内，用于检测所述料筒内的原料的温度。

5.根据权利要求4所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，还包括：

温度控制器，所述温度控制器与所述加热部件及所述温度检测部件相连。

6.根据权利要求5所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，还包括：

控制装置，所述控制装置与所述温度控制器、所述加热机构、所述加压机构、第一驱动机构和所述第二驱动机构相连；

电源，所述电源与所述控制装置、所述温度控制器、所述加热机构、所述加压机构、第一驱动机构、所述加热部件和所述第二驱动机构相连。

7.根据权利要求2所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，所述真空腔室内设有第一固定平台，所述第一固定平台上设有滑块，所述供料机构、所述加热机构和所述加压机构固定在所述滑块上。

8.根据权利要求7所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，所述第一驱动机构为两个，两个所述第一驱动机构分别驱动所述供料机构在X Y轴所在的平面上移动,所述真空腔室内设有第二固定平台，所述打印平台安装在所述第二固定平台上，所述第二固定平台的两端分别与两个所述第一驱动机构相连并带动所述打印平台在Z轴方向上移动。

9.根据权利要求8所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，所述第一驱动机构上的输出轴连接有丝杆，所述丝杆与所述第二固定平台垂直设置并与所述第二固定平台螺纹连接。

10.根据权利要求9所述的陶瓷坯体3D打印成型设备，其特征在于，所述第一驱动机构与所述丝杆通过联轴器连接。