CN109467386A - 一种快速固化的3d打印陶瓷浆料及打印方法 - Google Patents

一种快速固化的3d打印陶瓷浆料及打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速固化的3D打印陶瓷浆料及打印方法，所述陶瓷浆料由以下重量份的原料组成：高岭土：15‑25份，紫金土：7‑13份，钾长石：15‑25份，锂熔块30‑42份，铁粉：2‑10份，碳酸钡：3‑7份，石英：5‑13份，助剂：25‑33份；打印方法包括以下步骤：（1）将高岭土、紫金土、钾长石、锂熔块、碳酸钡和石英磨细，加入助剂混合均匀后，通入氮气以排除空气，再加入铁粉边通氮气边搅拌，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度≦10ppm；（3）启动3D打印机打印陶瓷初坯，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。

Description

一种快速固化的3D打印陶瓷浆料及打印方法
技术领域
本发明涉及陶瓷浆料的3D打印技术，尤其是涉及一种快速固化的3D打印陶瓷浆料及打印方法。
背景技术
3D打印技术是一种实体快速成型制造技术，它采用离散--堆积原理，综合了计算机图形处理、数字化信息和控制、光机电技术和材料技术等多项技术的优势，通过逐层不同图形的积累，最终形成一个三维物体。随着3D打印技术的发展和应用，材料成为限制3D打印技术未来走向的关键因素之一，在某种程度上，材料的发展决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前3D打印材料主要包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料和食品材料等。
陶瓷3D打印工艺采用的原材料为陶瓷粉末或陶瓷浆料，而成型技术及工艺，目前分为直接成型和间接成型两种成型方法，直接成型采用选择性激光烧结成型，直接得到陶瓷产品，成型速度快，精度高，但能耗高，对材料和打印机的要求高，因而成本高昂，不利于3D打印的大规模推广和使用；间接成型采用高分子材料作为载体对陶瓷颗粒包覆，在打印时进行加热，高分子材料熔融后进行粘结成型，再通过脱脂、排塑、烧结等后续工艺得到陶瓷产品，成型条件温和，成本较低，但后续工艺复杂，成型周期长，且精度较差。
例如，在中国专利上公开的一种用于3D打印的纳米陶瓷浆料及其3D打印成型方法，其公开号为CN105130402A，利用无机粘土的高塑性和粘结性，以无机粘土为粘结剂，将纳米陶瓷颗粒与无机粘土混合，得到用于3D打印的纳米陶瓷浆料，再通过3D打印成型，同时采用激光烧结，借助激光快速加热和冷却的特性，将无机粘土烧结形成纳米级的陶瓷晶粒，并与纳米陶瓷颗粒形成纳米陶瓷产品。
在中国专利上公开的3D打印氧化钛陶瓷浆料及其制备方法，其公开号为CN106699111A，该制备方法包括：1)将高岭土、硅藻土、氧化钛、硼酸、蔗糖、三氧化钼、纳米铝、玻璃纤维和水进行混合，接着进行煅烧以制得煅烧产物；2)将聚偏氟乙烯、甲基纤维素、硅烷偶联剂与煅烧产物进行混合以制得基料；3)将基料进行研磨以制得3D打印氧化钛陶瓷浆料。
发明内容
本发明是为了克服上述现有陶瓷3D打印技术激光烧结成型能耗高、不利于3D打印的推广使用或者粘结成型工艺复杂，成型周期长的问题，提供一种快速固化的3D打印陶瓷浆料及打印方法，无需激光烧结，采用粘结成型，常规条件下可快速固化，工艺简单成型周期短，有效提高陶瓷3D打印效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，由以下重量份的原料组成：
高岭土 15-25份
紫金土 7-13份
钾长石 15-25份
锂熔块 30-42份
铁粉 2-10份
碳酸钡 3-7份
石英 5-13份
助剂 25-33份。
作为优选，所述助剂包括浸润剂10-15份和粘结剂15-18份。
作为优选，所述粘结剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、卡拉胶中的一种或几种。
作为优选，所述浸润剂为氯化钠溶液或氯化钾溶液，所述氯化钠溶液或氯化钾溶液的浓度为0.1-2M。
作为优选，所述浸润剂由氯化钠或氯化钾溶于煮沸过的水中制成。将水煮沸后再配制溶液，可除去水中的空气，从而减少溶液中的氧含量。
作为优选，所述铁粉粒径≦10微米。
采用本发明技术方案，在陶瓷原料中加入高纯铁粉，在水及氧气存在下陶瓷原料内部发生氧化反应放出大量热量，温度升高，加速粘结剂的挥发从而实现快速固化。此外，在水为溶液中加入少量氯化钠或氯化钾可加速铁粉的氧化速率，提高放热量，木岱瓷土吸收部分热量，从而将热量存储于陶瓷浆料内部，降低热损失，最大效率的利用氧化反应产生的热量来加速陶瓷浆料的固化，工艺简单，无需激光成型，在常温常压下实现快速成型，缩短成型周期，节约成本。
一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，包括以下步骤：
（1）将高岭土、紫金土、钾长石、锂熔块、碳酸钡和石英磨细，加入助剂混合均匀后，通入氮气以排除空气，再加入铁粉边通氮气边搅拌，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；
（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度≦10ppm；
（3）启动3D打印机打印陶瓷初坯，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。先将除铁粉意外的原料混合均匀，并通入氮气使溶液中的氮气饱和以排除空气，避免铁粉加入后与氧气快速反应，造成热量损失。随后将铁粉加入并搅拌均匀，再放入3D打印机料槽内，该过程由于铁粉难免与少量氧气接触反应放热，溶液温度有所上升，有利于粘结剂在水中的溶解，从而提高粘结性。当陶瓷浆料从3D打印机料槽中打印出来形成陶瓷初坯，陶瓷初坯暴露在空气中，陶瓷原料的多孔性给氧气进入瓷体内部提供条件，从而与铁粉发生反应放出大量热量，使得陶瓷初坯的内外温度均迅速提高，促进粘结剂的挥发，加速固化，缩短成型周期，工艺条件简单，易于实现，可大规模应用。
作为优选，所述助剂包括浸润剂10-15份和粘结剂15-18份，所述粘结剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、卡拉胶中的一种或几种，所述浸润剂为氯化钠溶液或氯化钾溶液，所述氯化钠溶液或氯化钾溶液的浓度为0.1-2M；所述铁粉粒径≦10微米。
作为优选，步骤（1）中，通入氮气的量使得陶瓷浆料温度为60-96℃。铁粉遇水和氧发生氧化反应放出热能，通过控制氮气的通入量来控制陶瓷浆料中的氧含量，从而实现控制氧化反应速率使陶瓷浆料的温度控制在60-96℃，以提高粘结剂在水中的溶解度，改善浆料的流动性和粘结性能。
作为优选，启动3D打印机在氧浓度≧1000 ppm氛围中打印陶瓷初坯。氧浓度越大，铁粉的氧化速率越快，越有利于陶瓷初坯的温度升高，从而加速粘合剂的挥发，进一步快速固化以缩短成型周期短，提高3D打印的效率。
因此，本发明具有如下有益效果：（1）在常温常压下实现快速成型，缩短成型周期，节约成本；（2）工艺条件简单，易于实现，可大规模应用；（3）提高了粘结剂在水中的溶解度，改善了浆料的流动性和粘结性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。本发明所用试剂均为常规试剂或市购产品。
实施例1：
一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，包括以下步骤：
（1）将高岭土15份、紫金土7份、钾长石15份、锂熔块30份、碳酸钡3份和石英5份磨细，加入浓度为0.1M的氯化钠溶液10份和聚乙二醇15份，混合均匀后，通入氮气以排除空气，再加入粒径为8微米的铁粉2份边通氮气边搅拌，调节氮气通入速率使体系温度达到60℃，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；
（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度为8ppm；
（3）启动3D打印机打印陶瓷初坯，空气中静置1h，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。
实施例2：
一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，包括以下步骤：
（1）将高岭土25份、紫金土13份、钾长石25份、锂熔块42份、碳酸钡7份和石英13份磨细，加入浓度为2M的氯化钾溶液15份和聚乙烯醇18份，混合均匀后，通入高纯氮气以排除空气，再加入粒径为10微米的铁粉10份，边通氮气边搅拌，调节氮气通入速率使体系温度达到96℃，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；
（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度为10ppm；
（3）启动3D打印机在氧浓度为1500 ppm下打印陶瓷初坯，空气中静置30min完成固化过程再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。
实施例3：
一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，包括以下步骤：
（1）将高岭土18份、紫金土8份、钾长石23份、锂熔块38份、碳酸钡5份和石英7份磨细，加入浓度为1M的氯化钾溶液13份和卡拉胶16份混合均匀，通入高纯氮气以排除空气，再加入粒径为5微米的铁粉6份，边通氮气边搅拌，调节氮气通入速率使体系温度达到80℃，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；
（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度为5ppm；
（3）启动3D打印机在氧浓度为1100 ppm下打印陶瓷初坯，静置20分钟完成固化过程，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。
实施例4：
一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，包括以下步骤：
（1）将高岭土20份、紫金土10份、钾长石20份、锂熔块37份、碳酸钡5份和石英8份磨细，加入浓度为1.4M的氯化钾溶液13份以及聚乙烯醇和卡拉胶共17份混合均匀，通入高纯氮气以排除空气，再加入粒径为6微米的铁粉4份，边通氮气边搅拌，调节氮气通入速率使体系温度达到85℃，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；
（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度为6ppm；
（3）启动3D打印机在氧浓度为1300 ppm下打印陶瓷初坯，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。

Claims (10)

1.一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：
高岭土 15-25份
紫金土 7-13份
钾长石 15-25份
锂熔块 30-42份
铁粉 2-10份
碳酸钡 3-7份
石英 5-13份
助剂 25-33份。
2.根据权利要求1所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述助剂包括浸润剂10-15份和粘结剂15-18份。
3.根据权利要求2所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述粘结剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、卡拉胶中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述浸润剂为氯化钠溶液或氯化钾溶液，所述氯化钠溶液或氯化钾溶液的浓度为0.1-2M。
5.根据权利要求4所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述浸润剂由氯化钠或氯化钾溶于煮沸过的水中制成。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述铁粉粒径≦10微米。
7.根据权利要求1所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高岭土、紫金土、钾长石、锂熔块、碳酸钡和石英磨细，加入助剂混合均匀后，通入氮气以排除空气，再加入铁粉边通氮气边搅拌，至铁粉搅拌均匀后得到所述陶瓷浆料；
（2）将陶瓷浆料放置于3D打印机料槽内，所述料槽内氧浓度≦10ppm；
（3）启动3D打印机打印陶瓷初坯，再经后期加工和打磨，得到最终陶瓷产品。
8.根据权利要求7所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，其特征在于，所述助剂包括浸润剂10-15份和粘结剂15-18份，所述粘结剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、卡拉胶中的一种或几种，所述浸润剂为氯化钠溶液或氯化钾溶液，所述氯化钠溶液或氯化钾溶液的浓度为0.1-2M；所述铁粉粒径≦10微米。
9.根据权利要求7或8所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，其特征在于，步骤（1）中，通入氮气的量使得陶瓷浆料温度为60-96℃。
10.根据权利要求7或8所述的一种快速固化的3D打印陶瓷浆料的打印方法，其特征在于，启动3D打印机在氧浓度≧1000 ppm氛围中打印陶瓷初坯。
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