CN109476551A - 陶瓷物体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的某些实施例涉及用于制造来源于3D打印陶瓷结构的陶瓷物体的方法。所述方法包括：使3D打印陶瓷结构碳化。这样的使3D打印陶瓷结构碳化可以包括：通过以下方式将碳结合的网络引入到3D打印陶瓷结构中：用碳前体浸渍和/或涂覆3D打印陶瓷结构，或使用包含碳前体的陶瓷打印介质打印3D打印陶瓷结构。将所得包含碳前体的3D打印陶瓷结构热解以在3D打印陶瓷结构之内/周围形成碳结合的网络。

Description

陶瓷物体及其制造方法
技术领域
本公开的实施例涉及陶瓷物体以及用于制备陶瓷物体的方法。一些实施例涉及用于制造来源于3D打印陶瓷结构的陶瓷物体的方法，但是不影响前述内容。某些具体实施例涉及制造包括陶瓷过滤器的用于金属过滤的铸造过滤器的方法，以及根据这样的方法制造的用于金属过滤的陶瓷铸造过滤器。
背景技术
3D打印，也称为增材制造，是众所周知的用于制造物体的技术。3D打印技术包括多种不同的技术和过程，其使用不同的打印材料，以用于合成三维物体。典型地，在3D打印中，在计算机控制下形成连续的材料层，例如基于虚拟3D模型或CAD设计，这可以实现创造具有几乎任何形状或几何结构的物体。
典型地，为了通过3D打印形成陶瓷物体，初始陶瓷结构/模型是通过3D陶瓷打印机打印的3D。然后，3D打印陶瓷结构需要被烧制以将3D打印陶瓷结构烧结(例如，熔融/玻璃化/凝固)，由此形成所得陶瓷物体。然而，常规的3D打印陶瓷结构可能需要高的烧制温度(例如，1700℃的量级)以形成所得陶瓷物体。由于这样的高烧制温度，3D打印陶瓷结构在烧制过程期间收缩，并且可能经历不对称形变或甚至破裂。因此，所得陶瓷物体，即来源于烧制的3D打印结构的陶瓷物体，可能具有差的网形和低的相对于预烧制的3D打印结构的初始形状/尺寸的保真度(fidelity)。
此外，这样的高烧制温度可能由于所需的高等级设备(即高温窑)以及还由于所需的能耗而增加制造成本。此外，高烧制温度可能由于达到所需高温而需要的时间以及之后的冷却时间而增加制造生产时间。
本说明书中对任何在先公布的文件或任何背景技术的列举或讨论不应必须认为承认所述文件或背景技术是现有技术的一部分或是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例可以或可以不解决背景技术问题中的一个或多个。
概述
根据本公开的至少一些实施例，提供了一种用于制造来源于3D打印陶瓷结构的陶瓷物体的方法，所述方法包括：使所述3D打印陶瓷结构碳化。
根据本公开的至少一些实施例，提供了一种用于形成3D陶瓷结构的方法，所述方法包括：创建包含碳前体的3D打印陶瓷结构。
所述方法可以用于制造陶瓷过滤器，如用于金属过滤的陶瓷铸造过滤器，其来源于通过3D陶瓷打印机打印的陶瓷过滤器结构。
根据本公开的至少一些实施例，提供了：根据上述方法的任一种制造的装置、陶瓷物体和/或陶瓷铸造过滤器。
根据本公开的至少一些实施例，提供了如在所附权利要求中所述的实施例。
附图简述
为了更好地理解对理解本发明的详细描述和特定实施方案有用的本公开的多个实施例，现在将仅通过举例说明的方式介绍附图，其中：
图1示意性地示出了一种方法；
图2示意性地示出了一种用于制造陶瓷物体的方法的概述；以及
图3示意性地示出了另一种用于制造陶瓷物体的方法的概述。
这些附图示意性地示出了一种用于制造来源于3D打印陶瓷结构202的陶瓷物体205的方法100。该方法包括：使3D打印陶瓷结构202碳化101。
术语“使......碳化”，即如在使3D打印陶瓷结构碳化中的该术语，可以用来表示碳结合(carbon bonding)的网络被引入和形成到3D打印陶瓷结构中。这样的碳化过程可以包括用碳前体(即有机材料/含碳化合物)浸渍或涂覆3D打印陶瓷结构并且使打印陶瓷结构热解(即，在不存在空气/氧情况下烧制3D打印陶瓷结构，以使得将在3D打印陶瓷结构之内/周围的有机材料碳化，从而在所得陶瓷物体之内/周围形成碳键(carbon bonds)的网络)。
使3D打印陶瓷结构碳化的行为涉及将碳结合的网络引入和形成到3D打印陶瓷结构中以向3D打印陶瓷结构提供碳网络结合，其结合并且束缚陶瓷物体的陶瓷颗粒/材料。这样的碳化可以通过以下方式实现：用碳前体材料浸渍和/或涂覆3D打印陶瓷结构，然后使经浸渍/经涂覆的物体热解，从而在3D打印陶瓷结构的内部/外部形成碳网络结合。备选地或另外地，这样的碳化可以通过3D打印机用来形成/打印3D陶瓷结构的陶瓷打印介质的预处理/改性来实现，即，将碳前体加入陶瓷打印介质中来实现。例如，可以在打印之前将碳前体与陶瓷打印介质混合，以使得3D打印结构已经嵌有碳前体材料。
一些实施例可以提供以下优点：需要较低的烧制温度。例如，在某些具体实施例中，3D打印结构可以在900℃热解，但是在热解后的所得陶瓷结构可能能够经受2700℃的温度。使用较低温度的能力可以有利地减少3D打印陶瓷结构经历的收缩的量，从而减少形变/破裂的量，并且得到与初始3D打印陶瓷结构相比所得陶瓷物体的保真度较高的改善的网络形状。此外，降低的温度需求和由此产生的减少的收缩量还降低了所得陶瓷物体破裂的风险。降低的温度需求还可以减少用于制造陶瓷物体的成本和时间尺度，因为可以不需要高温窑和/或可以减少加热/冷却时间。另外，使3D打印陶瓷结构碳化以在其中引入碳结合的网络，这可以提高所得陶瓷物体的结构强度和完整性以及刚度。某些实施例在制造陶瓷过滤器(如用于过滤熔融金属的陶瓷铸造过滤器)中是特别有利的，其中需要具有高耐火性以及高结构强度/完整性的陶瓷物体。
图1示意性地示出了一种用于制造来源于初始3D打印陶瓷结构/模型的所得陶瓷物体的方法100。
该方法可以用于预处理和/或后加工3D打印陶瓷结构。例如，该方法可以用于在已经通过3D陶瓷打印机打印初始陶瓷结构/模型之后并且在烧制初始陶瓷结构/模型之前处理初始陶瓷结构/模型。备选地或另外地，该方法可以用于在已经通过3D陶瓷打印机打印陶瓷打印介质以形成3D打印陶瓷结构/模型之前预处理陶瓷打印介质。
可以使用适用于形成/合成陶瓷结构/前体模型的任何3D打印/增材制造过程，尤其例如：平板印刷陶瓷3D打印或基于以下各项的3D打印：挤出沉积、粉末床、陶瓷喷墨打印或熔融沉积造型。
方框101示意性地表示使3D打印陶瓷结构碳化的过程。这样的碳化过程涉及将碳结合的网络引入3D打印陶瓷结构中。如方框101a和101c中示意性表示的，这样的碳化过程可以对应于用碳前体浸渍3D打印陶瓷结构101a，然后使经浸渍的3D打印陶瓷结构热解101c，即，在不存在氧的情况下烧制经浸渍的3D打印陶瓷结构。应理解，可以通过任何其他适当的浸渍技术用碳前体浸渍3D打印陶瓷结构，尤其例如用碳前体浸泡、喷射或浸浴3D打印结构，以使得碳前体渗透到3D打印结构的多个孔、内部路径和内部中。
备选地或另外地，浸渍可以通过预处理过程实现，即，通过将碳前体加入/混合到陶瓷打印介质中，以使得陶瓷打印介质(用于陶瓷打印机的陶瓷“墨”)包含碳前体，使得由这样的改性陶瓷打印介质形成/打印的3D打印陶瓷结构已经浸渍有碳前体。在这样的方式中，碳化过程可以包括：
向3D陶瓷打印机提供陶瓷打印介质，其中陶瓷打印介质包含碳前体；
通过使用3D陶瓷打印机和包含碳前体的陶瓷打印介质打印3D陶瓷结构来形成3D打印结构；和
使3D打印陶瓷结构热解。
备选地，或除了浸渍过程之外，碳化过程可以包括用碳前体涂覆3D打印陶瓷结构101b，然后使经涂覆的3D打印陶瓷结构热解101d，即，在不存在氧的情况下烧制经涂覆的3D打印陶瓷结构。应理解，可以通过任何其他适当的涂覆技术用碳前体涂覆3D打印陶瓷结构，尤其例如用碳前体滴涂、喷涂、涂抹3D打印结构，以使得碳前体外部地涂覆和设置有外边界层。
如本文中所使用的，“前体”可以用来指由其形成另一种物质的物质，如碳前体，通过所述碳前体，在碳化后形成碳结合的网络。碳前体可以例如包含液态树脂、粉状碳、陶瓷粘合剂、陶瓷材料、抗氧化剂和流变性添加剂。在某些实施例中，碳前体包含酚醛树脂的液态树脂，在其他实施例中，碳前体可以包含碳浆料。
抗氧化剂在碳前体材料中的使用对于需要具有耐火性的所得陶瓷物体的用途(即，其中陶瓷物体需要具有高温恢复力(resilience)以及高度的结构强度和完整性，如用于过滤熔融金属的陶瓷铸造过滤器可能需要的)特别有利。在所得陶瓷物体的碳结合的网络(通过3D打印陶瓷结构的碳化而形成)中的碳可能在超过600℃的温度中在存在的空气中氧化。因此，在碳前体材料中使用抗氧化剂可以减少这样的氧化，并且实现在超过600℃的温度在存在的空气中使用所得陶瓷物体。3D打印陶瓷结构的碳化在诸如金属铸造过滤中也是有利的，因为碳在应用液态/熔融金属时是非润湿性的。
图1的方法表示除了其他之外的一种可能的情形。并非所有方框都是必需的。例如，可以进行以下方式中的一种或另一种：a)浸渍101a和热解101c，或b)涂覆101b和热解101d。
此外，可以不按次序地进行方框101a-101d。例如，3D打印陶瓷结构可以浸渍101a，然后热解101c，然后涂覆101b，然后是另一热解过程101d。备选地，3D打印陶瓷结构可以浸渍101a，然后涂覆101b，其后进行单个热解过程。因此，应理解，在某些实施例中，可以以不同顺序或时间重叠地、连续地或并行地进行方框中的一个或多个。同样，如所示的，方框中的一个或多个可以被省略或添加或以某种方式的组合改变。
图2示意性地示出了涉及本公开的方法的整体过程200的方框图。
3D陶瓷打印机201打印初始3D陶瓷结构/模型，其实际上一旦进行图1的方法和图2的过程就形成陶瓷/所得陶瓷物体205的前体。
代替在3D打印陶瓷结构的任何烧制之前直接烧制3D打印陶瓷结构202(如对于常规的由3D打印陶瓷结构制造陶瓷物体通常可以进行的)，其经历碳化过程101，如图1所示。在图2的实施例中，碳化过程包括浸渍过程101a，特别是真空浸渍过程101a′，通过所述过程用第一碳前体101a″浸渍3D打印陶瓷结构。
第一碳前体可以包含以下各项中的一种或多种：液态树脂、粉状碳、陶瓷粘合剂、陶瓷材料、抗氧化剂和流变性添加剂。
然后，经浸渍的3D打印陶瓷结构203经历涂覆过程101b’，其中用第二碳前体101b″涂覆浸渍有第一碳前体的3D打印陶瓷结构203。第一和第二碳前体101a″、101b"可以不同，即具有不同的组成并且配置成具有不同的特性。例如，第一碳前体101a″可以配置成具有比第二碳前体101b”高的粘度。这可以有利于其在浸渍过程101a′中浸渍和渗透到3D打印陶瓷结构中。第二碳前体101b”可以配置成提供优秀的耐火性，和/或提供具有增加的恢复力、刚度、结构强度和完整性的外部边界层涂层。例如，与第一碳前体相比，第二碳前体可以包含具有不同(例如较大)粒度的碳颗粒。与第一碳前体相比，第二碳前体可以包含不同的粘合剂介质、不同的陶瓷材料、不同的抗氧化剂和/或不同的流变性添加剂。在一些实施例中，第一碳前体可以不包含抗氧化剂，而用于涂覆3D打印陶瓷结构的整个外部的第二碳前体可以包含抗氧化剂。
然后，如参照101c’和101d’所示使经浸渍且经涂覆的3D打印陶瓷结构204热解，以形成所得陶瓷物体205，其中已经将3D打印陶瓷结构的陶瓷材料烧结/熔融/玻璃化并且前体的碳材料已经在所得陶瓷物体的内部和外部形成碳结合的网络。
图3示意性地示出了涉及备选的用于形成3D陶瓷结构305的方法的整体过程300的方框图，其中，代替使用常规陶瓷打印介质/材料，通过加入/混合碳前体300b来预处理打印介质300a。例如，陶瓷打印介质的粘合剂可以是含碳化合物，其可以作为用于热解过程的碳前体。
该方法涉及创建包含碳前体300a的3D打印陶瓷结构305。这样的方法可以涉及将碳前体300a加入陶瓷打印介质300b中并且将其提供到3D陶瓷打印机201。然后，3D陶瓷打印机201使用包含碳前体300a的陶瓷打印介质300b形成/打印3D打印陶瓷结构302，使得3D打印陶瓷结构302包含碳前体。由于3D打印陶瓷结构302已经包含碳前体，所以可以不需要上文讨论的另外的浸渍或涂覆步骤。然而，应理解，可以进行这样的另外的浸渍101c和涂覆1014d过程以进一步用碳前体充满3D打印陶瓷结构和/或由各过程提供不同的碳前体。
然后，如参照方框301所示，使3D打印陶瓷结构302热解，以形成所得陶瓷物体305，其中已经将3D打印陶瓷结构的陶瓷材料烧结/熔融/玻璃化并且前体的碳材料已经在所得陶瓷物体的内部和外部形成碳结合的网络。
上述的方法和过程可以用于制造陶瓷物体，如陶瓷过滤器，例如用于金属过滤的陶瓷多孔铸造过滤器，其中通过3D陶瓷打印机打印初始陶瓷多孔结构(类似于陶瓷铸造泡沫过滤器的结构)，然后其经历如上文所讨论的碳化过程。
在一些实施例中，3D打印陶瓷结构可以打印为多孔的，例如以包含多个孔和/或路径的互连网络，所述孔和/或路径适当地定大小和定尺寸以用于实现(例如在烧制后)熔融金属过滤通过其中。
已经利用流程图说明和示意性方框图描述了本公开的实施例。要理解的是，各个方框(流程图说明和方框图中的)以及方框的组合可以通过适用于实现在一个或多个方框中指定的功能的任何装置、设备或机器来实施。因此，方框支持：用于执行指定功能的装置、设备或机器的组合以及用于执行指定功能的行动的组合。
尽管已经参照某些实施例描述了特征，但是无论是否说明，那些特征都可以存在于其他实施例中。尽管已经在先前的段落中描述了本公开的多个不同实施例，但是应理解，可以在不背离如权利要求中列出的本发明的范围的情况下进行对所给出的实施例的改变。例如，浸渍、涂覆和热解步骤的顺序和序列可以如上文所讨论地改变。
在本文件中使用术语“包括(comprise)”，其具有包括性而非排他性的含义。也就是说，提到X包括Y表示X可以仅包括一个Y或者可以包括多于一个的Y。如果打算使用具有排他性含义的“包括”，则在上下文中通过指出“仅包括一个......”或通过使用“由......组成”而使其清楚。
在本说明书中，参照多个实施例。与实施例相关的特征或功能的描述表示那些特征或功能存在于实施例中。无论是否明确说明，在本文中使用术语“实施例”或“例如”表示这样的特征或功能存在于至少所描述的实施例中，无论是否作为实施例描述，并且它们可以但是非必要地存在于一些或所有其他实施例中。因此，‘实施例’、‘例如’或‘可以’是指在一类实施例中的具体实例。实例的性质可以是仅所述实例的性质或一类的性质或包括一类中的实例中的一些但非全部的一类中的子类的性质。
在本说明书中，除非另外明确说明，提到“一个/一种/所述(a/an/the)”[特征、元件、组件、装置......]应解释为“至少一个”[特征、元件、组件、装置......]。
尽管在前述说明中努力引起对被认为特别重要的本公开的实施例的那些特征的注意，但是应理解，无论是否对其进行特别强调，申请人要求保护前文中提到的和/或附图中示出的任何可专利的特征或特征的组合。
本公开的实施例以及所附权利要求可以以对于本领域普通技术人员明显的任何方式适当地组合。

Claims (12)

1.一种制造用于金属过滤的陶瓷铸造过滤器的方法，所述用于金属过滤的陶瓷铸造过滤器来源于3D打印陶瓷多孔结构，所述方法包括：
使所述3D打印陶瓷多孔结构碳化和热解。
2.权利要求1所述的方法，其中使所述3D打印陶瓷多孔结构碳化包括：
将碳结合的网络引入到所述3D打印陶瓷多孔结构中。
3.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中使所述3D打印陶瓷多孔结构碳化包括：
向3D陶瓷打印机提供陶瓷打印介质，其中所述陶瓷打印介质包含碳前体；
通过使用所述3D陶瓷打印机和包含碳前体的所述陶瓷打印介质打印3D陶瓷结构来形成所述3D打印陶瓷多孔结构；和
使所述3D打印陶瓷多孔结构热解。
4.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中使所述3D打印陶瓷多孔结构碳化包括：
用碳前体浸渍所述3D打印陶瓷多孔结构；和
使经浸渍的3D打印陶瓷多孔结构热解。
5.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中使所述3D打印陶瓷多孔结构碳化包括：
用碳前体涂覆所述3D打印陶瓷多孔结构；和
使经涂覆的3D打印陶瓷多孔结构热解。
6.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中使所述3D打印陶瓷多孔结构碳化包括：
用第一碳前体浸渍所述3D打印陶瓷多孔结构；
用第二碳前体涂覆经浸渍的3D打印陶瓷多孔结构；和
使经浸渍且经涂覆的3D打印陶瓷多孔结构热解。
7.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，所述方法还包括用碳前体浸渍所述3D打印陶瓷多孔结构，其中所述浸渍包括以下步骤中的至少一个或多个：
将所述碳前体加入到用于打印所述3D打印陶瓷多孔结构的陶瓷打印介质中；
用所述碳前体真空浸渍所述3D打印陶瓷多孔结构；
用所述碳前体喷射所述3D打印陶瓷多孔结构；
用所述碳前体浸泡所述3D打印陶瓷多孔结构。
8.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，所述方法还包括3D打印所述3D打印陶瓷多孔结构。
9.一种形成在制造用于金属过滤的陶瓷铸造过滤器中使用的3D陶瓷多孔结构的方法，所述方法包括：
创建包含碳前体的3D打印陶瓷多孔结构。
10.权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
使用包含所述碳前体的陶瓷打印介质打印所述3D陶瓷多孔结构。
11.前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中所述碳前体包含以下各项中的至少一项或多项：
液态树脂，
粉状碳，
陶瓷粘合剂，
陶瓷材料，
抗氧化剂，和
流变性添加剂。
12.一种用于金属过滤的陶瓷铸造过滤器，其是使用根据前述权利要求1至11中任一项或多项所述的方法制造的。
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