CN109748573B - 长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光增材制造设备，包括载料平台，在所述载料平台的底部连接有成型升降平台，在所述载料平台的中间位置设有打印平台，所述打印平台安装在所述成型升降平台；所述打印平台的上方设有长纤维铺设机、激光扫描系统和UV‑LED灯，所述UV‑LED灯设置在长纤维铺设机的一侧，在所述载料平台(1)上还安装有刮刀。发明所述的激光增材制造设备及其长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，通过采用激光增材制造设备使用下沉式成型机，无需压板，无上拉过程，使用刮刀铺料，固化层平整度优异，无需添加支撑，适用材料范围广。

Description

长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法

技术领域

本发明属于本复合材料零件加工技术领域，特别涉及一种长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法。

背景技术

陶瓷材料因其高熔点、低密度、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等诸多特点，被广泛应用于航天航空、电子通讯、军事工业等领域。但陶瓷材料的脆性大、塑性差也严重制约了其应用范围。纤维增强陶瓷基复合材料有效克服了单相陶瓷材料对裂纹和热震的敏感性，在保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性等特点的基础上，具有比陶瓷基材料高得多的断裂韧性。同时，纤维增强陶瓷基复合材料还具有高韧性、耐磨损、高比强和高比模等优点。因此，纤维增强陶瓷基复合材料的研究与开发已成为陶瓷研究与开发的一个前沿领域,受到广泛重视。

目前，行业内进行纤维增强复合材料增材制造的方法主要为三类：第一类是在复合材料层间打印纤维，压实后再打印基体，成型出零件；第二类是FDM式，在熔化的基体材料上铺放切断的短纤维，压实后铺放熔化基材，制备零件；第三类是DLP式，使用刮刀在基板上涂覆浆料，铺设纤维后压平，然后进行曝光固化处理。其中，第一类和第二类增材制造方法有明显的局限性，只能有限改善陶瓷零件的性能；第三类方法使用的是DLP技术，该方法为下压铺料，压板会粘附浆料，影响分层的整体平整度，下压过程易导致纤维翘曲，DLP采用提拉式加工方式，陶瓷材料密度较大，容易分层，进而导致零件强度不足。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，通过采用激光增材制造设备使用下沉式成型机，无需压板，无上拉过程，使用刮刀铺料，固化层平整度优异，无需添加支撑，适用材料范围广。为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案为：

一种激光增材制造设备，包括载料平台，在所述载料平台的底部连接有成型升降平台，在所述载料平台的中间位置设有打印平台，所述打印平台安装在所述成型升降平台；所述打印平台的上方设有长纤维铺设机、激光扫描系统和UV-LED灯，所述UV-LED灯设置在长纤维铺设机的一侧，在所述载料平台上还安装有刮刀。

作为本实施例的优选，在所述UV-LED灯的前端安装有光阑，所述光阑为50μm的正方形光阑。

作为本实施例的优选，所述长纤维铺设机包括纤维腔体，所述纤维腔体内设有用于推送长纤维的滚轮，在所述纤维腔体的尾部设有胶槽。

本发明实施例提供一种长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，具体包括以下步骤：

S1、材料预处理：

a、将混合均匀的陶瓷浆料放入真空脱泡机中脱泡1小时；

b、对长纤维表面涂覆界面改善材料；

S2、三维模型导入：

将在三维建模软件中设计的零件三维模型、纤维铺设路径数据和刮刀运动路径数据导入增材制造设备；

S3、设定激光增材制造设备的运行参数：

设定激光增材制造设备的运行参数，所述运行参数包括激光扫描工艺参数、设备运动参数及切片层厚等，根据设定的运行参数，初始化激光增材制造设备的控制系统；

S4、将陶瓷浆料输送至载料平台：

对陶瓷浆料进行均匀混合和密封搅拌，通过泵送系统将搅拌后的陶瓷材料浆料从储料箱中输送至载料平台；

S5、铺平陶瓷浆料：

控制刮刀进行水平往返运动，对载料平台上的陶瓷浆料进行水平刮平，并使多余的陶瓷浆料流入循环回收系统的材料回收箱中；

S6、聚合交联反应：

激光扫描系统根据设置的激光脉冲宽度、功率密度和光束焦斑，对打印平台上的陶瓷浆料进行激光扫描，使陶瓷浆料发生聚合交联固化反应，形成陶瓷固化层；

S7、铺设长纤维：

长纤维铺设机在长纤维上涂覆UV固化胶水，然后按照设置的路径在固化后的陶瓷基材上铺设长纤维；

S8、长纤维固化：

在长纤维铺设的过程中，UV-LED灯发射出紫外光，紫外光照射长纤维，涂覆了UV固化胶水的长纤维固化在陶瓷固化层上；

S9、控制切片层厚：

打印平台的升降根据设置的加工速度、升降台提升速度、打印层厚和打印速度，控制打印平台下降；

S10、完成成型坯体：

重复步骤S4至S9，直到完成所有分层切片的打印，得到成型坯体；

S11、成型坯体的清洗和脱脂：

升降平台控制载料平台上升至初始位置，剪断长纤维，取下成型坯体，并使用清洗溶液对成型坯体进行清洗，将清洗后的成型胚体放入脱脂炉中进行脱脂，除去成型坯体中的高分子材料定型胚体；

S12、烧结完成长纤维增强陶瓷基复合材料零件的制作：

将脱脂后的定型胚体放入高温烧结炉中烧结，烧结完成后将炉体冷却至室温取出零件。

作为本实施例的优选，在所述步骤S1中，制备陶瓷浆料的具体过程为：

a、利用陶瓷粉末、分散剂和表面改性剂制备出表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末；

b、利用低分子量丙烯酸树脂、活性稀释剂、光引发剂和助剂制备出光固化树脂预混液；

c、将级配氧化铝陶瓷粉末和光固化树脂预混液进行混合搅拌，得到黏度小于5Pa·s的光固化陶瓷浆料；

作为本实施例的优选，在所述S3中，激光增材制造设备的运行参数具体如下：打印平台的加工速度10～50mm/s、成型升降平台的升降速度0.5～3mm/s；打印层厚0.02～0.1mm、打印速度200～500层/h；激光脉冲宽度19～27ns、光束焦斑0.02～0.05mm。

作为本实施例的优选，所述步骤S11中，清洗后的成型胚体放入脱脂炉中通入惰性气体，将温度调至500～600℃，达到最高温度时，进行保温40-80min后将炉体冷却至室温。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明所述的激光增材制造设备，通过升降机构保证了载料平台升降运行的精确度；通过激光扫描系统保证了陶瓷浆料在聚合交联固化反应的稳定度；通过浆料循环回收系统保证了制备过程中陶瓷浆料的稳定性；纤维铺设设备和纤维固化设备结构简单、便于操作、适用性广。

2、本发明所述的激光增材制造设备，采用下沉式的成型机(将升降机构设置在载料平台下方)，无需压板，无上拉过程，使用刮刀铺料，固化层平整度优异，无需添加支撑。

3、本发明所述的长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，通过级配氧化铝陶瓷粉末和光固化树脂预混液制备的陶瓷浆料具有浆料粘度低、流动性好，材料利用率高，清洗简单等特点，同时在陶瓷浆料泵送之前进行脱泡脱泡预处理，减少了陶瓷浆料中的气泡，增加成型零件的强度。

4、本发明所述的长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，采用激光增材制造设备(下沉式)制造长纤维增强陶瓷基复合材料零件，无需压板，无上拉过程，使用刮刀铺料，固化层平整度优异，无需添加支撑，适用材料范围广，纤维铺设简单、后处理简单、成本低，成型件强度高，有利于纤维增强陶瓷基复合材料零件的工业化生产，改善其生产工艺复杂、生产周期长、性能差的现状。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明激光增材制造设备的整体结构示意图；

图中所示：1、载料平台，2、成型升降平台，3、打印平台，4、纤维铺设机，4.1、纤维腔体，4.2、滚轮，4.3、胶槽，5、激光扫描系统，6、UV-LED灯，7、光阑，8、刮刀，9、长纤维。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1所示，本发明实施例提供一种激光增材制造设备，具体包括用于承载陶瓷浆料作用的载料平台1，在载料平台1的底部连接有成型升降平台2，在载料平台1的中间位置设有打印平台3，其中，打印平台3安装在成型升降平台2内，成型升降平台2可以带动打印平台3在竖直方向上进行上下运动。在打印平台3的上方设有长纤维铺设机4、激光扫描系统5和UV-LED灯6，UV-LED灯6设置在长纤维铺设机4的一侧，在载料平台1上还安装有刮刀。

在本实施例中，激光扫描系统5包括激光发射器和激光振镜，其中，激光发射器发出的紫外激光通过激光振镜折射后照射到打印平台3上，在进行打印时，紫外激光对准打印平台3的中心位置，通过紫外激光照射到打印平台3上的陶瓷浆料，使得使陶瓷浆料发生聚合交联固化反应。UV-LED灯6发射出紫外光7，紫外光7照射长纤维4，涂覆了UV固化胶水的长纤维4会固化在陶瓷固化层上，其中，UV-LED灯6可根据需要旋转任意角度，在UV-LED灯6的前端安装有光阑7，光阑7为50μm的正方形光阑。

参见图1所示，在本实施例中，长纤维铺设机4包括纤维腔体4.1，在所述纤维腔体4.1内设有用于推送长纤维9输送的滚轮4.2，在纤维腔体4.1的尾部设有胶槽4.3。胶槽4.3通过细软管泵送UV固化胶。

在本实施例中，成型升降平台2包括成型缸筒2.1、滚珠丝杆、升降伺服电机和联轴器；其中，将打印平台3安装在成型缸筒2.1内，滚珠丝杆的一端与打印平台3相连，另一端与联轴器相连。升降伺服电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆的底部相连接。将打印平台3与成型缸筒2.1进行同轴设置，保证打印平台5沿垂直方向运动的精确性。在工作过程升降伺服电机带动滚珠丝杆旋转，从而带动打印平台沿竖直方向上下运动，保证打印平台5运动的稳定性。

本发明实施例提供一种长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，具体包括以下步骤：

第一步、材料预处理：

A、制备陶瓷浆料，并将混合均匀的陶瓷浆料放入真空脱泡机中脱泡1小时。

本实施例提供一种制备陶瓷浆料的方法：

a、利用陶瓷粉末、分散剂和表面改性剂制备出表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末；

b、利用低分子量丙烯酸树脂、活性稀释剂、光引发剂和助剂制备出光固化树脂预混液；

c、将上述级配氧化铝陶瓷粉末和光固化树脂预混液进行混合搅拌，得到黏度小于5Pa·s的光固化陶瓷浆料。

进一步的在本实施例中，提供一种详细的陶瓷浆料的具体方式：

1)取氧化铝40g、无水乙醇200ml和有机硅酸酯0.4g然后进行混合搅拌10h，搅拌完成后经过过滤、干燥制备出表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末。

2)取低分子量丙烯酸树脂100ml、丙烯酸丁酯120ml、苯甲酰甲酸甲酯20ml和聚二甲基硅氧烷10ml进行混合搅拌制备出光固化树脂预混液。

3)将上述级配氧化铝陶瓷粉末和光固化树脂预混液进行混合搅拌，得到光固化陶瓷浆料，为了减少陶瓷浆料中的气泡，对陶瓷浆料进行脱泡预处理，将混合均匀的陶瓷浆料放入真空脱泡机中脱泡1小时，保证陶瓷浆料中无气泡溢出。

B、对长纤维表面涂覆界面改善材料:在本实施例中,改善材料为聚氨酯树脂型乳液、环氧树脂型乳液、复合树脂型乳液中的一种。

第二步、三维模型导入：

将在三维建模软件中设计的零件三维模型、纤维铺设路径数据和刮刀运动路径数据导入增材制造设备；

第三步、设定激光增材制造设备的运行参数：

设定激光增材制造设备的运行参数，所述运行参数包括激光扫描工艺参数、设备运动参数及切片层厚等，根据设定的运行参数，初始化激光增材制造设备的控制系统。

在本实施例中，其中，打印平台的加工速度为10～50mm/s，成型机构7的升降速度0.5～3mm/s、打印层厚0.02～0.1mm和打印速度200～500层/h；激光扫描系统中激光脉冲宽度19～27ns、光束焦斑0.02～0.05mm；

第四步、将陶瓷浆料输送至载料平台：

对陶瓷浆料进行均匀混合和密封搅拌，通过泵送系统将搅拌后的陶瓷材料浆料输送至载料平台。

第五步、铺平陶瓷浆料：

控制刮刀进行水平往返运动，对载料平台上的陶瓷浆料进行水平刮平，并使多余的陶瓷浆料流入循环回收系统的材料回收箱(图中未标示)中。在本实施例中，刮刀水平移动速度10-50mm/s，刮刀距离打印平台高度为0.1mm，保证在加工过程中陶瓷浆料的水平度。

第六步、聚合交联反应：

激光扫描系统根据设置的激光脉冲宽度、和光束焦斑，在本实施例中，控制激光扫描系统中采用紫外激光进行照射，激光脉冲宽度为19～27ns、光束焦斑0.02～0.05mm，对打印平台上的陶瓷浆料进行激光扫描，使陶瓷浆料发生聚合交联固化反应，形成陶瓷固化层；

第七步、铺设长纤维：

长纤维铺设机在长纤维上涂覆UV固化胶水，然后按照设置的路径在固化后的陶瓷基材上铺设长纤维；

第八步、长纤维固化：

在长纤维铺设的过程中，UV-LED灯发射出紫外光，紫外光照射长纤维，涂覆了UV固化胶水的长纤维固化在陶瓷固化层上。

第九步、控制切片层厚：

打印平台的升降根据设置的加工速度、升降台提升速度、打印层厚和打印速度，控制打印平台下降。在本实施例中，打印平台的加工速度为10～50mm/s，成型升降平台的升降速度0.5～3mm/s、打印层厚0.02～0.1mm和打印速度200～500层/h。

第十步、完成成型坯体：

重复第四步至第九步，直到完成所有分层切片的打印，得到成型坯体。

第十一步、成型坯体的清洗和脱脂：

成型升降平台控制载料平台上升至初始位置，剪断长纤维，取下成型坯体，并使用清洗溶液对成型坯体进行清洗，将清洗后的成型胚体放入脱脂炉中进行脱脂，除去成型坯体中的高分子材料定型胚体。

在本实施例中，在成型胚体放入脱脂炉进行脱脂的过程中，通入惰性气体，将温度调至500～600℃，达到最高温度时保温1小时左右。保温后，将炉体冷却至室温，整个过程一直在惰性气体的保护气氛，防止制品热氧化。

第十二步、烧结完成长纤维增强陶瓷基复合材料零件的制作：

将脱脂后的定型胚体放入高温烧结炉中烧结，烧结完成后将炉体冷却至室温取出零件。

在本实施例中，将脱脂后的成型胚体放入高温烧结炉中进行烧结，控制烧结温度至1700～1750℃，具体焙烧步骤为：

室温时，将脱脂后的成型胚体放入烧结炉中，以60～120℃/h的升温速率升到1700℃，保温40～80min，然后将炉体冷却至室温，取出零件，完成整个制作过程中。

为尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法， 其特征在于， 包括以下步骤：

S1、材料预处理：

a、 将混合均匀的陶瓷浆料放入真空脱泡机中脱泡 1 小时；

b、对长纤维表面涂覆界面改善材料；

S2、三维模型导入：

将在三维建模软件中设计的零件三维模型、纤维铺设路径数据和刮刀运动路径数据导入增材制造设备；

S3、设定激光增材制造设备的运行参数：

设定激光增材制造设备的运行参数，所述运行参数包括激光扫描工艺参数、设备运动参数及切片层厚等，根据设定的运行参数，初始化激光增材制造设备的控制系统；

所述激光增材制造设备，包括载料平台，在所述载料平台的底部连接有成型升降平台，在所述载料平台的中间位置设有打印平台，所述打印平台安装在所述成型升降平台内；打印平台的上方设有长纤维铺设机、激光扫描系统和UV-LED灯，所述UV-LED灯设置在长纤维铺设机的一侧，在所述载料平台(1)上还安装有刮刀；

S4、将陶瓷浆料输送至载料平台：

对陶瓷浆料进行均匀混合和密封搅拌，通过泵送系统将搅拌后的陶瓷材料浆料从储料箱中输送至载料平台；

S5、铺平陶瓷浆料：

控制刮刀进行水平往返运动，对载料平台上的陶瓷浆料进行水平刮平，并使多余的陶瓷浆料流入循环回收系统的材料回收箱中；

S6、聚合交联反应：

激光扫描系统根据设置的激光脉冲宽度、功率密度和光束焦斑，对打印平台上的陶瓷浆料进行激光扫描，使陶瓷浆料发生聚合交联固化反应，形成陶瓷固化层；

S7、铺设长纤维：

长纤维铺设机在长纤维上涂覆 UV 固化胶水，然后按照设置的路径在固化后的陶瓷基材上铺设长纤维；

S8、长纤维固化：

在长纤维铺设的过程中，UV-LED 灯发射出紫外光，紫外光照射长纤维，涂覆了 UV 固化胶水的长纤维固化在陶瓷固化层上；

S9、控制切片层厚：

打印平台的升降根据设置的加工速度、升降台提升速度、打印层厚和打印速度，控制打印平台下降；

S10、完成成型坯体：

重复步骤 S4 至 S9，直到完成所有分层切片的打印，得到成型坯体；

S11、成型坯体的清洗和脱脂：

升降平台控制载料平台上升至初始位置，剪断长纤维，取下成型坯体，并使用清洗溶液对成型坯体进行清洗，将清洗后的成型坯体放入脱脂炉中进行脱脂，除去成型坯体中的高分子材料定型坯体；

S12、烧结完成长纤维增强陶瓷基复合材料零件的制作：

将脱脂后的定型坯体放入高温烧结炉中烧结，烧结完成后将炉体冷却至室温取出零件。

2.根据权利要求 1 所述的长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，其特征在于：在所述步骤 S1中，制备陶瓷浆料的具体过程为：

a、利用陶瓷粉末、分散剂和表面改性剂制备出表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末；

b、利用低分子量丙烯酸树脂、活性稀释剂、光引发剂和助剂制备出光固化树脂预混液；

c、将级配氧化铝陶瓷粉末和光固化树脂预混液进行混合搅拌，得到黏度小于5Pa•s 的光固化陶瓷浆料。

3.根据权利要求 1 所述的长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，其特征在于：在所述 S3 中，激光增材制造设备的运行参数具体如下：打印平台的加工速度10～50mm/s、成型升降平台的升降速度0.5～3mm/s；打印层厚0.02～0.1mm、打印速度 200～500 层/h；激光脉冲宽度19～27ns、光束焦斑 0.02～0.05mm。

4.根据权利要求 1 所述的长纤维增强陶瓷基复合材料零件的加工方法，其特征在于：所述步骤 S11中，清洗后的成型坯体放入脱脂炉中通入惰性气体，将温度调至 500～600℃，达到最高温度时，进行保温 40-80min后将炉体冷却至室温。

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