CN110202688A - 一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置 - Google Patents

一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110202688A
CN110202688A CN201910549043.8A CN201910549043A CN110202688A CN 110202688 A CN110202688 A CN 110202688A CN 201910549043 A CN201910549043 A CN 201910549043A CN 110202688 A CN110202688 A CN 110202688A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fdm
matric composite
sls
ceramic matric
driving device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910549043.8A
Other languages
English (en)
Inventor
颜丙功
江开勇
吕培杰
靳玲
胡奔
康磊
张炳威
路平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huaqiao University
Original Assignee
Huaqiao University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huaqiao University filed Critical Huaqiao University
Priority to CN201910549043.8A priority Critical patent/CN110202688A/zh
Publication of CN110202688A publication Critical patent/CN110202688A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/24—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for curing, setting or hardening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B13/00—Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles; Discharging shaped articles from such moulds or apparatus
    • B28B13/02—Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles
    • B28B13/0215—Feeding the moulding material in measured quantities from a container or silo
    • B28B13/026—Feeding the moulding material in measured quantities from a container or silo by using a movable hopper transferring the moulding material to the moulding cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B13/00—Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles; Discharging shaped articles from such moulds or apparatus
    • B28B13/02—Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles
    • B28B13/0295—Treating the surface of the fed layer, e.g. removing material or equalization of the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B23/00—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects
    • B28B23/02—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects wherein the elements are reinforcing members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B23/00—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects
    • B28B23/02—Arrangements specially adapted for the production of shaped articles with elements wholly or partly embedded in the moulding material; Production of reinforced objects wherein the elements are reinforcing members
    • B28B23/022—Means for inserting reinforcing members into the mould or for supporting them in the mould

Abstract

本发明公开了一种SLS‑FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置，该方法包括步骤1，打印图形并规划路径；步骤2，将长纤维材料挤出并在工作台上以规划路径来回铺满第一个规划加工面；步骤3，陶瓷基体粉末均匀地铺满当前的规划加工面的长纤维材料上；步骤4，通过激光将挤出的长纤维材料与陶瓷基体粉末进行烧结；步骤5，以垂直上一个加工面的加工方向以规划路径将长纤维材料来回铺满下一个规划加工面，重复步骤3和步骤4；重复步骤5，直至加工完成。该装置适用该方法制备陶瓷基复合材料。该方法制备的陶瓷基复合材料的纤维直径小、连续性好、长度大并且在高温高压下具有较高抗拉强度和刚度，最终得到高质量的陶瓷基复合材料。

Description

一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置
技术领域
本发明涉及加工方法及加工装置，尤其涉及一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置。
背景技术
陶瓷基复合材料是陶瓷基体与高强度、高弹性纤维的复合，纤维成分与基体成分相同或相近，用以阻止材料中裂纹的扩展，改善陶瓷的韧性。陶瓷基复合材料具有轻量化、耐高温、高强度等特点，在航空发动机领域有显著的应用。SiC/SiC陶瓷基复合材料由两部分组成：SiC纤维和SiC基体，对于SiC/SiC陶瓷基复合材料来说，SiC纤维是骨架，承担主要的载荷，SiC基体缓冲并将载荷传递给SiC纤维，对SiC纤维有一定的保护作用。因此，对于SiC/SiC陶瓷基复合材料来说，SiC纤维的性能至关重要。
选择性激光烧结，简称SLS，是一种被广泛应用的快速成型技术。在成型过程中，材料层层堆叠，激光在每层材料堆叠其间进行扫描烧结，使新粉末与成型基底粘结生长。该方法不受三维零件复杂程度的限制，无需任何工装模具即可制造出零件。熔融沉积制造，简称FDM，是一种将材料在喷头内加热融化同时沿着轮廓填充轨迹挤出成型的增材制造技术，材料迅速凝固并与周围材料相结合。
但是单独采用选择性激光烧结或熔融沉积制造进行陶瓷基复合材料的制备其得到的纤维成分的直径不够小、连续性不够好、长度不够大，并且在高温高压下抗拉强度和刚度有限。
发明内容
本发明提供了一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，它包括如下步骤：
步骤1，打印图形并规划路径；
步骤2，将长纤维材料挤出并在工作台上以规划路径来回铺满第一个规划加工面；
步骤3，陶瓷基体粉末均匀地铺满当前的规划加工面的长纤维材料上；
步骤4，通过激光将挤出的长纤维材料与陶瓷基体粉末进行烧结；
步骤5，以垂直上一个加工面的加工方向以规划路径将长纤维材料来回铺满下一个规划加工面，重复步骤3和步骤4；
重复步骤5，直至加工完成。
一实施例之中：该长纤维材料包括长纤维和粘结剂。
一实施例之中：该长纤维材料包括SIC纤维和硅基粘结剂。
一实施例之中：该陶瓷基体粉末为SIC粉末。
一实施例之中：该SIC纤维表面具有掺硅BN涂层。
一实施例之中：该掺硅BN涂层的厚度在0.1～0.5μm，Si的质量比例为0.1％～0.5％。
一实施例之中：该硅基粘结剂为含有Si、C的有机溶剂，并带有烧结辅助剂，该硅基粘结剂在高温加热以后转化为无机硅并在烧结辅助剂作用下与C反应生成β-SiC相。
一实施例之中：该SIC粉末表面包裹硅基有机物。
一种用于上述的SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：包括：
总控制器及与该总控制器电连接的电机控制器、激光器和激光传导装置，该激光器发出的激光束通过激光传导装置实现二维扫描出射；
工作台、用于挤出长纤维材料的FDM工作头、用于铺陶瓷基体粉末的铺粉装置、X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置及铺粉驱动装置，该工作台与X轴驱动装置相连实现工作台在X轴方向的来回移动，该FDM工作头与Y轴驱动装置和Z轴驱动装置相连实现FDM工作头在Y轴和Z轴方向上的来回移动，该铺粉装置与铺粉驱动装置相连实现铺粉装置在工作台面上的平铺铺粉；该X轴、Y轴和Z轴两两相互垂直。
一实施例之中：该激光传导装置包括准直镜、聚焦镜、振镜和F-θ镜，该激光器发出的激光束依次经过该准直镜、聚焦镜、振镜和F-θ镜后聚焦到工作台上，通过控制振镜的偏转，控制激光束在工作台上的移动。
一实施例之中：该X轴驱动装置包括第一电机和第一丝杆，该第一丝杆与工作台螺纹传动连接；该Y轴驱动装置包括第二电机和第二丝杆，该第二丝杆与FDM工作头螺纹传动连接；该Z轴驱动装置包括第三电机和第三丝杆，该第三丝杆与FDM工作头传动连接；该铺粉驱动装置包括第四电机和第四丝杆，该第四丝杆与铺粉装置螺纹传动连接；该电机控制器与第一电机、第二电机、第三电机和第四电机电连接。
一实施例之中：该铺粉装置设于工作台上方，包括储粉槽和用于铺平陶瓷基粉末层的刮刀。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、本发明提出了一种新的陶瓷基复合材料的加工方法，通过本发明所述方法制备的陶瓷基复合材料的纤维直径小、连续性好、长度大并且在高温高压下具有较高抗拉强度和刚度，最终得到高质量的陶瓷基复合材料。
2、本发明所述的制备陶瓷基复合材料的装置结构新颖、简单、操作简便，能够用于实现SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本实施例所述的FMD工作头的工作示意图。
图2为本实施例所述的用于SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置的整体结构示意图。
图3为本实施例所述的用于SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置的部分结构示意图之一。
图4为本实施例所述的用于SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置的部分结构示意图之二。
具体实施方式
请查阅图1至图4，一种用于SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置，包括：
总控制器300及与该总控制器300电连接的电机控制器10、激光器20和激光传导装置，该激光器20发出的激光束通过激光传导装置实现二维扫描出射；
工作台40、用于挤出长纤维材料的FDM工作头50、用于铺陶瓷基体粉末的铺粉装置60、X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置及铺粉驱动装置，该工作台40与X轴驱动装置相连实现工作台在X轴方向的来回移动，该FDM工作头50与Y轴驱动装置和Z轴驱动装置相连实现FDM工作头50在Y轴和Z轴方向上的来回移动，通过控制工作台X轴的走向和FDM工作头Y轴及Z轴的走向能实现FDM工作头50相对工作台40形成空间三维的走势。该铺粉装置60与铺粉驱动装置相连实现铺粉装置60在工作台40面上的来回平铺铺粉；该X轴、Y轴和Z轴两两相互垂直。该FDM工作头50可采用现有熔融沉积制造设备的工作头。该FDM工作头50连接一储料槽400，该储料槽400用于给FDM工作头50供料。
该激光传导装置包括准直镜71、聚焦镜72、振镜73和F-θ镜74，该激光器20发出的激光束依次经过该准直镜71、聚焦镜72、振镜73和F-θ镜74后聚焦到工作台40上，通过控制振镜73的偏转，控制激光束在工作台40上的二维移动。
该X轴驱动装置包括第一电机81和第一丝杆82，该第一丝杆82与工作台40螺纹传动连接；该Y轴驱动装置包括第二电机91和第二丝杆92，该第二丝杆92与FDM工作头50螺纹传动连接；该Z轴驱动装置包括第三电机101和第三丝杆102，该第三丝杆102与FDM工作头50传动连接；该铺粉驱动装置包括第四电机201和第四丝杆202，该第四丝杆202与铺粉装置60螺纹传动连接；该电机控制器10与第一电机、第二电机、第三电机和第四电机电连接。
该铺粉装置60设于工作台40上方，包括储粉槽61和用于铺平陶瓷基粉末层的刮刀62。
优选地，该工作台40下方连接有一升降台30，用于调节工作台40的升降。
结合上述的制备装置，一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，它包括如下步骤：
步骤1，可通过总控制器300打印图形并规划路径，该规划路径为FDM工作头50的行走路径，本实施例中，该路径为Z字形路径；
步骤2，FDM工作头50将长纤维材料挤出并在工作台上以规划路径来回铺满第一个规划加工面；
步骤3，铺粉装置60将陶瓷基体粉末均匀地铺满当前的规划加工面的长纤维材料上；
步骤4，激光器20及激光传导装置发出的激光束将挤出的长纤维材料与陶瓷基体粉末进行烧结；
步骤5，FDM工作头50再以垂直上一个加工面的加工方向以规划路径将长纤维材料来回铺满下一个规划加工面，重复步骤3和步骤4；
重复步骤5，形成长纤维材料与陶瓷基体粉末的相间堆叠烧结成型，直至加工完成。
该长纤维材料包括长纤维和粘结剂。不同的长纤维配合使用与该长纤维成分相适应的粘结剂。
一较佳实施例中，本发明方法适用于SIC/SIC陶瓷基复合材料的制备，该长纤维材料包括SIC纤维和硅基粘结剂，该陶瓷基体粉末为SIC粉末。该硅基粘结剂为含有Si、C的有机溶剂，并带有烧结辅助剂，符合FDM挤出黏度要求，分解时释放气体量小，在高温加热以后转化为无机硅并在烧结辅助剂作用下与C反应生成β-SiC相。该SIC纤维表面具有掺硅BN涂层，该掺硅BN涂层的厚度在0.1～0.5μm，Si的质量比例为0.1％～0.5％。烧结过程中受热能使涂层发生径向或轴向的收缩，通过调整激光束的频率、加热的时间等得到影响收缩的规律，尽量使掺硅BN涂层向径向收缩保持与纤维的紧致，同时掺硅BN涂层与陶瓷基体之间脱粘；掺硅BN涂层不仅可以有效保持SiC纤维的强度、防止裂纹向纤维方向扩展，同时掺硅BN涂层在高速燃气流下会形成硼硅酸玻璃保护层，从而可以防止氧气侵入SiC纤维内部，有助于保持纤维与基体之间的界面稳定性；该SIC粉末表面包裹硅基有机物且具有一定的颗粒度。
本发明提出了一种新的陶瓷基复合材料的加工方法，通过本发明所述方法制备的陶瓷基复合材料的纤维直径小、连续性好、长度大并且在高温高压下具有较高抗拉强度和刚度，最终得到高质量的陶瓷基复合材料。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (12)

1.一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，打印图形并规划路径；
步骤2，将长纤维材料挤出并在工作台上以规划路径来回铺满第一个规划加工面；
步骤3，陶瓷基体粉末均匀地铺满当前的规划加工面的长纤维材料上；
步骤4，通过激光将挤出的长纤维材料与陶瓷基体粉末进行烧结；
步骤5，以垂直上一个加工面的加工方向以规划路径将长纤维材料来回铺满下一个规划加工面，重复步骤3和步骤4；
重复步骤5，直至加工完成。
2.根据权利要求1所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该长纤维材料包括长纤维和粘结剂。
3.根据权利要求2所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该长纤维材料包括SIC纤维和硅基粘结剂。
4.根据权利要求3所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该陶瓷基体粉末为SIC粉末。
5.根据权利要求3所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该SIC纤维表面具有掺硅BN涂层。
6.根据权利要求5所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该掺硅BN涂层的厚度在0.1～0.5μm，Si的质量比例为0.1％～0.5％。
7.根据权利要求3所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该硅基粘结剂为含有Si、C的有机溶剂，并带有烧结辅助剂，该硅基粘结剂在高温加热以后转化为无机硅并在烧结辅助剂作用下与C反应生成β-SiC相。
8.根据权利要求4所述的一种SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：该SIC粉末表面包裹硅基有机物。
9.一种用于如权利要求1所述的SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：包括：
总控制器及与该总控制器电连接的电机控制器、激光器和激光传导装置，该激光器发出的激光束通过激光传导装置实现二维扫描出射；
工作台、用于挤出长纤维材料的FDM工作头、用于铺陶瓷基体粉末的铺粉装置、X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置及铺粉驱动装置，该工作台与X轴驱动装置相连实现工作台在X轴方向的来回移动，该FDM工作头与Y轴驱动装置和Z轴驱动装置相连实现FDM工作头在Y轴和Z轴方向上的来回移动，该铺粉装置与铺粉驱动装置相连实现铺粉装置在工作台面上的平铺铺粉；该X轴、Y轴和Z轴两两相互垂直。
10.根据权利要求9所述的SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：该激光传导装置包括准直镜、聚焦镜、振镜和F-θ镜，该激光器发出的激光束依次经过该准直镜、聚焦镜、振镜和F-θ镜后聚焦到工作台上，通过控制振镜的偏转，控制激光束在工作台上的移动。
11.根据权利要求9所述的SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：该X轴驱动装置包括第一电机和第一丝杆，该第一丝杆与工作台螺纹传动连接；该Y轴驱动装置包括第二电机和第二丝杆，该第二丝杆与FDM工作头螺纹传动连接；该Z轴驱动装置包括第三电机和第三丝杆，该第三丝杆与FDM工作头传动连接；该铺粉驱动装置包括第四电机和第四丝杆，该第四丝杆与铺粉装置螺纹传动连接；该电机控制器与第一电机、第二电机、第三电机和第四电机电连接。
12.根据权利要求9所述的SLS-FDM复合制备陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：该铺粉装置设于工作台上方，包括储粉槽和用于铺平陶瓷基粉末层的刮刀。
CN201910549043.8A 2019-06-24 2019-06-24 一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置 Pending CN110202688A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910549043.8A CN110202688A (zh) 2019-06-24 2019-06-24 一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910549043.8A CN110202688A (zh) 2019-06-24 2019-06-24 一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110202688A true CN110202688A (zh) 2019-09-06

Family

ID=67794130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910549043.8A Pending CN110202688A (zh) 2019-06-24 2019-06-24 一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110202688A (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1171095A (zh) * 1994-11-01 1998-01-21 先进陶瓷公司 陶瓷纤维的改良界面涂层
CN109530698A (zh) * 2019-01-04 2019-03-29 西安交通大学 基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1171095A (zh) * 1994-11-01 1998-01-21 先进陶瓷公司 陶瓷纤维的改良界面涂层
CN109530698A (zh) * 2019-01-04 2019-03-29 西安交通大学 基于高温纤维支撑的激光增材制造装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Review of additive manufacturing methods for high-performance ceramic materials
CN108817386B (zh) 用于多光束激光选区熔化成形的层间梳状拼接方法
Deckers et al. Additive manufacturing of ceramics: A review
CN109133917B (zh) 一种dlp增材制造用的陶瓷浆料及其制备方法和采用该浆料制备成品的方法
CN103121103B (zh) 金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法
US20170008236A1 (en) Additive Manufacturing 3D Printing of Advanced Ceramics
US20020053257A1 (en) Rapid manufacturing of carbon nanotube composite structures
CN111805687B (zh) 一种陶瓷基复合材料3d打印成型装置和打印成型方法
CN106111985A (zh) 群扫描激光选择性烧结或固化方法及其3d成型机
CN1648802A (zh) 一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备
CN112047727B (zh) 一种3d打印氧化铝陶瓷材料的制备方法
CN107721408B (zh) 一种3D打印制备β-磷酸三钙多孔生物陶瓷的方法
Brueckner et al. Process characteristics in high-precision laser metal deposition using wire and powder
Saha et al. Additive manufacturing of ceramics and cermets: present status and future perspectives
CN108823567A (zh) 一种金属薄板高效激光熔覆装置与方法
CN108161010A (zh) 基于快速烧结的3d打印方法及系统
CN108943323A (zh) 一种陶瓷3d打印机
CN101032832B (zh) 激光三维加工陶瓷坯体方法与装置
KR20010050428A (ko) 세라믹 파우더 성형방법
CN107287592B (zh) 一种纯铜表面激光熔覆制备二氧化锆-碳化硼增强熔覆层的方法
Cai et al. Indirect 3D printed ceramic: a literature review
CN104084583B (zh) 一种金属基碳纳米复合材料的激光制备装置及方法
CN110202688A (zh) 一种sls-fdm复合制备陶瓷基复合材料的方法及装置
US6635112B1 (en) Fabrication apparatus for fabricating an object as a plurality of successive laminae
CN103042218B (zh) 功能梯度材料成型装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination