CN110696144A - 陶瓷材料的成型方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷材料的成型方法应用于三维打印陶瓷工艺。陶瓷材料的成型方法包含以下步骤：提供陶瓷粉末；提供纳米粒子溶胶，其包含有金属氧化物及溶剂；混合陶瓷粉末及纳米粒子溶胶以形成三维打印浆料；铺设三维打印浆料；以镭射光照射并加热三维打印浆料，以使三维打印浆料中之纳米粒子溶胶进行化学反应，进而使三维打印浆料成型成陶瓷生胚。本发明之陶瓷材料的成型方法为非直接对陶瓷粉末加热，因此不会使三维打印浆料产生较大的收缩及变形。

Description

陶瓷材料的成型方法

【技术领域】

本发明系关于一种成型方法，尤指一种针对陶瓷材料的成型方法。

【先前技术】

传统的陶瓷成品具有脆且易碎的特性，因此仅应用于艺术观赏类产品。然而，随着陶瓷相关产业技术的快速发展，使得陶瓷材料的高硬度、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、耐酸碱、抗氧化、绝缘及无磁性等优异的特性被发掘且广泛的应用。

目前陶瓷三维打印成型技术主要可以分为喷墨打印技术(ink-jet printing，IJP)、熔融沉淀技术(fused deposition modeling，FDM)、分层实体制造技术(laminatedobject manufacturing，LOM)、选择性镭射烧结技术(selective laser sintering，SLS)和立体光固化技术(stereo lithography appearance，SLA)。其中，熔融沉淀技术(FDM)系以加热陶瓷材料，让陶瓷材料软化后，通过打印喷嘴将陶瓷材料挤出。接着，陶瓷材料经过冷却后固化以形成陶瓷生胚工件，再以二次烧结形成陶瓷工件。分层实体制造技术(LOM)系先把光固化陶瓷材料制成薄片涂布在薄膜上面，以镭射光照射光固化陶瓷材料薄片，使其固化后形成所需的形状。接着再一层一层堆栈成陶瓷生胚工件。选择性镭射烧结技术(SLS)系使用镭射光微热源对粉末状态的材料进行选择性扫描，使粉末颗粒之间产生烧结作用形成陶瓷生胚工件。立体光固化技术(SLA)系将陶瓷粉末与紫外光光敏树脂混合，经由紫外光镭射扫描固化后建构成陶瓷生胚工件。使用上述这些技术进行三维印刷而得的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷工件。

然而，在上述技术中，分层实体制造技术(LOM)中，陶瓷生胚工件含有光固化的高分子材料，需要经过烧结后除去，烧除后将会造成陶瓷生胚工件收缩。选择性镭射烧结技术(SLS)使用镭射光对陶瓷材料进行烧结或直接熔结形成陶瓷工件，由于陶瓷材料所受的镭射能量密度较大，容易造成较大的收缩及变形。立体光固化技术(SLA)采用紫外光光敏树脂做为黏结剂，在做烧结后去除光敏树脂时会产生有害人体的气体，同时会造成陶瓷生胚工件收缩。因此，故需提供一种陶瓷材料的成型方法以避免上述问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明之一范畴在于提供一种陶瓷材料的成型方法以解决前述之问题，此成型方法应用于三维打印陶瓷工艺。陶瓷材料的成型方法包含以下步骤：提供陶瓷粉末；提供纳米粒子溶胶，其包含有金属氧化物及溶剂；混合陶瓷粉末及纳米粒子溶胶以形成三维打印浆料；铺设三维打印浆料；以镭射光照射并加热三维打印浆料，以使三维打印浆料中之纳米粒子溶胶进行化学反应，进而使三维打印浆料成型成陶瓷生胚。

其中，金属氧化物包含有碱土金属、镧系金属、锕系金属、过渡金属和类金属中至少一者之氧化物。

其中，金属氧化物包含有镁、钙、锶、钡、硼、铝、镓、铟、铊、硅、锗、锡、锑、铋、镧系金属、锕系金属、钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铼、铁、钌、钴、镍、铜、锌和镉中至少一者之氧化物，以及纳米粒子溶胶包含有羟基、自由基及水基中至少一者。

其中，溶剂包含有水、醇类及酮类。

其中，镭射光之波长范围介于1500至20000nm之间。

其中，于以镭射光照射并加热三维打印浆料，以使三维打印浆料中之纳米粒子溶胶进行化学反应，进而使三维打印浆料成型之步骤中，更可包含以下子步骤：以镭射光照射三维打印浆料，以使其进行化学反应，并产生水分子；以镭射光加热水分子，以使水分子蒸发，进而使三维打印浆料去除水分子而固化成型。

其中，于去除未成型之三维打印浆料之步骤后，更包含以下步骤：烧结陶瓷生胚，以形成陶瓷成品。

其中，陶瓷粉末与纳米粒子溶胶之重量比值范围介于0.1～10之间。

其中，陶瓷粉末与纳米粒子溶胶所形成之三维打印浆料之收缩比率范围介于1％～10％之间。

其中，陶瓷粉末之尺寸范围介于50～50000nm之间，而纳米粒子溶胶之尺寸介于20～500nm之间。

相较于现有技术中直接对陶瓷材料加热或以紫外光照射紫外光光敏树脂以做为黏结剂的技术，本发明之陶瓷材料的成型方法系利用混合有陶瓷粉末及纳米粒子溶胶的三维打印浆料进行三维打印，且此三维打印固化之方式系利用镭射光加热，以使纳米粒子溶胶进行化学反应，而将陶瓷粉末包覆及相互黏着，进而形成陶瓷生胚。本发明之陶瓷材料的成型方法非直接对陶瓷粉末加热，因此不会造成较大的收缩及变形，且加热后亦不会产生对人体有害之物质，进而解决现有技术所产生之问题。

【图示简单说明】

图1为根据本发明之一具体实施例之陶瓷材料的成型方法之步骤流程图。

图2为根据本发明之另一具体实施例之陶瓷材料的成型方法之步骤流程图。

图3为根据本发明之一具体实施例之纳米粒子溶胶缩合示意图。

图4为根据本发明之一具体实施例之三维打印浆料成型示意图。

【符号说明】

S1～S6：步骤

S51～S52：子步骤

1：陶瓷粉末

2：纳米粒子溶胶

21：金属氧化物

22：溶剂

【实施方式】

为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易且明确地了解，后续将以实施例并参照所附图式进行详述与讨论。值得注意的是，这些实施例仅为本发明代表性的实施例。但是其可以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明的公开内容更加透彻且全面。

在本发明公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非在限制本发明所公开的各种实施例。如在此所使用的单数形式系也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。除非另有限定，否则在本说明书中使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)具有与本发明公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的涵义相同的涵义。上述术语(诸如在一般使用的辞典中限定的术语)将被解释为具有与在相同技术领域中的语境涵义相同的涵义，并且将不被解释为具有理想化的涵义或过于正式的涵义，除非在本发明公开的各种实施例中被清楚地限定。

请参阅图1，图1为根据本发明之一具体实施例之陶瓷材料的成型方法之步骤流程图。如图1所示，本发明之陶瓷材料的成型方法包含以下步骤：步骤S1：提供陶瓷粉末；步骤S2：提供纳米粒子溶胶，其包含有金属氧化物及溶剂；步骤S3：混合陶瓷粉末及纳米粒子溶胶以形成三维打印浆料；步骤S4：铺设三维打印浆料；步骤S5：以镭射光照射并加热三维打印浆料，以使三维打印浆料中之纳米粒子溶胶进行化学反应，进而使三维打印浆料成型成陶瓷生胚。于一具体实施例中，于步骤S5中，三维打印浆料经由镭射光照射并加热而进行溶胶-凝胶(Sol-Gel)法，进而使纳米粒子溶胶2具有黏着功能，而得以包覆陶瓷粉末，并使陶瓷粉末相互黏着。

更进一步来说，请参阅图2，图2为根据本发明之另一具体实施例之陶瓷材料的成型方法之步骤流程图。如图2所示，步骤S5更进一步包含以下子步骤：步骤S51：以镭射光照射三维打印浆料，镭射光的能量会使纳米粒子溶胶中的羟基产生聚合反应，并产生水分子；步骤S52：以镭射光加热水分子，以使水分子蒸发，进而使三维打印浆料去除水分子而固化成型。溶胶-凝胶(Sol-Gel)法系利用高化学活性组份的化合物作为前躯体，在液相下将原料混合均匀后，进行水解反应及缩合反应，进而在溶液中形成稳定的透明凝胶体系。溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化即可制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

本发明之纳米粒子溶胶中所含之金属氧化物及溶剂可借由镭射光照射而进行溶胶-凝胶(Sol-Gel)法，而使纳米粒子溶胶进行水解反应及缩合反应进而产生水分子。于一具体实施例中，当使用Si(OR)₄作为金属氧化物，则进行以下两步化学反应：

其中，第一步为水解反应，而第二步为缩合反应，进而产生水分子。水分子会因为镭射光加热而蒸发，进而使三维打印浆料去除水分子而固化成型。最后再经由步骤S6：烧结陶瓷生胚，以形成陶瓷成品。

请参阅图3及图4，图3为根据本发明之一具体实施例之纳米粒子溶胶2缩合示意图，图4为根据本发明之一具体实施例之三维打印浆料成型示意图。如图3所示，纳米粒子溶胶2包含有金属氧化物21及溶剂22，且可借由特定波长的镭射光照射，而进行水解、聚合和缩合反应，进而转变成高黏性胶体。于实际应用中，由于上述之溶剂22的吸收波长范围介于1000至20000nm之间，因此上述之镭射光的特定波长的范围可以介于1500至20000nm之间。于一实施例中，镭射光可包含有二氧化碳镭射光及二极管镭射光中之一者。由于纳米粒子溶胶2经过化学反应之后，会提高三维打印浆料中的无机网络的偶联度，因此将此特性应用于陶瓷材料上，可以提高陶瓷成品的机械强度。将纳米粒子溶胶2与陶瓷粉末1混合后，纳米粒子溶胶2可以作为陶瓷粉末1的黏着剂。经由镭射光照射后，纳米粒子溶胶2则会形成凝胶而作为陶瓷生胚的支撑材料。最后在烧结过程中，三维打印浆料将形成具有陶瓷粉末1的新晶体结构。其中，由于经过了水解反应、缩合反应及蒸发水分子，因此自三维打印浆料的体积会收缩而较陶瓷生胚时的体积小，而此收缩率可以借由纳米粒子溶胶2与陶瓷粉末1间之比例来进行控制及调整。于一具体实施例中，陶瓷粉末1与纳米粒子溶胶2之重量比值范围介于0.1～10之间。而陶瓷粉末1与纳米粒子溶胶2所形成之三维打印浆料之收缩比率范围介于1％～10％之间。于较佳实施例中，陶瓷粉末1与纳米粒子溶胶2所形成之三维打印浆料之收缩比率范围介于2％～5％之间。

于一具体实施例中，本发明之陶瓷材料的成型方法除了可以将三维打印浆料成型成陶瓷生胚，亦可以应用于一次烧结之制程。换言之，本发明之陶瓷材料的成型方法中，于步骤S52，可以镭射光加热去除水分子以固化成生胚外，另可以以镭射光加热至烧结，进而形成陶瓷成品。

于一具体实施例中，上述之金属氧化物21包含有碱土金属、镧系金属、锕系金属、过渡金属和类金属中至少一者之氧化物。进一步来说，金属氧化物21可包含有镁、钙、锶、钡、硼、铝、镓、铟、铊、硅、锗、锡、锑、铋、镧系金属、锕系金属、钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铼、铁、钌、钴、镍、铜、锌和镉中至少一者之氧化物。纳米粒子溶胶2则包含有羟基、自由基及水基中至少一者。溶剂22包含有水、醇类及酮类。于实际应用中，溶剂22包含有水、甲醇、乙醇及丙酮，但不以此为限。其中，陶瓷粉末1之尺寸范围介于50～50000nm之间，而纳米粒子溶胶2之尺寸介于20～500nm之间。

相较于现有技术，本发明之陶瓷材料的成型方法系利用混合有陶瓷粉末1及纳米粒子溶胶2的三维打印浆料进行三维打印，且此三维打印固化之方式系利用镭射光照射，以使纳米粒子溶胶2进行溶胶-凝胶反应，而将陶瓷粉末1包覆及相互黏着。此外，更可进一步借由镭射光加热而使陶瓷生胚中的水分子蒸发，进而形成陶瓷生胚。本发明之陶瓷材料的成型方法以非直接对陶瓷粉末1加热的方式成型，因此不会造成较大的收缩及变形，且加热后亦不会产生对人体有害之物质，进而解决现有技术所产生之问题。

借由以上具体实施例之详述，系希望能更加清楚描述本发明之特征与精神，而并非以上述所揭露的具体实施例来对本发明之范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请之专利范围的范畴内。

Claims (10)

1.一种陶瓷材料的成型方法，应用于三维打印陶瓷工艺，该陶瓷材料的成型方法包含以下步骤：

提供一陶瓷粉末；

提供一纳米粒子溶胶，其包含有一金属氧化物及一溶剂；

混合该陶瓷粉末及该纳米粒子溶胶以形成一三维打印浆料；

铺设该三维打印浆料；以及

以一镭射光照射并加热该三维打印浆料，以使该三维打印浆料中之该纳米粒子溶胶进行化学反应，进而使该三维打印浆料成型成一陶瓷生胚。

2.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该金属氧化物包含有碱土金属、镧系金属、锕系金属、过渡金属和类金属中至少一者之氧化物。

3.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该金属氧化物包含有镁、钙、锶、钡、硼、铝、镓、铟、铊、硅、锗、锡、锑、铋、镧系金属、锕系金属、钪、钇、钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铼、铁、钌、钴、镍、铜、锌和镉中至少一者之氧化物，以及该纳米粒子溶胶包含有羟基、自由基及水基中至少一者。

4.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该溶剂包含有水、醇类及酮类。

5.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该镭射光之波长范围介于1500至20000nm之间。

6.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中于以该镭射光照射并加热该三维打印浆料，以使该三维打印浆料中之该纳米粒子溶胶进行化学反应，进而使该三维打印浆料成型之步骤中，更包含以下子步骤：

以该镭射光照射该三维打印浆料，以使其进行化学反应，并产生一水分子；以及

以该镭射光加热该水分子，以使该水分子蒸发，进而使该三维打印浆料去除该水分子而固化成型。

7.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中于去除未成型之该三维打印浆料之步骤后，更包含以下步骤：

烧结该陶瓷生胚，以形成一陶瓷成品。

8.如申请专利范围第1项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该陶瓷粉末与该纳米粒子溶胶之重量比值范围介于0.1～10之间。

9.如申请专利范围第8项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该陶瓷粉末与该纳米粒子溶胶所形成之该三维打印浆料之收缩比率范围介于1％～10％之间。

10.如申请专利范围第9项所述之陶瓷材料的成型方法，其中该陶瓷粉末之尺寸范围介于50～50000nm之间，而该纳米粒子溶胶之尺寸介于20～500nm之间。

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