CN111070375B - 一种冻结陶瓷浆料3d打印机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冻结陶瓷浆料3D打印机构，包括刮料装置、冷冻装置、工作台、升降台、激光扫描装置、低温箱：所述刮料装置设置有可均匀出料的刮刀，所述冷冻装置设置有可控低温冷冻板，所述工作台设置有加工室和废料室，驱动装置驱动刮料装置在升降台上铺设一层浆料，多余浆料由废料室回收，冷冻装置自上而下接触冷冻料层，激光扫描装置选区辐照冻结料层，低温箱维持加工室处于低温状态，避免已加工冻结料层融化。采用该冻结浆料3D打印机构可实现料层的快速凝固，避免逐层堆积3D打印过程中坯体的变形，提高了3D打印效率和加工稳定性，此外，本发明可通过对浆料中溶剂冷冻结晶过程的控制实现零件微观结构的改善。

Description

一种冻结陶瓷浆料3D打印机构
技术领域
本发明涉及技术增材制造3D打印领域，具体为一种冻结陶瓷浆料3D打印机构。
背景技术
陶瓷材料具有高强、高硬、耐磨、耐蚀、耐高温、塑性差等特点，铣削性能差，采用传统的机械加工方法成型效率低、精度差、刀具磨损严重、材料易碎裂。目前应用最广泛的的陶瓷成型工艺为烧结生坯工艺，较成熟的生坯成型工艺包括挤压成型、压延成型、注射成型、注浆成型、流延成型、凝胶注模成型和直接凝固注模成型，这些工艺的基本流程包括：首先以粉料、水和添加剂等制备陶瓷浆料，其次通过一定的方式（挤、压、注等）使材料填充进模具中，并使材料凝固成型，最后经过高温烧结制得陶瓷零件。基于陶瓷粉末的成型方法有干压成型法和等静压成型法等。这些陶瓷成型工艺根据自身的特点可用于加工不同形状的陶瓷零件，如管状、板状、薄膜状和复杂三维形状等，但它们共同的缺点是需要预先制备模具，由此产生的模具设计、加工、脱模等过程不仅增加了加工的周期和成本，还造成一些特殊形状零件无法加工。这些因素制约了陶瓷材料的推广应用。为解决传统方法难以对陶瓷材料进行成型的问题，国内外学者提出了许多针对性的先进成型技术，其中陶瓷材料3D打印技术成为当下的研究热点；
陶瓷材料3D打印技术按照材料状态可分为粉末、浆料和丝材，其中浆料具有陶瓷颗粒小、材料性质均匀、可铺料层厚度小等良好的铺设性能，因此基于浆料的陶瓷3D打印技术研究最为广泛，如光固化法（SL）、陶瓷激光凝胶（CLG）、分层浆料沉积（layer-wiseslurry deposition, LSD）、陶瓷激光烧结（ceramic laser sintering, CLS）、陶瓷激光熔覆（ceramic laser fusion, CLF）、冷冻挤出成型（freeze form extrusion fabrication,FEF）、陶瓷/莰烯三维挤出法（3D ceramic/camphene-based extrusion, 3D-Ex）、直接喷墨3D打印（direct inkjet printing, DIP）等。其中SL、CLG、FEF、3D-Ex、DIP等方法为避免加工中坯体的变形，不得不为零件设计、加工支撑结构，增加了成本。LSD、CLS、CLF等通过先整层加热干燥再激光扫描的方式，利用浆料失水干燥硬化的特点提高了3D打印加工稳定性，但为了避免高温造成料层沸腾、收缩、开裂、变形，这些方法干燥固化料层耗时较长，加工效率不高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种冻结陶瓷浆料3D打印机构，其可有效解决上述问题，提高了陶瓷浆料3D打印效率和加工稳定性，此外，本发明可通过对浆料中溶剂冷冻结晶过程的控制实现零件微观结构的改善。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种冻结陶瓷浆料D打印机构，其特征在于：包括刮料装置、冷冻装置、工作台、激光扫描装置、升降台和低温箱；
所述刮料装置包括水平移动滑块和刮刀，且刮刀与水平移动滑块固定连接，所述刮料装置与工作台的上表面连接，且沿X方向滑移配合，所述刮刀的下边缘与工作台上表面接触配合；
所述冷冻装置包括冷冻液盒、加热器和冷冻板，且冷冻液盒、加热器和冷冻板三者固定连接，所述冷冻液盒的内部注入冷冻液，所述冷冻板位于冷冻液盒的底部且保持与冷冻液充分接触，所述加热器包覆于冷冻板的外表面，所述冷冻装置与水平移动滑块沿Z方向滑移配合；
所述工作台包括箱体以及设置于其内部的加工室和废料室；
所述激光扫描装置位于加工室的正上方；
所述升降台与加工室的内壁沿Z方向滑移配合；
所述低温箱位于工作台的下方，且加工室位于低温箱的内部。
优选的，所述刮刀包括进料口、缓冲仓和出料口，所述进料口为圆形，所述出料口为长方形，所述进料口与缓冲仓的接口为圆形且接口位于缓冲仓的下方，所述出料口与缓冲仓接口为长方形且接口位于缓冲仓的上方。
优选的，所述冷冻液盒为隔热材质，且其上端设置有漏斗状进液口。
优选的，所述冷冻液为液氮。
优选的，所述冷冻板和升降台均为高导热金属材质。
优选的，所述高导热金属材质为金、银、铜中的一种。
优选的，所述冷冻板内设置有温度传感器。
优选的，所述冷冻板的下表面面积大于加工室开口面积，且冷冻板下表面可完全覆盖加工室开口。
优选的，所述冷冻板随水平移动滑块移动至加工室正上方时，所述刮刀位于废料室上方。
优选的，所述升降台垂直移动时与加工室内壁做活塞运动。
优选的，所述低温箱的内部恒温为0～-50℃。
优选的，所述激光扫描装置为X-Y双坐标激光扫描装置、振镜激光扫描装置中的一种，且激光扫描装置对冻结料层的作用为切割或者固化。
本发明提出的一种冻结陶瓷浆料3D打印机构，有益效果在于：
1、本发明通过使陶瓷浆料冻结的方式，提高了料层强度，保证了3D打印加工稳定性，加工悬臂结构时不需要设计、加工支撑结构，节约了成本；
2、本发明采用冷冻板进行接触式冷冻，保证了固化层面的平整，可尽可能快的提高冷冻速度来改善加工效率；
3、本发明采用液氮和加热器耦合作用的方式控制冷冻板的温度，实现对浆料中溶剂冷冻结晶过程的控制，从而调节冻结态下材料中物质的分布，如与冷冻干燥技术结合，可获得不同孔隙结构的微米级多孔陶瓷；
在前期制备有机纤维网格骨架陶瓷复合材料片材的过程中，采用浸涂浆料的方式可保证固含量5～90wt%的陶瓷浆料可充分浸满各种目数的有机纤维网格，可用于成型微米级细密孔隙结构陶瓷；
总之，本发明提供的技术方案，可获得规则孔隙结构，具有原料制备工艺简单、材料应用范围广泛、加工过程无需模具、加工效率高、成本低、孔隙结构可设计性强、多孔陶瓷比强度高等优点。
附图说明
图1为本发明所述一种冻结陶瓷浆料3D打印机构的结构示意图；
图2为本发明所述一种冻结陶瓷浆料3D打印机构其刮刀102的三维结构示意图；
图3为本发明所述一种冻结陶瓷浆料3D打印机构其冷冻装置2的三维结构示意图。
图中：1、刮料装置，101、水平移动滑块，102、刮刀，102a、出料口，102b、缓冲仓，102c、进料口，2、冷冻装置，201、冷冻液盒，202、加热器，203、纯铜冷冻板，3、工作台，301、加工室，302、废料室，303、箱体，4、二氧化碳激光扫描装置，5、升降台，6、低温箱。
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。
实施例1、请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种冻结陶瓷浆料3D打印机构，包括以下结构：
刮料装置1，包括水平移动滑块101、刮刀102，刮刀102通过螺钉紧固于水平移动滑块101的右侧，刮料装置1与工作台3上表面通过导轨连接，且刮刀102下边缘与工作台3上表面接触配合，通过步进电机驱动刮料装置1沿X方向滑移；
刮刀102包括进料口102c、出料口102a，进料口102c为圆形，出料口102a为长方形，进料口102c与缓冲仓102b接口为圆形且接口位于缓冲仓下方，出料口与缓冲仓接口102b为长方形且接口位于缓冲仓上方；
冷冻装置2包括冷冻液盒201、加热器202、纯铜冷冻板203；冷冻液盒201内壁直径略大于冷冻板203直径，冷冻液盒201套在冷冻板203上，二者通过螺钉紧固，并在接触间隙填入真空泥进行密封，冷冻液盒201内部注入液氮，且保持液氮与冷冻液203充分接触；柔性硅胶加热器202包覆于冷冻板203外表面；冷冻板203圆柱面上黏贴片式热电偶，通过柔性硅胶加热器202控制冷冻板203温度为-100℃；冷冻装置2通过滚珠丝杠连接在水平移动滑块101左侧，通过步进电机驱动冷冻装置2沿Z方向滑移；
二氧化碳激光扫描装置4，位于加工室301正上方，通过振镜扫描系统实现激光选区扫描；
升降台5为纯铜材质，与加工室301内壁沿Z方向滑移配合，通过步进电机驱动滚珠丝杠使升降台5沿加工室301内壁做活塞运动；
低温箱6为上开口制冷柜，位于工作台3下方，且低温箱6上表面与工作台3上表面通过螺钉紧固，且加工室301位于低温箱6内部，控制低温箱6内部恒温-25℃；
冷冻板203下表面面积大于加工室301开口面积，且冷冻板203下表面可完全覆盖加工室301开口；
冷冻板203随水平移动滑块101移动至加工室301正上方时，刮刀102位于废料室302上方；
作业1：步进电机驱动升降台5下降一层；
作业2：蠕动泵将浆料从进料口102c送入缓冲仓102b，缓冲仓102b内浆料液面不断上升，当浆料到达出料口102a与缓冲仓102b上端接口时，水平液面均匀的分布于上端接口，继续送入浆料使浆料从出料102a均匀挤出；同时步进电机驱动刮料装置1沿X方向向右滑移并在升降台5上铺设一层浆料；刮料装置1继续沿X方向向右滑移，刮刀102将多余浆料送入废料室302，此时冷冻板203位于加工室301正上方，步进电机驱动冷冻板203向下运动至于料层上表面接触，待料层冻结后，步进电机驱动冷冻板203上移回到初始高度，同时步进电机驱动滑块101左移回到初始位置；
作业3：开启激光扫描装置4对冻结料层进行选区辐照，实现对料层的切割，该层加工完毕后关闭激光器；
重复作业1～作业3，直至打印完成，取出工件并进行冷冻干燥，得到微米级多孔陶瓷坯体。
实施例2；
本实施例与实施例1不同的是，作业3中，开启激光扫描装置4对冻结料层进行选区辐照，实现对料层的固化；
重复作业1～作业3，直至打印完成，取出工件并在水中清洗，去除未扫描区域的冻结浆料，陶瓷坯体。
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 (11)

1.一种冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：包括刮料装置（1）、冷冻装置（2）、工作台（3）、激光扫描装置（4）、升降台（5）和低温箱（6）；
所述刮料装置（1）包括水平移动滑块（101）和刮刀（102），且刮刀（102）与水平移动滑块（101）固定连接，所述刮料装置（1）与工作台（3）的上表面连接，且沿X方向滑移配合，所述刮刀（102）的下边缘与工作台（3）上表面接触配合；
所述刮刀（102）包括进料口（102c）、缓冲仓（102b）和出料口（102a），所述进料口（102c）为圆形，所述出料口（102a）为长方形，所述进料口（102c）与缓冲仓（102b）的接口为圆形且接口位于缓冲仓（102b）的下方，所述出料口（102a）与缓冲仓（102b）接口为长方形且接口位于缓冲仓（102b）的上方；
所述冷冻装置（2）包括冷冻液盒（201）、加热器（202）和冷冻板（203），且冷冻液盒（201）、加热器（202）和冷冻板（203）三者固定连接，所述冷冻液盒（201）的内部注入冷冻液，所述冷冻板（203）位于冷冻液盒（201）的底部且保持与冷冻液充分接触，所述加热器（202）包覆于冷冻板（203）的外表面，所述冷冻装置（2）与水平移动滑块（101）沿Z方向滑移配合；
所述工作台（3）包括箱体（303）以及设置于其内部的加工室（301）和废料室（302）；
所述激光扫描装置（4）位于加工室（301）的正上方；
所述升降台（5）与加工室（301）的内壁沿Z方向滑移配合；
所述低温箱（6）位于工作台（3）的下方，且加工室（301）位于低温箱（6）的内部。
2.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述冷冻液盒（201）为隔热材质，且其上端设置有漏斗状进液口。
3.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述冷冻液为液氮。
4.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述冷冻板（203）和升降台（5）均为高导热金属材质。
5.根据权利要求4所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述高导热金属材质为金、银、铜中的一种。
6.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述冷冻板（203）内设置有温度传感器。
7.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述冷冻板（203）的下表面面积大于加工室（301）开口面积，且冷冻板（203）下表面可完全覆盖加工室（301）开口。
8.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述冷冻板（203）随水平移动滑块（101）移动至加工室（301）正上方时，所述刮刀（102）位于废料室（302）上方。
9.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述升降台（5）垂直移动时与加工室（301）内壁做活塞运动。
10.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述低温箱（6）的内部恒温为0～-50℃。
11.根据权利要求1所述的冻结陶瓷浆料3D打印机构，其特征在于：所述激光扫描装置（4）为X-Y双坐标激光扫描装置、振镜激光扫描装置中的一种，且激光扫描装置（4）对冻结料层的作用为切割或者固化。
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