CN111868004A - 经由液体途径的陶瓷增材制造方法和实施所述方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，所述方法包括以下步骤：通过将沉积材料(32)经由喷嘴(30)排出而将其沉积在沉积表面(24)上，所述喷嘴和/或所述沉积表面(24)取决于待生产的零件而移动，其特征在于，沉积材料(32)通过以下获得：在尽可能接近喷嘴(30)处混合至少一种料浆(42)和至少一种助剂(44)，同时排出沉积材料(32)，其至少在穿过喷嘴(30)之后变成糊状。

Description

经由液体途径的陶瓷增材制造方法和实施所述方法的设备
技术领域
本申请涉及经由液体途径的陶瓷增材制造方法以及用于实施所述方法的设备。
背景技术
根据第一种增材制造技术，由陶瓷材料制成的零件通过以下获得：从陶瓷粉末或陶瓷粉末的混合物开始，通过一堆连续的层，并且对于每个层，通过例如使用激光进行选择性烧结。举例来说，如文件FR2.774.931所示，该第一种技术包括：
-从待生产的零件的数字表示中确定一系列重叠的部分，
-对于每个部分，重复进行以薄层形式沉积陶瓷粉末或陶瓷粉末混合物的步骤，以及激光烧结对应于所述零件的部分的刚刚沉积的层的一个或多个区域的步骤。
该第一种技术相对昂贵，并且被证明很长并且难以应用于大尺寸的零件。
根据第二种技术，如在《美国陶瓷学会杂志》，第81卷，第4期，1998年4月1日出版的出版物“Development of Ceramic Inks for Direct Continuous Jet Printing”中所指出的，可以使用矿物油墨通过喷墨印刷技术标记载体。根据该出版物，陶瓷油墨包含悬浮在液体、特别是有机溶剂中的陶瓷粉末。确定该陶瓷油墨的组成，使得其中油墨在沉积时呈足够液态，从而能够以液滴形式脱落。为此，陶瓷油墨不包含胶体颗粒。第二种技术是为小尺寸零件保留的。
根据如图1所示的通过受指引挤出的第三种增材制造技术，从糊状材料10获得陶瓷零件，该糊状材料10被沉积以获得期望的零件。接下来，将如此成形的原始零件干燥，然后焙烧。
为了沉积它，将糊状材料10容纳在密闭的储器12(具有有限的体积)中，该储器在下部具有喷嘴14并且由移动系统16支撑，从而允许相对于沉积表面20，在垂直方向Z上和在水平面内移动储器12、且更具体地喷嘴14。
储器12包括推动系统18，例如活塞，其被构造成沿喷嘴14的方向推动糊状材料10。
储器12不能离喷嘴14太远，因为压降在糊状材料的情况下将很快变得很高。因此，储器12和喷嘴14是邻接的。
根据第一操作模式，糊状材料10经由喷嘴14连续地离开。该连续的离开与喷嘴14的移动相结合使得可以产生一串(boudin)糊状材料10。
根据第二操作模式，糊状材料10从喷嘴14不连续地离开。在这种情况下，离散的量的糊状材料10沉积在喷嘴14的每次移动之间。
无论哪种操作方式，糊状材料10都将被叠加以形成期望的零件。
与前两种技术相比，该第三种技术的实施成本要低得多，并且使用的是陶瓷零件制造领域内所掌握的传统技术(干燥和焙烧)。
然而，其需要对糊状材料10的粘度进行折衷。事实上，糊状材料必须具有足够的流动性以允许其流动经过喷嘴14，但是随着事情的发展又必须具有足够的糊状性以使其固化能够叠加各层。
另外，在连续生产的情况下，所生产的零件的体积被限制为储器12的体积。
本发明旨在弥补现有技术的缺陷。
发明内容
为此，本发明涉及一种由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，所述方法包括以下步骤：通过将沉积材料经由喷嘴排出而将其沉积在沉积表面上，所述喷嘴和/或所述沉积表面取决于待生产的零件而移动，其特征在于，沉积材料通过以下获得：在尽可能接近喷嘴处混合至少一种助剂和至少一种包含10％的悬浮的胶体颗粒的料浆(barbotine)，同时排出沉积材料，调整所述助剂和所述料浆的组成，以便在穿过所述喷嘴之前、在所述喷嘴的水平处或在穿过所述喷嘴之后获得糊状材料。
本发明还涉及一种用于由陶瓷材料制成的零件的增材制造设备，所述设备包含：
-包括喷嘴的沉积头，
-推动系统，其构造成将沉积材料推向所述喷嘴，
-移动系统，其构造成使所述沉积头和/或沉积表面相对于彼此移动，
其特征在于，所述沉积头包含至少一个与所述喷嘴连通的混合区域，至少一个连接到至少一个料浆储器的料浆进料源，以及至少一个连接到至少一个助剂储器的助剂进料源。
根据另一个特征，所述一个(或多个)料浆储器远离所述沉积头，每个料浆储器通过至少一个第一管道连接到所述混合区域。
附图说明
其他特征和优点将从下文对本发明的描述中得出，这些描述仅通过示例的方式并参考附图给出，其中：
-图1是经由糊状物途径的增材制造设备的示意图，它说明了现有技术，
-图2是经由液体途径的增材制造设备的示意图，其示出了本发明的实施方式，以及
-图3是经由液体途径的增材制造设备的示意图，其示出了另一个实施方式。
具体实施方式
增材制造设备22用于在沉积表面24上生产原始陶瓷材料的零件26。与现有技术一样，焙烧该原始零件以完成其制造。
该增材制造设备22包含沉积头28，该沉积头具有喷嘴30，通过该喷嘴排出呈糊状的沉积材料32，该沉积材料特别是具有大于100Pa.s的粘度。
根据一种构造，喷嘴30位于沉积头28的下部中，并且具有漏斗形式，其具有朝向沉积表面24定向的排出孔34。
沉积头28由移动系统36支撑，该移动系统36构造成相对于沉积表面24移动沉积头28，尤其是排出孔34。
移动系统36允许相对于沉积表面24在第一方向Z或竖直方向(垂直于沉积表面24)上并且在至少一个垂直于所述第一方向的第二方向上移动沉积头28。根据一种构造，移动系统36可以使沉积头28沿着三个平动方向移动并且使其沿着三个旋转方向定向。沉积头28因此可以相对于第一方向Z倾斜。
根据一种沉积模式，将沉积材料32沉积在连续的层中。在层的生产期间，沉积头28在水平面内移动。在每一层之间，沉积头28在第一方向Z上移动，以从一层移动到另一层。
移动系统36、沉积表面24和喷嘴30不再进一步描述，因为它们可以与现有技术的第三种制造技术的那些相同。
根据另一实施方式，沉积头28是固定的或者可以相对于一个方向倾斜，并且沉积表面24根据至少一个平动方向和/或至少一个旋转方向相对于沉积头24移动。可替代地，沉积头28和沉积表面24可以移动。
无论采用哪种实施方式，沉积头28和/或沉积表面24都取决于待生产的零件而移动。
沉积头28包括含有沉积材料32并且与喷嘴30连通的排出区域38，以及至少部分地位于排出区域38中并构造成将沉积材料32推向喷嘴30的推动系统40。
根据图2中可见的一种实施方式，推动系统40是蜗杆。
根据图3中可见的另一种实施方式，推动系统40与沉积头28间隔开并且呈例如至少一个气动、液压或机械泵P的形式。
增材制造设备包含至少一个用于控制推动系统40的控制器。因此，根据操作模式，可以逐步地或连续地操作推动系统40。
在逐步操作的情况下，沉积材料32以离散体积的形式离开喷嘴30，并且喷嘴30在两种离散体积的材料的出口之间移动，这两种离散体积的材料取决于待生产的零件而适当地布置。
在与喷嘴30的移动相结合的连续操作的情况下，沉积材料32以糊状串的形式离开喷嘴30，其节段取决于待生产的零件而适当地布置。
指引沉积材料32的排出和喷嘴30的移动不再详述，因为其取决于要生产的零件。
根据一种非限制性实施方式，增材制造设备22包括加热系统，其在加热板的情况下位于沉积表面24下方或者在灯的情况下位于沉积表面24上方，用于加热沉积的材料并更好地控制后者的固结。
根据本发明的一个特征，沉积材料32通过以下获得：在尽可能接近喷嘴30处混合至少一种料浆42和至少一种助剂44，同时将所述沉积材料32排出通过喷嘴30。
对于本申请，术语“助剂”应理解为指包含至少一种有机树脂和/或至少一种絮凝剂和/或至少一种pH调节剂的组合物。
术语“料浆”应理解为指液态的材料，其粘度小于100Pa.s，优选小于10Pa.s，并且大于0.005Pa.s，优选大于0.05Pa.s。
与矿物油墨不同，料浆包含至少10％的悬浮的胶体颗粒。
“尽可能接近”应理解为指沉积材料32可以在有限的压降下从混合区域到达喷嘴30。
混合区域与喷嘴30之间的距离是沉积材料32的粘度的函数。因此，混合区域与喷嘴30之间的距离与沉积材料32的粘度成反比。沉积材料32的粘度越高，混合区域和喷嘴之间的距离就越必须减小。根据一个实施方式，混合区域和喷嘴30之间分开的距离小于1m，优选小于50cm。
“同时”应理解为指混合刚好在沉积材料的排出之前进行。沉积材料的混合和排出之间的持续时间很短，并且取决于助剂和料浆。通常，该持续时间小于1分钟，优选小于10s。
根据一种操作模式，混合是连续进行的，并且材料以混合物的连续形式被排出。
根据本发明的一个特征，每种料浆42是至少一种金属氧化物和/或至少一种矿物原料的悬浮液。料浆包含至少10％、优选至少30％的悬浮在水中的胶体颗粒。
胶体颗粒和助剂的百分比将取决于该沉积材料的所需稠度进行选择。因此，包含30％的胶体颗粒和几乎不浓缩的助剂44的料浆42将允许比包含70％的胶体颗粒和高度浓缩的助剂的料浆42获得更软的串形式的沉积材料。
对于本申请，术语“料浆”既表示料浆又表示料浆的混合物，其组成可能在沉积过程中发生改变。
料浆42是液体，其在管道中的流动产生的压降明显低于现有技术的情况下由糊状材料移动产生的压降。
举例来说，料浆42可以包含在悬浮液中的、由CERADEL公司以参考号GC304出售的砂岩类型的矿物粉末。当然，本发明不限于该组成，后者能够取决于期望的特性从一个零件到另一个零件变化或在零件的生产过程中发生改变。
举例来说，助剂44是包含100％硫酸铝的组合物。当然，本发明不限于该助剂。助剂的组成将特别根据料浆的组成进行调整。
无论助剂44的属性如何，其均呈液体或凝胶形式。因此，与料浆相似，其在管道中的流动产生的压降明显低于由糊状材料移动产生的压降。
因此，根据本发明，将料浆42和助剂44存储在静态(不由移动系统36支撑)且不同的储器R42和R44中。优选地，一个(或多个)料浆储器R42远离沉积头28。根据一个实施方式，一个(或多个)料浆储器R42以及一个(或多个)助剂储器R44远离沉积头30。
增材制造设备22可包括一个或多个料浆储器R42，每个储器包含与另一个储器不同的料浆组成。同样，其可以包含几个助剂储器R44，每个储器包含与另一个储器不同的助剂组成。
根据一个实施方式，至少一个料浆储器R42是开放的，以便能够在不中断喷嘴30的出口处的糊状材料32的流动的情况下进行填充。
根据图2中可见的一个实施方式，沉积头28包括至少一个混合区域46，其具有至少一个料浆进料源48和至少一个助剂进料源50，并且与喷嘴30连通。
沉积头28包括混合系统52，该混合系统52至少部分地位于混合区域46中，并且构造为混合至少一种料浆42和至少一种助剂44以获得均匀的沉积材料32。混合系统52可以是连接到转子的叶片的形式。当然，本发明不限于这种类型的混合器。
混合的持续时间和强度将取决于料浆和/或助剂进行调整。
根据一种构造，排出区域38和混合区域46是两个不同的腔室形式的两个不同的区域，所述两个不同的腔室经由至少一个管道或至少一个孔连通。
根据图2中可见的另一种构造，排出区域38和混合区域46仅形成一个腔室形式的单个区域，其包括在上部的混合系统52和在下部的推动系统40。另外，同一系统可以确保推动系统40和混合系统52的功能。
增材制造设备包括用于每个料浆储器R42的至少一个第一管道54，用于将料浆42从储器R42输送直至沉积头28，更具体地输送直至混合区域46，以及用于每个助剂储器R44的至少一个第二管道56，用于将助剂44从储器R44输送直至沉积头28，更具体地输送直至混合区域46。
从储器R42、R44到混合区域46的料浆和助剂的流动可以通过重力获得。在这种情况下，储器R42、R44位于比混合区域46更重要的高度。
作为变形，增材制造设备包括至少一个泵或类似物，用于使料浆和/或助剂的储器R42、R44流向混合区域46。
设置至少一个计量泵，用于计量引入混合区域46中的料浆和/或助剂的量。根据一种构造，每个第一管道包括第一计量泵58，以控制引入混合区域46中的料浆的量，并且每个第二管道56包括一个第二计量泵60，以控制引入混合区域46的助剂的量。
根据本发明的另一个特征，在与助剂44混合之前，将料浆42脱气。根据一个实施方式，每个料浆储器R42包括脱气系统，其使得能够从料浆42中除去气泡。根据图3所示的另一实施方式，沉积头28包括喷嘴30和腔室62，腔室62与喷嘴30连通并且具有料浆进料源48。根据一种构造，增材制造设备包括至少一个料浆储器R42，其通过第一管道54连接到料浆进料源48。
根据该第二实施方式，推动系统40布置在沉积头28的外部，并且呈位于第一管道54上的泵P的形式。
沉积头28包括位于喷嘴30的水平处并通过第二管道56连接到至少一个助剂储器R44的助剂进料源50。助剂进料源50和/或混合区域46在此处打开，助剂进料源50被构造为引起料浆与助剂之间的混合。
调节助剂和料浆的组成，以便在穿过喷嘴30之前、在喷嘴30的水平处或在穿过喷嘴30之后获得糊状材料。因此，当穿过喷嘴30时，料浆和助剂的混合物可以是液体或几乎是液体，而在穿过喷嘴30后变成糊状并保持其串的形式。
无论采用哪种实施方式，沉积头28均包括至少一个接近喷嘴30的混合区域，在其水平上混合至少一种料浆和至少一种助剂，其与至少一种料浆进料源和至少一种助剂进料源连通。
经由液体途径的陶瓷沉积头进料提供以下优点：
可以将包含待沉积材料的储器与沉积头分离，这有助于减小沉积头的尺寸和质量，并最终减少施加到移动系统上的应力。
与现有技术不同，沉积材料的脱气得以简化，与在糊状组合物中相比，液体组合物中的气泡更易流动并且易于除去。
使用开放式储器来储存料浆，允许必要时可以填充料浆而不需要中断喷嘴水平处的物料流动。因此，可以在不停止材料流动的情况下获得大尺寸的零件。
使用液体料浆允许沉积具有更低粘度的材料，这使得可以更好地控制所形成的串的展开并改善所生产零件的细节水平。
最后，使用液体料浆使得能够更容易地改变沉积材料的组成。因此，可以从单个喷嘴生产具有不同组成和/或组成梯度的零件。

Claims (11)

1.一种由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，所述方法包括以下步骤：通过将沉积材料(32)经由喷嘴(30)排出而将其沉积在沉积表面(24)上，所述沉积表面(24)和/或所述喷嘴(30)取决于待生产的零件而移动，其特征在于，所述沉积材料(32)通过以下获得：在尽可能接近喷嘴(30)处混合至少一种助剂(44)和至少一种包含至少10％的悬浮的胶体颗粒的料浆(42)，同时排出所述沉积材料(32)，调整所述助剂(44)和所述料浆(42)的组成，以便在穿过所述喷嘴(30)之前、在所述喷嘴(30)的水平处或在穿过所述喷嘴(30)之后获得糊状材料。
2.根据权利要求1所述的由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，其特征在于，所述助剂是包含至少一种有机树脂和/或至少一种絮凝剂和/或至少一种pH调节剂的组合物。
3.根据权利要求1或2所述的由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，其特征在于，每种料浆(42)是至少一种金属氧化物和/或至少一种矿物原料的悬浮液。
4.根据前述权利要求中任一项所述的由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，其特征在于，所述料浆(42)是在水中的悬浮液。
5.根据前述权利要求中任一项所述的由陶瓷材料制成的零件的增材制造方法，其特征在于，所述料浆(42)在与所述助剂混合之前脱气。
6.一种用于由陶瓷材料制成的零件的增材制造设备，其允许实施根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述设备包含：
-包括喷嘴(30)的沉积头(28)，
-推动系统(40)，其构造成将沉积材料(32)推向所述喷嘴(30)，
-移动系统(36)，其构造成使所述沉积头(28)和/或沉积表面(24)相对于彼此移动，
其特征在于，所述沉积头(28)包含至少一个与所述喷嘴(30)连通的混合区域(46)，至少一个连接到至少一个料浆储器(R42)的料浆进料源(48)，以及至少一个连接到至少一个助剂储器(R44)的助剂进料源(50)。
7.根据权利要求6所述的增材制造设备，其特征在于，所述一个(或多个)料浆储器(R42)远离所述沉积头(28)，每个料浆储器(R42)通过至少一个第一管道(54)连接到所述混合区域(46)。
8.根据权利要求6或7所述的增材制造设备，其特征在于，所述沉积头(28)包含混合系统(52)，所述混合系统(52)至少部分地位于所述混合区域(46)中并且构造成混合至少一种料浆(42)和至少一种助剂(44)，以获得均匀的糊状材料(32)。
9.根据权利要求6或7所述的增材制造设备，其特征在于，所述助剂进料源(50)在所述混合区域(46)的水平处打开，并且所述助剂进料源(50)和/或所述混合区域(46)构造成引起料浆与助剂之间的混合。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的增材制造设备，其特征在于，所述推动系统(40)与所述沉积头(28)间隔开并且呈泵(P)的形式。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的增材制造设备，其特征在于，每个料浆储器(R42)包含脱气系统。
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