CN112250445A - 一种3d打印梯度陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印梯度陶瓷型芯，按照质量百分比由以下组分组成，打印陶瓷珠粒90％‑94％、粘结剂1％‑5％、润滑分散剂0.5％‑5％、两相偶联剂0.5％‑5％，合计100％。本发明还公开了一种3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，步骤包括：步骤1、制备打印陶瓷珠粒；步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体；步骤3、上述陶瓷型芯胚体中，打印陶瓷珠粒被激光粘结或烧结的部分作为主体结构，其余打印陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒，即成。本发明的制备方法，可以获得内部轻质多孔的陶瓷型芯，减少了脱芯工作量，提高了脱芯效率。

Description

一种3D打印梯度陶瓷型芯及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷型芯技术领域，涉及一种3D打印梯度陶瓷型芯，本发明还涉及该种3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有优良高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性，使用其在航天航空、汽车、生物等行业得到广泛应用。而陶瓷难以成型的特点又限制了它的使用，尤其是复杂陶瓷制件的成型均借助于复杂模具来实现。复杂模具需要较高的加工成本和较长的开发周期，而且，模具加工完毕后，就无法对其进行修改，这种状况越来越不适应产品的改进及更新换代，采用快速成型技术制备陶瓷制件可以克服上述缺点。
陶瓷型芯作为形成铸件空腔的转接体，其作用是：形成铸件的内腔结构，与外型模或型壳共同保证铸件对空腔的尺寸精度要求，简化工艺难度，降低成本，提高制品合格率的一种特殊的工艺手段。
3D打印技术起源于美国，是一种快速成型技术，又被称为增材制造，目前在制造业领域正迅速发展。与传统制造技术相比，3D打印具有以下优点：1)无需机械加工或者任何模具，可直接利用三维模型成型任意形状的零件；2)可以成型传统制造技术无法生产出的复杂零件。3D打印的这些特点可以有效缩短产品的研发周期，提高生产效率，降低生产成本，增加产品多样性，使其在单件小批量生产中占据明显优势。将陶瓷3D打印应用于传统的熔模铸造工艺中，使用陶瓷珠粒直接打印型芯来取代传统的开模具压制型芯，可以减少产品的研发周期，降低生产成本，使其在现代工业生产中具备更强的竞争力。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印梯度陶瓷型芯，解决了现有技术难以制备出不同位置具有不同致密度和不同孔隙大小及孔隙率的陶瓷型芯，增大了脱除型芯的工作量，影响脱芯效率的问题。
本发明的另一目的是提供该种3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，解决了现有技术在陶瓷型芯制备工艺上控制不精准的问题。
本发明采用的技术方案是，一种3D打印梯度陶瓷型芯，按照质量百分比由以下组分组成，打印陶瓷珠粒90％-94％、粘结剂1％-5％、润滑分散剂0.5％-5％、两相偶联剂0.5％-5％，合计100％。
本发明采用的另一技术方案是，一种3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、制备打印陶瓷珠粒，
分别称取陶瓷珠粒、粘结剂、润滑分散剂、两相偶联剂，混合在一起并搅拌均匀，获得粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒；
步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体，
在工作台面上平铺一层粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒，利用激光束扫描特定区域的打印陶瓷珠粒，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成层状结构；烧结后，工作台下降预定高度，再铺一层不同粒度粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒进行烧结，总共铺设三层，得到陶瓷型芯胚体，
步骤3、上述陶瓷型芯胚体中，打印陶瓷珠粒被激光粘结或烧结的部分作为主体结构，其余打印陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒，即成。
本发明的有益效果是，包括以下几个方面：
1)本发明的制备方法，采用3D打印梯度陶瓷型芯结构，可以获得内部轻质多孔的陶瓷型芯，减少了脱芯工作量，提高了脱芯效率。
2)本发明的制备方法，使用加热固化型超大分子树脂粘结陶瓷珠粒(优选三氧化二铝陶瓷珠粒)层层扫描，不变形、不位移、不断裂、收缩率低，尺寸精度高，能制作出腔道复杂的薄壁铸件，且壁厚均匀。
具体实施方式
本发明的3D打印梯度陶瓷型芯，按照质量百分比由以下组分组成，打印陶瓷珠粒90％-94％、粘结剂1％-5％、润滑分散剂0.5％-5％、两相偶联剂0.5％-5％，合计100％。
打印陶瓷珠粒由陶瓷珠粒和漂珠按体积比1：1配制而成，漂珠多孔疏松，可以提高型芯里层的孔隙率，因而提高陶瓷型芯的脱除效率。以下陶瓷珠粒均采用三氧化二铝的原料。
粘结剂采用加热固化型超大分子树脂。
润滑分散剂选用硬脂酸钡或硬脂酸铣铵。
两相偶联剂选用铝酸化合物偶联剂或锆类偶联剂。
本发明上述3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、制备打印陶瓷珠粒，
分别称取陶瓷珠粒、粘结剂、润滑分散剂、两相偶联剂，混合在一起并搅拌均匀，获得粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒；
步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体，
在工作台面上平铺一层粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒，利用激光束扫描特定区域的打印陶瓷珠粒，烧结温度为1450℃-1520℃，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成层状结构；烧结后，工作台下降预定高度，再铺一层不同粒度粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒进行烧结，总共铺设三层，得到陶瓷型芯胚体，具体过程是：
制备第一层(即最下层)：采用100-500目的不含漂珠的陶瓷珠粒，激光扫描30-40s，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.2-0.8mm的三氧化二铝致密层；
制备第二层：第一层扫描固化完成后，工作台下降预定高度，采用25-100目的陶瓷珠粒和粒径为70-200目的漂珠，二者的体积比为1：1，激光扫描50-70s，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.5-1.5mm的漂珠-三氧化二铝复合层；
制备第三层：第二层扫描固化完成后，工作台再下降预定高度，采用30-70目的陶瓷珠粒和粒径为20-70目的漂珠，二者的体积比为1：1.5，激光扫描80-100s，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成2-8mm的漂珠-三氧化二铝复合层，获得陶瓷型芯胚体；
步骤3、上述陶瓷型芯胚体中，打印陶瓷珠粒被激光粘结或烧结的部分作为主体结构，其余打印陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒，即成。
实施例1
步骤1、制备打印陶瓷珠粒，
分别称取三氧化二铝陶瓷珠粒92％、加热固化型超大分子树脂2％、润滑分散剂硬脂酸钡3％、两相偶联剂铝酸化合物偶联剂3％混合，搅拌均匀，获得带有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒。
步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体，
将粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒平铺在工作台上，利用激光束扫描特定区域内的陶瓷珠粒，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成层状结构；烧结后，工作台下降预定高度，再铺一层不同粒度的陶瓷珠粒进行烧结，总共铺设三层，得到陶瓷型芯胚体，具体过程是：
制备第一层：采用500目的陶瓷珠粒，激光扫描30s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.2mm的三氧化二铝致密层。
制备第二层：第一层扫描固化完成后，工作台下降预定高度，采用100目的陶瓷珠粒和粒径为70目的漂珠，二者的体积比为1：1，激光扫描50s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.5mm的漂珠-三氧化二铝复合层。
制备第三层：第二层扫描固化完成后，工作台下降预定高度，采用70目的陶瓷珠粒和粒径为30目的漂珠，二者的体积比为1：1.5，激光扫描80s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成2mm的漂珠-三氧化二铝复合层，获得陶瓷型芯胚体。
所述陶瓷珠粒被粘结或烧结的部分作为主体结构，其余陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒。
对上述陶瓷珠粒被粘结或烧结的主体结构进行高温烧结，上述烧结温度为1500℃。
实施例2
步骤1、制备打印陶瓷珠粒，
分别称取三氧化二铝陶瓷珠粒92％、粘结剂4％、润滑分散剂硬脂酸钡3％、两相偶联剂锆类偶联剂1％混合，搅拌均匀，获得带有高分子粘结剂的陶瓷珠粒。
步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体，
将带有加热固化型超大分子树脂的陶瓷珠粒平铺在工作台上，利用激光束扫描特定区域内的陶瓷珠粒，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成层状结构；烧结后，工作台下降预定高度，再铺一层不同粒度的陶瓷珠粒进行烧结，总共铺设三层，得到陶瓷型芯胚体，具体过程是：
制备第一层：采用300目的陶瓷珠粒，激光扫描40s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.5mm的三氧化二铝致密层。
制备第二层：扫描固化后，工作台下降预定高度，采用80目的陶瓷珠粒和粒径为80目的漂珠，二者的体积比为1：1，激光扫描50s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成1mm的漂珠-三氧化二铝复合层。
制备第三层：第二层扫描固化完成后，工作台下降预定高度，采用50目的陶瓷珠粒和粒径为40目的漂珠，二者的体积比为1：1.5，激光扫描90s，使漂珠中的粘结剂熔融固化，形成5mm的漂珠-三氧化二铝复合层，获得陶瓷型芯胚体。
所述陶瓷珠粒被粘结或烧结的部分作为主体结构，其余陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒。
所述烧结温度为三氧化二铝陶瓷珠粒时温度为1450℃。
实施例3
步骤1、制备打印陶瓷珠粒，
分别称取三氧化二铝陶瓷珠粒94％、粘结剂2％、润滑分散剂硬脂酸铣铵2％、两相偶联剂铝酸化合物偶联剂2％混合，搅拌均匀，获得带有高分子粘结剂的陶瓷珠粒。
步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体
将带有加热固化型超大分子树脂的陶瓷珠粒平铺在工作台上，利用激光束扫描特定区域内的陶瓷珠粒，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成层状结构；烧结后，工作台下降预定高度，再铺一层不同粒度的陶瓷珠粒进行烧结，总共铺设三层，得到陶瓷型芯胚体，具体过程是：
制备第一层：采用100目的陶瓷珠粒，激光扫描50s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.8mm三氧化二铝致密层。
制备第二层：扫描固化后，工作台下降预定高度，采用60目的陶瓷珠粒和粒径为100目的漂珠，二者的体积比为1：1，激光扫描60s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成1.5mm漂珠-三氧化二铝复合层。
制备第三层：扫描固化，工作台下降预定高度，采用30目的陶瓷珠粒和粒径为50目的漂珠，二者的体积比为1：1.5，激光扫描100s，使珠粒中的粘结剂熔融固化，形成8mm漂珠-三氧化二铝复合层，获得陶瓷型芯胚体。
所述陶瓷珠粒被粘结或烧结的部分作为主体结构，其余陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒。
所述烧结温度为三氧化二铝陶瓷珠粒时温度为1480℃。

Claims (5)

1.一种3D打印梯度陶瓷型芯，其特征在于：按照质量百分比由以下组分组成，打印陶瓷珠粒90％-94％、粘结剂1％-5％、润滑分散剂0.5％-5％、两相偶联剂0.5％-5％，合计100％。
2.根据权利要求1所述的3D打印梯度陶瓷型芯，其特征在于：所述的打印陶瓷珠粒由陶瓷珠粒和漂珠按体积比1：1配制而成；
所述的粘结剂采用加热固化型超大分子树脂；
所述的润滑分散剂选用硬脂酸钡或硬脂酸铣铵；
所述的两相偶联剂选用铝酸化合物偶联剂或锆类偶联剂。
3.一种3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、制备打印陶瓷珠粒，
分别称取陶瓷珠粒、粘结剂、润滑分散剂、两相偶联剂，混合在一起并搅拌均匀，获得粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒；
步骤2、激光扫描制备陶瓷型芯胚体，
在工作台面上平铺一层粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒，利用激光束扫描特定区域的打印陶瓷珠粒，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成层状结构；烧结后，工作台下降预定高度，再铺一层不同粒度粘附有加热固化型超大分子树脂的打印陶瓷珠粒进行烧结，总共铺设三层，得到陶瓷型芯胚体；
步骤3、上述陶瓷型芯胚体中，打印陶瓷珠粒被激光粘结或烧结的部分作为主体结构，其余打印陶瓷珠粒作为支撑结构，打印结束后，再去除没有被粘结固化的陶瓷珠粒，即成。
4.根据权利要求3所述的3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体过程是：
制备第一层：采用100-500目的不含漂珠的陶瓷珠粒，激光扫描30-40s，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.2-0.8mm的三氧化二铝致密层；
制备第二层：第一层扫描固化完成后，工作台下降预定高度，采用25-100目的陶瓷珠粒和粒径为70-200目的漂珠，二者的体积比为1：1，激光扫描50-70s，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成0.5-1.5mm的漂珠-三氧化二铝复合层；
制备第三层：第二层扫描固化完成后，工作台再下降预定高度，采用30-70目的陶瓷珠粒和粒径为20-70目的漂珠，二者的体积比为1：1.5，激光扫描80-100s，使打印陶瓷珠粒中的粘结剂熔融固化，形成2-8mm的漂珠-三氧化二铝复合层，获得陶瓷型芯胚体。
5.根据权利要求3所述的3D打印梯度陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述的步骤2中，烧结温度为1450℃-1520℃。
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