CN114605160B - 基于陶瓷3d打印的方法及其打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于陶瓷3D打印的方法及其打印机。打印机，包括基座、加料组件、研磨组件、传动组件一、出浆组件、加热器、传动组件二和打印盛器；加料组件用于向研磨组件添加物料；传动组件一固定在基座上，传动组件一用于带动出浆组件相对于基座水平移动，研磨组件上安装有向出浆组件输料的输料管道；加热器固定在出浆组件上，加热器用于对经过出浆组件的物料进行加热；传动组件二固定在基座上，传动组件二用于带动打印盛器在基座上纵向运动，且打印盛器位于出浆组件下方。增加了加料组件和研磨组件，使得加料、研磨与打印一体化，便于将配置好的浆料快速用于打印，减少浆料在打印前凝固，从而减少因为浆料在打印前凝固造成的风险。

Description

基于陶瓷3D打印的方法及其打印机
技术领域
本发明涉及物料投放技术领域，尤其是涉及基于陶瓷3D打印的方法及其打印机。
背景技术
陶瓷材料广泛应用于电子、机械、国防、航空航天、医学等领域。相比于金属材料和高分子材料，陶瓷材料不仅具有优良的力学性能如高硬度、耐高温、耐磨等，还在电学、热学、光学、生物相容性等方面的性能突出。
传统的陶瓷成型方法包括干法成型、塑性成型和注浆成型等都需要开模才能制备出具有一定形状和强度的陶瓷制品。
在研发设计过程中所制造的研发样品零件通常无法承担开模所需要的费用。
3D打印又称增材制造，区别传统减材制造如切削、等材制造如铸造等制造方式。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术以模型的三维数据为基础，在计算机的控制下，使材料层层叠加成型。3D打印技术无需开模，可以快速将三维建模数据转换为样品，广泛应用于研发样品制作。
现有的陶瓷3D打印的产品易于开裂，不光滑，不利于研发样品测试，且操作复杂，所打印的样品不易从打印机取下。
发明内容
本发明的目的在于具提供一种自动化程度高，所打印的样品不易开裂、光滑、易取下的陶瓷3D打印的方法及其打印机。
本发明提供了基于3D打印的陶瓷打印机，包括基座、加料组件、研磨组件、传动组件一、出浆组件、加热器、传动组件二和打印盛器；
所述加料组件用于向所述研磨组件添加物料；
所述传动组件一固定在所述基座上，所述传动组件一用于带动所述出浆组件相对于所述基座水平移动，所述研磨组件上安装有向所述出浆组件输料的输料管道；
所述加热器固定在所述出浆组件上，所述加热器用于对经过所述出浆组件的物料进行加热；
所述传动组件二固定在所述基座上，所述传动组件二用于带动所述打印盛器在基座上纵向运动，且所述打印盛器位于所述出浆组件下方。
本发明的有益效果：增加了加料组件和研磨组件，使得加料、研磨与打印一体化，便于将配置好的浆料快速用于打印，减少浆料在打印前凝固，从而减少因为浆料在打印前凝固造成的风险。
进一步，所述打印盛器用于盛放固化液，所述固化液用于浆料的固化。
采用上述进一步方案的有意效果是：固化液可以是能够促进浆料固化的液体，其中也可以含有使浆料固化的必要材料，也可以只使用水，单纯的降温固化。因为固化液的浮力，使得所打印的样品所承受的重力减小，减少了样品在固化前变形的风险，而且，不会与打印平台有太多的粘连，易取下。另外。
进一步，包括壳体，所述基座为所述壳体的底板，所述加料组件、研磨组件、传动组件一和传动组件二全部安装在所述壳体内。
采用上述进一步方案的有意效果是：整体结构简单合理，使用安全方便。
进一步，所述传动组件二包括多个Z向螺纹杆和带动所述Z向螺纹杆相对于所述壳体旋转的马达一；所述打印盛器分别与多个所述Z向螺纹杆螺纹连接，所述Z向螺纹杆竖直设置。
采用上述进一步方案的有意效果是：通过Z向螺纹杆旋转控制打印盛器的高度，从而实现控制出浆组件相对于打印盛器的高度，整体结构接单合理。
进一步，所述传动组件一包括X向螺纹杆、Y向螺纹杆、马达二和马达三；所述X向螺纹杆和Y向螺纹杆全部为水平设置，所述X向螺纹杆和Y向螺纹杆相互垂直；所述马达二和马达三分别带动所述X向螺纹杆和Y向螺纹杆相对于所述壳体旋转；所述出浆组件分别与所述X向螺纹杆和Y向螺纹杆螺纹连接。
采用上述进一步方案的有意效果是：X向螺纹杆和Y向螺纹杆的旋转使得出浆组件可以到达X向螺纹杆和Y向螺纹杆所在平面的任意位置，整体结构简单合理。
进一步，所述出浆组件包括出浆器和电动夹具，所述电动夹具分别与所述X向螺纹杆和Y向螺纹杆螺纹连接，所述出浆器夹装在所述电动夹具上，所述加热器安装在所述出浆器上。
采用上述进一步方案的有意效果是：便于更换出浆器，适宜多种素材的打印。
进一步，还包括备用出浆器，所述备用出浆器可拆装的连接在所述壳体内部，且所述备用出浆器与夹装在所述电动夹具上的出浆器位于同一高度。
采用上述进一步方案的有意效果是：便于自动更换出浆器。
上述基于3D打印的陶瓷打印机的3D打印方法，包括：
步骤一：制备固化液；
步骤二：采用加料组件和研磨组件制备浆料；
步骤三：将浆料通过出浆组件依据增材制造的方法添加到固化液中，得到固化坯体；
步骤四：将胚体经过干燥、脱脂和烧结，得到样品。
该方法的有益效果是：相比于传统3D打印的在空气中打印，固化液的浮力可以抵消一部分重力，避免因为重力引起变形，而且固化液可以辅助浆料固化。
进一步，所述浆料的制备方法为以下三种方式之一：
方式一：将分散剂、塑性剂、粘结剂、润滑剂与去离子水混合制成预混液，将氧化铝粉分批逐次加入预混液中，加粉完毕之后球磨，再继续抽真空除泡，得到所述浆料；
方式二：将有机单体、交联剂、分散剂与溶剂混合制备出预混液，加入氧化铝粉末调制，最后加入催化剂和引发剂得到所述浆料；
方式三：通过将光敏树脂与陶瓷粉末混合形成所述浆料。
进一步，所述固化液为水。
附图说明
图1为本发明不包含壳体的立体图。
图2为从图1后侧观察的立体图。
图3为本发明的整体图。
具体实施方式
以下结合实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1至图3所示，本实施例公开基于3D打印的陶瓷打印机，包括基座、加料组件2、研磨组件3、传动组件一、出浆组件、加热器6、传动组件二和打印盛器8；
所述加料组件2用于向所述研磨组件3添加物料；
所述传动组件一固定在所述基座上，所述传动组件一用于带动所述出浆组件相对于所述基座水平移动，所述研磨组件3上安装有向所述出浆组件输料的输料管道；
所述加热器6固定在所述出浆组件上，所述加热器6用于对经过所述出浆组件的物料进行加热；
所述传动组件二固定在所述基座上，所述传动组件二用于带动所述打印盛器8在基座上纵向运动，且所述打印盛器8位于所述出浆组件下方。
本发明的有益效果：增加了加料组件2和研磨组件3，使得加料、研磨与打印一体化，便于将配置好的浆料快速用于打印，减少浆料在打印前凝固，从而减少因为浆料在打印前凝固造成的风险。
进一步，所述打印盛器8用于盛放固化液，所述固化液用于浆料的固化。
采用上述进一步方案的有意效果是：固化液可以是能够促进浆料固化的液体，其中也可以含有使浆料固化的必要材料，也可以只使用水，单纯的降温固化。因为固化液的浮力，使得所打印的样品所承受的重力减小，减少了样品在固化前变形的风险，而且，不会与打印平台有太多的粘连，易取下。另外。
进一步，包括壳体1，所述基座为所述壳体1的底板，所述加料组件2、研磨组件3、传动组件一和传动组件二全部安装在所述壳体1内。
采用上述进一步方案的有意效果是：整体结构简单合理，使用安全方便。
进一步，所述传动组件二包括多个Z向螺纹杆71和带动所述Z向螺纹杆71相对于所述壳体1旋转的马达一72；所述打印盛器8分别与多个所述Z向螺纹杆71螺纹连接，所述Z向螺纹杆71竖直设置。
采用上述进一步方案的有意效果是：通过Z向螺纹杆71旋转控制打印盛器8的高度，从而实现控制出浆组件相对于打印盛器8的高度，整体结构接单合理。
进一步，所述传动组件一包括X向螺纹杆41、Y向螺纹杆42、马达二43和马达三44；所述X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42全部为水平设置，所述X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42相互垂直；所述马达二43和马达三44分别带动所述X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42相对于所述壳体1旋转；所述出浆组件分别与所述X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42螺纹连接。
采用上述进一步方案的有意效果是：X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42的旋转使得出浆组件可以到达X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42所在平面的任意位置，整体结构简单合理。
进一步，所述出浆组件包括出浆器51和电动夹具52，所述电动夹具52分别与所述X向螺纹杆41和Y向螺纹杆42螺纹连接，所述出浆器51夹装在所述电动夹具52上，所述加热器6安装在所述出浆器51上。
采用上述进一步方案的有意效果是：便于更换出浆器51，适宜多种素材的打印。
进一步，还包括备用出浆器51'，所述备用出浆器51'可拆装的连接在所述壳体1内部，且所述备用出浆器51'与夹装在所述电动夹具52上的出浆器51位于同一高度。
采用上述进一步方案的有意效果是：便于自动更换出浆器51。
上述基于3D打印的陶瓷打印机的3D打印方法，包括：
步骤一：制备固化液；
步骤二：采用加料组件2和研磨组件3制备浆料；
步骤三：将浆料通过出浆组件依据增材制造的方法添加到固化液中，得到固化坯体；
步骤四：将胚体经过干燥、脱脂和烧结，得到样品。
该方法的有益效果是：相比于传统3D打印的在空气中打印，固化液的浮力可以抵消一部分重力，避免因为重力引起变形，而且固化液可以辅助浆料固化。
进一步，所述浆料的制备方法为以下三种方式之一：
方式一：将分散剂、塑性剂、粘结剂、润滑剂与去离子水混合制成预混液，将氧化铝粉分批逐次加入预混液中，加粉完毕之后球磨，再继续抽真空除泡，得到所述浆料；
方式二：将有机单体、交联剂、分散剂与溶剂混合制备出预混液，加入氧化铝粉末调制，最后加入催化剂和引发剂得到所述浆料；
方式三：通过将光敏树脂与陶瓷粉末混合形成所述浆料。
进一步，所述固化液为水。
分散剂含量对浆料的影响：分散剂加入量过少时，吸附在颗粒表面的分散&离子不能有效的把颗粒包覆起来，使得颗粒间排斥力较小，容易产生团聚，影响浆料的分散稳定性。分散剂加入量过多时，离子再吸附到颗粒表面之后会有很多的残留，而过剩游离的分散剂分子会通过其过长的有机链在颗粒间架桥，导致颗粒团聚，进而导致絮凝，使悬浮液的稳定性变差，粘度增大。当分散剂的含量足够合适时，分散剂在颗粒的吸附达到了饱和吸附，这样，分散剂大分子在粒子外围形成一壳层，这一壳层增大了颗粒之间的距离，减小了范德华力的作用，增大了悬浮液的电动电位，从而使分散体系靠静电位阻的作用达到稳定，聚合物也可以分散均匀，形成空间位垒，阻碍颗粒聚集。
固相含量对浆料的影响：当固含相量较小时，其粘度小，流动性强，适宜挤出成型。此时的浆料为普通浆料；当固相含量增大，氧化铝浆料的粘度显著增加，由于体系中粒子的结合更加紧密，微观情况下流动所受到的阻力就会增加，此时浆料呈现膏体状态。所谓的膏体即高浓度浆料，是浓度高于临界流态浓度的浆料。流变性好的浆料适合在3D打印过程中的成型。
粘结剂含量对浆料的影响：当粘结剂含量过低时，打印出的坯体很容易开裂；随着粘结剂含量的增加，成型坯体的强度会增加而其生坯密度则会降低；而当粘结剂的含量过髙时，成型坯体就会含有较多的孔洞，脱脂困难且收缩率大，烧结致密度低。
出浆组件的挤出成型原理：
挤出成型是指物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成制品的加工方法。挤出机构主要分为三种：气体辅助挤出、螺杆挤出、活塞挤出。
用于挤压自由成型的原料应具有以下共同的基本要求：(1)具有高固体含量，以抵消由于烧结或粘结剂烧尽而引起的收缩和开裂；(2)具有均匀的颗粒分布，以确保恒定的流量并避免由于团聚造成的缺陷；(3)应尽量减少气泡混入；(4)必须防止颗粒的溶剂迁移和沉降，以确保流量和储存稳定性；(5)具有适用于确保形状保持和长丝良好熔合的工艺的流变性。(6)具有适用于喷嘴尺寸的合适的粒度和分布；(7)粘合剂相容易排出、干燥或燃尽；(8)具有合适的固化动力学参数(例如蒸气压、触变性、热导率、容量、熔点)；(9)适合长丝粘附和熔合的界面性能。
挤出过程中需调整合适的工艺参数，不同基板材料对浆料的润湿性能、挤出高度的大小都会影响打印出的氧化铝丝径大小；固化温度的高低影响打印浆料固化的快慢，固化温度过高，针头易堵塞，固化温度过低，平铺层不容易固化；挤出步数直接关系挤出量的多少，移动速度过快就会导致打印分辨率过低，移动速度过慢能够提高打印分辨率，但是打印时间就会受到影响。
固化原理：
(1)加入塑化剂：选用适宜适量的塑化剂使得挤出成型的浆料保证具有良好的可塑性以利于挤出后保持一定的形状，制备挤出浆料的基本要求是：含有尽量少的粘结剂以保证较小的烧结收缩，具有良好的流变性以利于成形。
(2)改变温度:在冷却或加热等条件下，使浆料中的有机单体发生交联反应(即原位聚合)形成三维网状结构，进而陶瓷浆料凝固成各种形状的陶瓷坯体。
(3)调节PH值：通过酶催化物的化学反应改变浆料的PH值至等电点或增加盐离子浓度，使陶瓷浆料的比电层稳定从而实现浆料的原位凝固，最终得到无密度梯度、组织均匀的坯体。
(4)引入激光：通过将紫外线照射在对紫外线非常敏感的光固化树脂配置好的浆料上，紫外线在计算机控制下逐层扫射，聚合物与紫外光束相互作用,浆料凝固,得到三维陶瓷样品。
干燥脱脂烧结原理：
干燥是通过加热蒸发的方法除去物料中部分水分的过程，使之符合要求，同时赋予坯体一定的干燥强度，满足搬运以及后续工序的要求。应选用合适的干燥制度对坯体进行干燥，坯体在干燥的过程中会伴随着收缩，如果干燥速度过快，坯体收缩过快就会导致裂纹的产生，干燥速度过慢就会影响效率同时损耗能量。
常用干燥方法：
热空气干燥；以热空气为干燥介质，自然或强制地以对流循环的方式与坯体进行湿热交换。
工频电干燥：将坯体两端加交流电压，通电后坯体内部发热，蒸发水分干燥。特点：干燥效率高、质量好，干燥后期耗电量大。
直流电干燥：泥料中的水分以水化阳离子的形式存在，在电场作用下发生电动现象。特点：干燥均匀，速度快，不易变形质量好。
辐射干燥：坯体中的水分选择性吸收特定波长的电磁波，产生热效应，排除水分。特点：设备简单，易于实现自动化，干燥速度快质量好。
冷冻干燥：将含有大量水分的坯体先行降温预冻成固体，再在真空和加温条件下使固体分子直接升华或水汽抽出，形成干燥物。
脱脂是通过加热及其他物理方法将成型坯体内的有机物排除并产生少量烧结的过程。陶瓷主要脱脂方法有：
热脱脂：其原理是通过加热方法把坯体中的有机粘结剂熔融、挥发和裂解来脱除。
优点:价格低廉、理论发展比较成熟，应用比较广泛；
缺点:效率低、时间长，且易产生缺陷,
溶剂萃取脱脂：其过程就是有机溶剂在生坯中扩散到与可溶性组分接除，溶剂溶胀并且溶解可溶性组分，然后可溶性组分通过扩散到坯体外部，最后进入溶剂里，然后由不溶于溶剂的高分子起到支撑坯体的作用。最后经过加热完全去除残存的高分子。
优点:1)效率高，脱脂时间短；2)聚合物不溶解，脱脂时仍可保持坯体不变形；3)化学萃取后，在坯体中形成连续通道,能适后续热脱脂过程缩短至数小时。
缺点:易产生溶胀现象，造成坯体开裂；增加了溶剂的排除过程，且一些有机溶剂含有毒性，不环保，增加成本。
催化脱脂:其工作原理是利用一种催化剂把有机载体分子解聚为较小的可挥发的分子，这些分子比其它脱脂过程中的有机载体分子有较高的蒸汽压，能迅速的扩散出坯体。
优点：效率高、时间短，有利于缺陷控制。
缺点：制备难度高、成本高、应用少。
烧结是指将坯体加热至高温，发生一系列物理及化学反应，并保持一定的时间，然后冷却下来从而得到所需性能的材料。在烧结过程中坯体的矿物组成与显微结构发生显著变化，陶瓷材料晶粒长大、晶界形成的同时逐渐致密化的过程，坯体外形尺寸得以固定，强度得以提高，坯体变成具有一定组织和性能的制品。
无压烧结：是指在常压下，通过对制品加热而烧结的一种方法，这是最常用、也是最简单的一种烧结方式，其特点在于设备简单、成本较低，易于工业化生产，而且可以烧结具有不同形状、大小的材料。
压力辅助烧结：是指在烧结的同时施加一定的外压来提高烧结过程中的驱动力，以降低烧结温度、缩短烧结时间，实现致密化的同时抑制晶粒生长。按照加压方式的不同可以将其分为热压烧结、热等静压烧结、震荡压力烧结。
电磁辅助烧结：是指在烧结过程中电流和电磁波能够与材料作用实现快速加热，进而缩短低温区域时间、活化颗粒表面、增强接触区域的扩散速率，达到致密化和控制晶粒生长的作用，常见的电磁辅助烧结包括放电等离子体烧结、微波烧结。
烧结过程中，升温速率、保温时间和温度是烧结的三大要素，升温过快，晶粒长大就快，这不利于气孔的排出，保温时间过长会加剧二次再结晶作用，引起晶粒的异常长大，反而得不到致密制品。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于3D打印的陶瓷打印机，其特征在于，包括基座、加料组件(2)、研磨组件(3)、传动组件一、出浆组件、加热器(6)、传动组件二和打印盛器(8)；
所述加料组件(2)用于向所述研磨组件(3)添加物料；
所述传动组件一固定在所述基座上，所述传动组件一用于带动所述出浆组件相对于所述基座水平移动，所述研磨组件(3)上安装有向所述出浆组件输料的输料管道；
所述加热器(6)固定在所述出浆组件上，所述加热器(6)用于对经过所述出浆组件的物料进行加热；
所述传动组件二固定在所述基座上，所述传动组件二用于带动所述打印盛器(8)在基座上纵向运动，且所述打印盛器(8)位于所述出浆组件下方；所述打印盛器(8)用于盛放固化液，所述固化液用于浆料的固化；
还包括壳体(1)，所述传动组件二包括多个Z向螺纹杆(71)和带动所述Z向螺纹杆(71)相对于所述壳体(1)旋转的马达一(72)；所述打印盛器(8)分别与多个所述Z向螺纹杆(71)螺纹连接，所述Z向螺纹杆(71)竖直设置；
所述传动组件一包括X向螺纹杆(41)、Y向螺纹杆(42)、马达二(43)和马达三(44)；所述X向螺纹杆(41)和Y向螺纹杆(42)全部为水平设置，所述X向螺纹杆(41)和Y向螺纹杆(42)相互垂直；所述马达二(43)和马达三(44)分别带动所述X向螺纹杆(41)和Y向螺纹杆(42)相对于所述壳体(1)旋转；所述出浆组件分别与所述X向螺纹杆(41)和Y向螺纹杆(42)螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的陶瓷打印机，其特征在于，所述基座为所述壳体(1)的底板，所述加料组件(2)、研磨组件(3)、传动组件一和传动组件二全部安装在所述壳体(1)内。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的陶瓷打印机，其特征在于，所述出浆组件包括出浆器(51)和电动夹具(52)，所述电动夹具(52)分别与所述X向螺纹杆(41)和Y向螺纹杆(42)螺纹连接，所述出浆器(51)夹装在所述电动夹具(52)上，所述加热器(6)安装在所述出浆器(51)上。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印的陶瓷打印机，其特征在于，还包括备用出浆器(51')，所述备用出浆器(51')可拆装的连接在所述壳体(1)内部，且所述备用出浆器(51')与夹装在所述电动夹具(52)上的出浆器(51)位于同一高度。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于3D打印的陶瓷打印机的3D打印方法，其特征在于，包括：
步骤一：制备固化液；
步骤二：采用加料组件(2)和研磨组件(3)制备浆料；
步骤三：将浆料通过出浆组件依据增材制造的方法添加到固化液中，得到固化坯体；
步骤四：将胚体经过干燥、脱脂和烧结，得到样品。
6.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述浆料的制备方法为以下三种方式之一：
方式一：将分散剂、塑性剂、粘结剂、润滑剂与去离子水混合制成预混液，将氧化铝粉分批逐次加入预混液中，加粉完毕之后球磨，再继续抽真空除泡，得到所述浆料；
方式二：将有机单体、交联剂、分散剂与溶剂混合制备出预混液，加入氧化铝粉末调制，最后加入催化剂和引发剂得到所述浆料；
方式三：通过将光敏树脂与陶瓷粉末混合形成所述浆料。
7.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述固化液为水。
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