CN115570648A - 一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置及制备方法，该装置包括直写成型头等；激光头安装于随动平台圆心，直写成型头安装于激光头邻侧，随动平台通过旋转轴实现转动从而改变直写成型头的位置，随动平台通过吊架与水平运动机构连接；直写成型头与激光头位于打印基板上方，打印基板与升降机构连接，树脂槽位于打印基板的下方；该方法采用的复合增材制造装置自上而下成型，可随动的直写成型头与激光头均为点‑线‑面成型，简化了成型步骤，有效提高了成型效率，扩展了增材制造技术的进一步应用。

Description

一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置及制备方法

技术领域

本发明属于快速成型领域，具体涉及一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置及制备方法。

背景技术

陶瓷多元材料具有硬度高、密度低、热导率高、化学性能稳定、高温强度与抗腐蚀性能优异等优点，其已经广泛应用于航空航天、半导体、核能、电子封装等领域。随着各行各业的快速发展，对陶瓷复合材料零部件的结构、性能、精度提出了更高要求。而注浆成型、凝胶注模、等静压等传统成型方法制造周期长、尺寸精度低，无法满足新一代高性能复杂结构陶瓷复合材料零部件的快速成型需求。

近年来新兴的增材制造技术具有一体成型、结构设计灵活、不受模型结构复杂度限制等特点，以逐层堆积的方式，在无需任何模具的情况下能够快速成型复杂结构零部件。目前立体光固化因成型精度高、打印速度快被广泛应用于陶瓷制造领域，国内外对氧化物陶瓷光固化成型过程的研究已经相当成熟。而非氧化物灰色陶瓷如碳化硅，因其打印材料粉体折射率和吸光度较高，使得SiC光固化浆料存在紫外光难穿透、光固化反应不充分、固化层厚低等问题，无法达到立体光固化打印成型要求。而基于材料挤出的直写成型，具有设备简单、陶瓷固相含量高的特点，然而在大尺寸构件的成型过程中，其精度受重力影响严重且成型速度相对较慢。

发明内容

为了克服上述现有技术缺点，兼具增材制造过程中陶瓷固相含量和成型精度要求，本发明提供了一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置及制备方法。该复合增材制造装置自上而下成型，可随动的直写成型头与激光头均为点-线-面成型，简化了成型步骤，有效提高了成型效率，扩展了增材制造技术的进一步应用。

本发明采用如下技术方案实现的：

一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置，包括直写成型头、激光头、随动平台、水平运动机构、打印基板、升降机构和和树脂槽；激光头安装于随动平台圆心，直写成型头安装于激光头邻侧，随动平台通过旋转轴实现转动从而改变直写成型头的位置，随动平台通过吊架与水平运动机构连接；直写成型头与激光头位于打印基板上方，打印基板与升降机构连接，树脂槽位于打印基板的下方。

本发明进一步的改进在于，随动平台包括直写连接架、激光连接架、旋转轴承、轴承固定架、旋转轴、旋转电机和吊架；直写成型头通过直写连接架与旋转轴承内圈连接，激光头别通过激光连接架与旋转轴承内圈圆心连接；轴承固定架与旋转轴承外圈连接，顶部安装吊架，实现与水平运动机构的连接；旋转轴上端与旋转电机相连，下端安装于旋转轴承内圈圆心，旋转电机工作驱动旋转轴承内圈转动，从而实现直写成型头位置的变化。

一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，该方法基于所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置，包括以下步骤：

步骤一，使用计算机三维建模软件建立所设计的三维模型，将其转换为分层路径文件，路径文件根据不同材料的设计进行分区，不同的区域采取不同的增材制造方式，然后将分层路径文件导入复合增材制造装置；

步骤二，制备陶瓷直写成型墨水，并注入直写成型头；

步骤三，制备短纤维光固化浆料，并注入树脂槽；

步骤四，直写成型头和激光头同时或者分别工作，进行同步打印和分别打印；

步骤五，根据当前层模型的截面数据，程序控制水平运动机构7，带动随动平台6按设计路径运动，成型该截面；

步骤六，当打印完当前一层截面后，升降机构带动打印基板下降一个分层厚度；

步骤七，重复步骤四至步骤六，直至陶瓷预制体打印完成；

步骤八，通过冷冻干燥，去除预制体中液体，获得陶瓷原型。

本发明进一步的改进在于，步骤二中，陶瓷直写成型墨水的制备方法如下：

第一步，选取三种中粒径分别为200nm-500nm、10μm-20μm、40μm-80μm的陶瓷粉末，按质量比(0.2-0.3)：(0.3-0.4)：(0.4-0.6)进行混合，得到级配陶瓷粉末；

第二步，将级配陶瓷粉末与聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、去离子水进行混合，配制成黏度合适的高固相陶瓷墨水，其中聚丙烯酸和聚乙烯亚胺按照化学计量1：(0.1-5)进行称量。

本发明进一步的改进在于，陶瓷粉末选用碳化硅、氮化硅、钛酸钡和氧化铝中的一种。

本发明进一步的改进在于，步骤三中，短纤维光固化浆料的制备方法如下：

第一步，选取长度为10μm-50μm的短纤维；

第二步，将己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯氧膦、PEG、异丙醇按照质量百分比(30wt.％-60wt.％)：(30wt.％-60wt.％)：(4wt.％-8wt.％)：(4wt.％-8wt.％)：(5wt.％-10wt.％)混合得到光敏树脂；

第三步，将选取的短纤维与光敏树脂按照质量比1：(4-7)进行混合，得到短纤维光固化浆料。

本发明进一步的改进在于，短纤维选用短碳纤维、短碳化硅纤维、短二氧化硅纤维中的一种。

本发明进一步的改进在于，步骤四中，同步打印方法如下：

第一步，直写成型头与激光头同时启动；

第二步，根据路径数据，随动平台旋转，在打印前进方向上，始终保证直写成型头在激光头之后；

第三步，开始复合增材制造，激光头使陶瓷光固化树脂聚合，形成光固化层，直写成型挤出丝随动沉积于光固化层之上，进行单次双层打印，实现材料沿Z方向的交替。

本发明进一步的改进在于，步骤四中，分别打印方法如下：

第一步，直写成型头1与激光头5根据路径数据交替启动；

第二步，根据路径数据，开始复合增材制造，成型过程中直写成型头1和激光头5只工作其中一种，进行单次单层打印，实现材料在XY平面内的交替。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明结合直写成型与立体光固化技术的特点，利用立体光固化保证材料成型精度，直写成型有效提高陶瓷的固相含量，将两者优势互补。同时，通过随动平台6实现直写成型头1与激光头5在打印过程中的随动，可在单次打印路径中完成双层材料成型，有效提高了成型效率，进一步扩展了增材制造技术的应用。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为随动平台结构示意图。

附图标记说明：

1、直写成型头，2、升降机构，3、树脂槽，4、打印基板，5、激光头，6、随动平台，7、水平运动机构，8、吊架，9、旋转轴，10、旋转轴承，11、激光连接架，13、轴承固定架，12、旋转电机，14、直写连接架。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图对本发明进一步说明：

如图1所示，本发明提供的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置，包括直写成型头1、激光头5、随动平台6、水平运动机构7、吊架8、打印基板4、升降机构2和树脂槽3；激光头5安装于随动平台6圆心，直写成型头1安装于激光头5邻侧，随动平台6通过旋转轴9实现转动从而改变直写成型头1，吊架8将随动平台6与水平运动机构7连接；打印基板4位于直写成型头1与激光头5下方，升降机构2带动打印基板4沿Z向上下运动，树脂槽3位于装置底部。

如图2所示，所述随动平台6包括直写连接架14、激光连接架11、旋转轴承10、轴承固定架13、旋转轴9和旋转电机12；直写成型头1通过直写连接架14与旋转轴承10内圈连接，激光头5通过激光连接架11安装于旋转轴承10内圈圆心；轴承固定架13与旋转轴承10外圈连接，使得旋转轴承10外圈相对固定；轴承固定架13顶部装有吊架8，吊架8将轴承固定架13与水平运动机构7连接；旋转轴9上端与旋转电机12相连，下端安装于旋转轴承10内圈圆心，旋转电机12工作驱动旋转轴承10内圈转动，从而实现直写成型头1与激光头5位置的变化。

一种采用上述装置的复合增材制造方法，有以下具体实施例：

实施例1

制备陶瓷直写成型墨水和短纤维光固化浆料

陶瓷直写成型墨水：

第一步，按质量比0.2:0.3:0.5称取中粒径分别为200nm、10μm和40μm的碳化硅陶瓷粉末，充分机械搅拌后，得到级配碳化硅陶瓷粉末；

第二步，将50g级配碳化硅陶瓷粉末与10g去离子水、0.2g聚丙烯酸、0.0005g聚乙烯亚胺混合，其中聚丙烯酸和聚乙烯亚胺的化学计量为1:0.1，经充分机械搅拌后配制成具有剪切变稀流变特性的高固相陶瓷墨水；

第三步，将高固相陶瓷墨水注入直写成型头；

短纤维光固化浆料：

第一步，将己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯氧膦、PEG、异丙醇按照质量百分比30wt.％:50wt.％:4wt.％:8wt.％:8wt.％混合，充分均质后得到光敏树脂；

第二步，将10μm长的碳化硅纤维与光敏树脂按照质量比1:4进行混合，充分均质后得到短碳化硅纤维光固化浆料；

第三步，将短碳化硅纤维光固化浆料注入树脂槽2/3液位处。

复合增材制造

在计算机上利用3D打印分层软件Simplify3D，根据材料组分设计，将3D模型转换成分层路径文件导入本发明复合增材制造装置。直写成型打印头直径选择为0.6mm。

进行同步打印

第一步，激光器启动，产生光斑直径为0.6mm的激光束；供给气压，陶瓷墨水按照100nL/s的流速从直写成型头挤出；

第二步，随动平台转动，根据路径数据，保证在打印过程中直写成型头始终随动在激光头之后；

第三步，根据模型的截面图案，水平运动机构以600mm/min的速度运动，短碳化硅纤维光固化浆料受激光激发形成光固化层，直写成型挤出丝则随动沉积于光固化层上，单一打印路径中成型双层，最后完成Z向材料交替的陶瓷预制体。

冷冻干燥

将陶瓷预制体在-25℃下冷冻干燥48h，使溶剂升华，得到陶瓷原型。

实施例2

制备陶瓷直写成型墨水和短纤维光固化浆料

陶瓷直写成型墨水：

第一步，按质量比0.1:0.3:0.6称取中粒径分别为500nm、20μm和80μm的钛酸钡陶瓷粉末，充分机械搅拌后，得到级配钛酸钡陶瓷粉末；

第二步，将50g级配钛酸钡陶瓷粉末与10g去离子水、0.2g聚丙烯酸、0.025g聚乙烯亚胺混合，其中聚丙烯酸和聚乙烯亚胺的化学计量为1:5，经充分机械搅拌后配制成具有剪切变稀流变特性的高固相陶瓷墨水；

第三步，将高固相陶瓷墨水注入直写成型头；

短纤维光固化浆料：

第一步，将己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯氧膦、PEG、异丙醇按照质量百分比60wt.％:27wt.％:4wt.％:4wt.％:5wt.％混合，充分均质后得到光敏树脂；

第二步，将50μm长的碳纤维与光敏树脂按照质量比1:7进行混合，充分均质后得到短碳纤维光固化浆料；

第三步，将短碳纤维光固化浆料注入树脂槽2/3液位处。

复合增材制造

在计算机上利用3D打印分层软件Simplify3D，根据材料组分设计，将3D模型转换成分层路径文件导入本发明复合增材制造装置。直写成型打印头直径选择为0.8mm。

进行分别打印

第一步，激光器启动，产生光斑直径为0.8mm的激光束；

第二步，随动平台保持固定，根据模型的截面图案，水平运动机构以600mm/min的速度运动，短碳纤维光固化浆料受激光激发形成光固化层；

第三步，供给气压，陶瓷墨水按照120nL/s的流速从直写成型头挤出，直写成型挤出丝沉积于光固化层邻侧，单一打印路径中成型单层，最后完成XY面内材料交替的陶瓷预制体。

冷冻干燥

将陶瓷预制体在-25℃下冷冻干燥48h，使溶剂升华，得到陶瓷原型。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置，其特征在于，包括直写成型头、激光头、随动平台、水平运动机构、打印基板、升降机构和和树脂槽；激光头安装于随动平台圆心，直写成型头安装于激光头邻侧，随动平台通过旋转轴实现转动从而改变直写成型头的位置，随动平台通过吊架与水平运动机构连接；直写成型头与激光头位于打印基板上方，打印基板与升降机构连接，树脂槽位于打印基板的下方。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置，其特征在于，随动平台包括直写连接架、激光连接架、旋转轴承、轴承固定架、旋转轴、旋转电机和吊架；直写成型头通过直写连接架与旋转轴承内圈连接，激光头别通过激光连接架与旋转轴承内圈圆心连接；轴承固定架与旋转轴承外圈连接，顶部安装吊架，实现与水平运动机构的连接；旋转轴上端与旋转电机相连，下端安装于旋转轴承内圈圆心，旋转电机工作驱动旋转轴承内圈转动，从而实现直写成型头位置的变化。

3.一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造装置，包括以下步骤：

步骤一，使用计算机三维建模软件建立所设计的三维模型，将其转换为分层路径文件，路径文件根据不同材料的设计进行分区，不同的区域采取不同的增材制造方式，然后将分层路径文件导入复合增材制造装置；

步骤二，制备陶瓷直写成型墨水，并注入直写成型头；

步骤三，制备短纤维光固化浆料，并注入树脂槽；

步骤四，直写成型头和激光头同时或者分别工作，进行同步打印和分别打印；

步骤五，根据当前层模型的截面数据，程序控制水平运动机构7，带动随动平台6按设计路径运动，成型该截面；

步骤六，当打印完当前一层截面后，升降机构带动打印基板下降一个分层厚度；

步骤七，重复步骤四至步骤六，直至陶瓷预制体打印完成；

步骤八，通过冷冻干燥，去除预制体中液体，获得陶瓷原型。

4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，步骤二中，陶瓷直写成型墨水的制备方法如下：

第一步，选取三种中粒径分别为200nm-500nm、10μm-20μm、40μm-80μm的陶瓷粉末，按质量比(0.2-0.3)：(0.3-0.4)：(0.4-0.6)进行混合，得到级配陶瓷粉末；

第二步，将级配陶瓷粉末与聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、去离子水进行混合，配制成黏度合适的高固相陶瓷墨水，其中聚丙烯酸和聚乙烯亚胺按照化学计量1：(0.1-5)进行称量。

5.根据权利要求4所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，陶瓷粉末选用碳化硅、氮化硅、钛酸钡和氧化铝中的一种。

6.根据权利要求3所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，步骤三中，短纤维光固化浆料的制备方法如下：

第一步，选取长度为10μm-50μm的短纤维；

第二步，将己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、2,4,6-三甲基苯甲酰二苯氧膦、PEG、异丙醇按照质量百分比(30wt.％-60wt.％)：(30wt.％-60wt.％)：(4wt.％-8wt.％)：(4wt.％-8wt.％)：(5wt.％-10wt.％)混合得到光敏树脂；

第三步，将选取的短纤维与光敏树脂按照质量比1：(4-7)进行混合，得到短纤维光固化浆料。

7.根据权利要求6所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，短纤维选用短碳纤维、短碳化硅纤维、短二氧化硅纤维中的一种。

8.根据权利要求3所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，步骤四中，同步打印方法如下：

第一步，直写成型头与激光头同时启动；

第二步，根据路径数据，随动平台旋转，在打印前进方向上，始终保证直写成型头在激光头之后；

第三步，开始复合增材制造，激光头使陶瓷光固化树脂聚合，形成光固化层，直写成型挤出丝随动沉积于光固化层之上，进行单次双层打印，实现材料沿Z方向的交替。

9.根据权利要求3所述的一种陶瓷基多元材料的复合增材制造方法，其特征在于，步骤四中，分别打印方法如下：

第一步，直写成型头1与激光头5根据路径数据交替启动；

第二步，根据路径数据，开始复合增材制造，成型过程中直写成型头1和激光头5只工作其中一种，进行单次单层打印，实现材料在XY平面内的交替。

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