CN115838285B - 一种3d打印玻璃旋转管、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及玻璃制品技术领域，尤其是涉及一种3D打印玻璃旋转管、制备方法及其应用，以缓解现有的旋转管无法适用于3D打印的问题。旋转管的打印浆料的组分以质量份计包括：锆石粉30‑60；滑石粉5‑10；白刚玉微粉2‑10；Cr2O3微粉4‑8；碳纤维5‑8；金刚石颗粒4‑6；分散剂1‑4。本方案通过沿轴线方向一次性挤出浆料的3D打印方式避免了现有的层叠打印方式存在的微米级别的空隙的问题，另外，通过组分设计，使得旋转管内分布纳米级别空隙从而提高了热震性。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃制品技术领域，尤其是涉及一种3D打印玻璃旋转管、制备方法及其应用。
背景技术
水平拉管法制备玻璃管，熔融玻璃液流经旋转管，由旋转管引出玻璃管。
旋转管需要在室温条件下快速升温到工作温度，因此对热震性有较高的要求，如果旋转管的抗热震性能不满足要求，可能会发生旋转管表面剥离、断裂。断裂是由内部的热应力引起的，热分布不均是热应力的来源之一，其主要表现在表面与内部的温差，表面与内部温差大则热应力大，温差小则热应力小。
现在并没有公开关于3D打印旋转管的技术资料。
现有的3D打印方法均采用的是层叠打印的方式，具体而言：在3D打印机的喷嘴下方设置X轴和Y轴移动机构，具体打印过程中，喷嘴不动，X轴、Y轴移动机构来回往复移动实现Z轴方向高度的增加，如此带来的问题是在层与层之间存在较多的毫米级别的空隙，而这些毫米级别的空隙非常不利于热传导，也就是说，旋转管在工作过程中表面的热应力无法传递至内部，导致内外温差过大，从而使得表层在热应力过大，发生断裂剥离等问题。
因此，需要开发出一种能够适用于旋转管的3D打印方法。
发明内容
本发明提供了一种3D打印玻璃旋转管、制备方法及其应用，以缓解现有的旋转管无法适用于3D打印的问题。
为了缓解上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
一种3D打印玻璃旋转管，用于3D打印旋转管的打印浆料的组分以质量份计包括：
锆石粉30-60；
滑石粉5-10；
白刚玉微粉2-10；
Cr2O3微粉4-8；
碳纤维5-8；
金刚石颗粒4-6；
分散剂1-4；
将上述原料混匀后送入3D打印机中，由3D打印机沿旋转管的轴线方向挤出成型。
更进一步地，
所述分散剂为石蜡颗粒。
更进一步地，
所述旋转管的烧结温度为1100℃-1600℃。
更进一步地，
所述旋转管在所述3D打印机内经过了预烧结，所述预烧结的温度为100-600℃。
更进一步地，
所述旋转管由3D打印机沿所述旋转管的轴线方向一次挤压成型。
一种3D打印玻璃旋转管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将打印浆料混匀后挤入3D打印机中；
在3D打印机内进行预加热；
预加热完成后沿所述旋转管的轴线方向挤出，然后烧结成型。
更进一步地，
所述3D打印机包括混合腔和推力装置，所述混合腔的一端为喷嘴，所述推力装置的一个工作进程可将一根旋转管的浆料全部挤出。
更进一步地，
所述预烧结的温度为100-600℃。
更进一步地，
所述烧结温度为1100℃-1600℃。
一种3D打印玻璃旋转管的应用。
本发明提供的3D打印玻璃旋转管所能实现的技术效果分析如下：
旋转管的主要成分为锆石粉，锆石粉烧结后可以在表面形成较为致密的表面结构，
碳纤维、金刚石颗粒在烧结过程中，会氧化形成气态氧化硅，气态氧化硅在表层形成气孔结构。另外，金刚石结构会干扰链结构，链结构破坏对结晶有了限制，因此可以延长固化时间，表现在外就是粘度有所降低，因此一方面可以改善浆料的流动性，使其适于3D打印另外，金刚石在烧结过程中，会气化形成空隙结构。
石蜡作为分散剂，在浆料混匀过程中起到重要作用，添加有石蜡的浆料，不仅有助于降低浆料的粘度，使其易于挤出，使得3D打印成为可能，并且，均匀分散的石蜡可以在后期烧结过程中形成细微空隙，从而提高气孔率。
石蜡跟碳纤维、金刚石的复合效应可以取得最佳效果，不仅可以适用于3D打印(可挤出)，并且显气孔率显著提高,从而改善热震性。
另外，现有的3D打印方法都是采用的堆叠的方式成型，堆叠的方式容易在层与层之间产生微米级别的缝隙，这些缝隙会阻断热传导，使得玻璃液的温度无法由表层传递至内部，也就是会造成旋转管内部较大的热应力，针对这个问题，本方案提出了一种新型的3D打印方法。
本方案中的3D打印方法采用的是沿轴向方向步进式挤出浆料，也就是说，沿轴线方向，一次挤出的浆料足够成型一个旋转管，如此可以避免层与层之间的微米级别的空隙问题。
打印步骤包括：
将打印浆料混匀后挤入3D打印机中；
在3D打印机内进行预加热；所述预烧结的温度为100-600℃
预加热完成后沿所述旋转管的轴线方向挤出，然后烧结成型，所述烧结温度为1100℃-1600℃。
本方案通过沿轴线方向一次性挤出浆料的3D打印方式避免了现有的层叠打印方式存在的微米级别的空隙的问题，另外，通过组分设计，使得旋转管内分布纳米级别空隙(气孔率增加)从而提高了热震性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中样品A4浆料挤出后的外观示意图；
图2为本发明实施例中样品A5浆料挤出后的外观示意图；
图3为本发明实施例中样品A6浆料挤出后的外观示意图。
具体实施方式
本实施例中对样品进行了显气孔和体积密度测试，本实验按照GB7321-2004《定形耐火制品试样制备方法》制备所需试样，按照GB/T2997-2000《致密定形耐火制品-体积密度、显气孔率和真气孔率实验方法》
抗热震性采用急冷急热循环法，将标准砖的一端放入炉内加热到规定温度，保温一段时间后立即取出放入流动的冷水中，循环往复，直到测试断面破损率达到50％。
对比例一
样品A1；锆石粉40份，滑石粉6.5份，白刚玉微粉8.5份，Cr2O3微粉6.5份，碳纤维0份，金刚石颗粒0份，石蜡0份。经实验测试表明，该样品无法被3D打印机的喷嘴挤出，显气孔测试结果为14.89％。
对比例二
样品A2；锆石粉38份，滑石粉6.5份，白刚玉微粉8.5份，Cr2O3微粉6.5份，碳纤维2份，金刚石颗粒0份，石蜡0份。经实验测试表明，该样品无法被3D打印机的喷嘴挤出，显气孔测试结果为15.54％。
对比例三
样品A3：锆石粉38份，滑石粉6.5份，白刚玉微粉8.5份，Cr2O3微粉6.5份，碳纤维0份，金刚石颗粒2份，石蜡0份。经实验测试表明，该样品可以被3D打印机的喷嘴挤出，显气孔测试结果为15.41％。抗热震性实验结果为：第20次循环破裂。
对比例四
样品A4：锆石粉38份，滑石粉6.5份，白刚玉微粉8.5份，Cr2O3微粉6.5份，碳纤维0份，金刚石颗粒0份，石蜡2份。经实验测试表明，该样品可以被3D打印机的喷嘴挤出，显气孔测试结果为16.51％。抗热震性实验结果为：第22次循环破裂。
对比例五
样品A5：锆石粉36份，滑石粉6.5份，白刚玉微粉8.5份，Cr2O3微粉6.5份，碳纤维2份，金刚石颗粒2份，石蜡0份。经实验测试表明，该样品可以被3D打印机的喷嘴挤出，显气孔测试结果为16.54％。抗热震性实验结果为：第24次循环破裂。
实施例
样品A6：锆石粉34份，滑石粉6.5份，白刚玉微粉8.5份，Cr2O3微粉6.5份，碳纤维2份，金刚石颗粒2份，石蜡2份。经实验测试表明，该样品可以被3D打印机的喷嘴挤出，显气孔测试结果为18.61％。抗热震性实验结果为：第26次循环破裂。
机理分析：
旋转管的主要成分为锆石粉，锆石粉烧结后可以在表面形成较为致密的表面结构，
碳纤维、金刚石颗粒在烧结过程中，会氧化形成气态氧化硅，气态氧化硅在表层形成气孔结构。另外，金刚石结构会干扰链结构，链结构破坏对结晶有了限制，因此可以延长固化时间，表现在外就是粘度有所降低，因此一方面可以改善浆料的流动性，使其适于3D打印另外，金刚石在烧结过程中，会气化形成空隙结构。
石蜡作为分散剂，在浆料混匀过程中起到重要作用，添加有石蜡的浆料，不仅有助于降低浆料的粘度，使其易于挤出，使得3D打印成为可能，并且，均匀分散的石蜡可以在后期烧结过程中形成细微空隙，从而提高气孔率。
石蜡跟碳纤维、金刚石的复合效应可以取得最佳效果，不仅可以适用于3D打印(可挤出)，并且显气孔率显著提高,从而改善热震性。
关于浆料挤出状态请参见图1、图2和图3。
图1为本发明实施例中样品A4浆料挤出后的外观示意图；图1中出现了较多的不平整表面，说明流动性不佳，对烧结后的表面光滑度有所影响，并且，该浆料存在微米级别的空隙，微米级别的空隙能够阻断热传导，从而导致抗热震性能降低。
图2为本发明实施例中样品A5浆料挤出后的外观示意图；图2中不平整区域相对于图1有所改善，流动性比图1好，并且外观状态与热震性实验结构相适应。说明，同时添加碳纤维和金刚石颗粒性能优于只添加石蜡。
图3为本发明实施例中样品A6浆料挤出后的外观示意图。图3中较为光滑，流动性比图1好，热震性实验优于样品A5，机理在于：微米级别的空隙能够阻断热传导，从而导致抗热震性能降低，纳米级别的孔隙反而能够吸收热应力。该样品基本消灭微米级别的空隙，纳米级别的空隙较多。说明，同时添加碳纤维、金刚石颗粒、石蜡性能最优。
另外，现有的3D打印方法都是采用的堆叠的方式成型，堆叠的方式容易在层与层之间产生微米级别的缝隙，这些缝隙会阻断热传导，使得玻璃液的温度无法由表层传到至内部，也就是会造成旋转管内部较大的热应力，针对这个问题，本方案提出了一种新型的3D打印方法。
本方案中的3D打印方法采用的是沿轴向方向步进式挤出浆料，也就是说，沿轴线方向，一次挤出的浆料足够成型一个旋转管，如此可以避免层与层之间的微米级别的空隙问题。
打印步骤包括：
将打印浆料混匀后挤入3D打印机中；
在3D打印机内进行预加热；所述预烧结的温度为100-600℃
预加热完成后沿所述旋转管的轴线方向挤出，然后烧结成型，所述烧结温度为1100℃-1600℃。
关于3D打印机，需要说明的是：
所述3D打印机包括混合腔和推力装置，所述混合腔的一端为喷嘴，所述推力装置的一个工作进程可将一根旋转管的浆料全部挤出。沿轴向方向步进式挤出浆料，可以避免现有的层叠式的打印方法存在的微米级别的空隙的问题。
本方案通过沿轴线方向一次性挤出浆料的3D打印方式避免了现有的层叠打印方式存在的微米级别的空隙的问题，另外，通过组分设计，使得旋转管内分布纳米级别空隙(气孔率增加)从而提高了热震性。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种3D打印玻璃旋转管，其特征在于：用于3D打印旋转管的打印浆料的组分以质量份计为：
锆石粉30-60；
滑石粉5-10；
白刚玉微粉2-10；
Cr2O3微粉4-8；
碳纤维5-8；
金刚石颗粒4-6；
分散剂1-4；所述分散剂为石蜡颗粒；
玻璃旋转管的制备方法如下：
将打印浆料混匀后挤入3D打印机中；
在3D打印机内进行预烧结；
预烧结完成后沿所述旋转管的轴线方向挤出，烧结成型；所述预烧结的温度为100-600℃；所述烧结温度为1100℃-1600℃；
所述3D打印机包括混合腔和推力装置，所述混合腔的一端为喷嘴，所述推力装置的一个工作进程将一根旋转管的浆料全部挤出。
2.一种如权利要求1所述的3D打印玻璃旋转管的应用。
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