CN115958680A - 一种3d打印陶瓷随形模具的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：S1、获得零件的三维模型数据；S2、建立块体；S3、得到一个凹形块体；S4、将凹形块体进行蜂窝结构化；S5、获得随形模具三维图纸；S6、制备出随形模具生坯；S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉；S8、将光固化3D打印的陶瓷零件生坯置于随形模具生坯上；S9、脱脂烧结；S10、降至室温后取出；S11、将烧结后的陶瓷零件和随形模具分离获得烧结后的陶瓷零件，本发明涉及陶瓷模具技术领域。该3D打印陶瓷随形模具的设计方法，减小零件尺寸变形，结构尺寸误差减小到±0.1mm以内，减少零件裂纹缺陷，防止烧结过程中与随形模具粘连，蜂窝轻量化，减少材料损耗，降低炉膛内部零件重量。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷模具技术领域，具体为一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法。
背景技术
光固化陶瓷3D打印技术，具有精度高，能成形复杂结构陶瓷零件的特点。其原理是利用光敏树脂与陶瓷粉体进行混合，制备成高固含量的光敏陶瓷浆料，再通过光固化陶瓷3D打印设备制造陶瓷生坯，而后进行高温脱脂烧结得到复杂陶瓷零件。该技术浆料中含有较高比例的光敏树脂作为粘接剂，需要保证3D打印时生坯的力学强度，因此在高温脱脂和烧结过程中零件会随着温度的升高有3-20％的收缩率，这会导致零件的变形或产生较大的尺寸精度误差，结构件陶瓷模具，一些电器设备里面，需要耐磨与绝缘的地方且用量比较大，就会选用结构件陶瓷，而成型这种结构件的模具，就称为陶瓷结构件模具，粉末成型、硬度比较高，模具分为上模、下模、凹模，还有些带孔产品会需要芯棒。为了提高使用寿命以及产品的一致性，凹模与芯棒的工作部位尽量选用钨钢，上下模形状简单生产产量大的产品也可以选用钨钢，如果形状太过复杂，尤其是在模具的端面复杂，尽量选用模具钢，以便于加工。
金属(陶瓷)注射成型技术可以制造高精度、复杂的金属(陶瓷)零件，同样由于其生坯含胶量大，脱脂烧结收缩率大，因此一些高精密零件会使用机械加工的陶瓷随形模具作为底座，同时放入炉中用于在热处理过程中防止零件变形及保证零件的尺寸精度。但传统机加工的随形模具不具备与制造零件一致的烧结收缩率，同时其透气性不好影响零件的脱脂过程使之易产生缺陷。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，针对含胶量大的陶瓷(金属)复杂零件生坯脱脂烧结过程，减少零件缺陷和变形，提高零件尺寸精度。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具陶瓷生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离；
优选的，所述步骤S2中块体高度为5-50mm，或与零件等高。
优选的，所述步骤S3中切入深度为零件高度的1/3-2/3。
优选的，所述步骤S4中蜂窝的大小为2-10mm，壁厚为0.5-2mm。
优选的，所述步骤S5中孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度。
优选的，所述步骤S7中孔的粗陶瓷粉粒度为100μm-300μm，材料为刚玉或碳化硅中的一种或两种混合。
优选的，所述步骤S7中零件在随形模具中不产生可见晃动。
优选的，所述步骤S8中脱脂烧结温度根据零件要求设定，600℃保温4-6h。
优选的，所述步骤S8中热处理设备采用马弗炉、真空烧结炉或气氛炉。
(三)有益效果
本发明提供了一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体；S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体；S4、将凹形块体进行蜂窝结构化；S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸；S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具陶瓷生坯；S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉；S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度；S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结；S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。针对含胶量大的陶瓷(金属)复杂零件生坯脱脂烧结过程，减少零件缺陷和变形，提高零件尺寸精度，减小零件尺寸变形，结构尺寸误差减小到±0.1mm以内，减少零件裂纹缺陷，防止烧结过程中与随行模具粘连，蜂窝轻量化，减少材料损耗，降低炉膛内部零件重量，延长炉膛寿命。
附图说明
图1为本发明设计方法的流程图；
图2为本发明实施例中零件三维模型示意图；
图3为本发明实施例中在投影块体上布尔切割出凹形示意图；
图4为本发明实施例中蜂窝化处理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明实施例提供六种技术方案：一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下实施例：
实施例1
一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体，块体高度为30mm；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体，切入深度为零件高度的1/3；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化，蜂窝的大小为6mm，壁厚为1.25mm；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸，孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉，粗陶瓷粉粒度为200μm，材料为刚玉；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度，零件在随形模具中不产生可见晃动；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结，脱脂烧结温度根据零件要求设定，热处理设备采用马弗炉，其中在600℃保温4h；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
实施例2
一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体，块体高度为5mm；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体，切入深度为零件高度的2/3；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化，蜂窝的大小为2mm，壁厚为0.5mm；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸，孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉，粗陶瓷粉粒度为300μm，材料为刚玉；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度，零件在随形模具中不产生可见晃动；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结，脱脂烧结温度根据零件要求设定，热处理设备采用马弗炉，其中在600℃保温5h；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
实施例3
一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体，块体高度为50mm；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体，切入深度为零件高度的1/3；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化，蜂窝的大小为10mm，壁厚为2mm；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸，孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉，粗陶瓷粉粒度为300μm，材料为碳化硅；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度，零件在随形模具中不产生可见晃动；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结，脱脂烧结温度根据零件要求设定，热处理设备采用马弗炉，其中在600℃保温6h；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
实施例4
一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体，块体高度与零件等高；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体，切入深度为零件高度的2/3；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化，蜂窝的大小为5mm，壁厚为1mm；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸，孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉，粗陶瓷粉粒度为200μm，材料为碳化硅；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度，零件在随形模具中不产生可见晃动；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结，脱脂烧结温度根据零件要求设定，热处理设备采用马弗炉，其中在600℃保温4h；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
实施例5
一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体，块体高度为20mm；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体，切入深度为零件高度的1/3；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化，蜂窝的大小为7mm，壁厚为1.5mm；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸，孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉，粗陶瓷粉粒度为200μm，材料为碳化硅；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度，零件在随形模具中不产生可见晃动；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结，脱脂烧结温度根据零件要求设定，热处理设备采用马弗炉，其中在600℃保温5h；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
实施例6
一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体，块体高度为40mm；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体，切入深度为零件高度的2/3；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化，蜂窝的大小为8mm，壁厚为1.75mm；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸，孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉，粗陶瓷粉粒度为200μm，材料为碳化硅；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度，零件在随形模具中不产生可见晃动；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结，脱脂烧结温度根据零件要求设定，热处理设备采用马弗炉，其中在600℃保温6h；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
综上，本发明针对含胶量大的陶瓷(金属)复杂零件生坯脱脂烧结过程，减少零件缺陷和变形，提高零件尺寸精度，减小零件尺寸变形，结构尺寸误差减小到±0.1mm以内，减少零件裂纹缺陷，防止烧结过程中与随行模具粘连，蜂窝轻量化，减少材料损耗，降低炉膛内部零件重量，延长炉膛寿命。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、获得零件的三维模型数据，利用三维绘图软件或逆向工程获得；
S2、建立一个外形与零件投影外轮廓重合的块体；
S3、利用零件的一侧三维实体对块体进行布尔切割，得到一个凹形块体；
S4、将凹形块体进行蜂窝结构化；
S5、在蜂窝结构侧壁设计任意或均匀分布的孔结构，获得随形模具三维图纸；
S6、利用光固化陶瓷3D打印技术制备出陶瓷随形模具生坯；
S7、在随形模具生坯凹形表面涂一层粗陶瓷粉；
S8、将光固化3D打印的陶瓷零件置于随形模具生坯上，检查零件外轮廓与生坯表面的贴合程度；
S9、将光固化3D打印的陶瓷零件与随形模具装配好后置入热处理设备进行脱脂烧结；
S10、降至室温后取出，并对随行模具进行敲击使零件在模具表面剥离。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中块体高度为5-50mm，或与零件等高。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中切入深度为零件高度的1/3-2/3。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中蜂窝的大小为2-10mm，壁厚为0.5-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中孔的尺寸＜1/2倍蜂窝尺寸，用于保证结构强度。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S7中孔的粗陶瓷粉粒度为100μm-300μm，材料为刚玉或碳化硅中的一种或两种混合。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S8中零件在随形模具中不产生可见晃动。
8.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S9中脱脂烧结温度根据零件要求设定，600℃保温4-6h。
9.根据权利要求1所述的一种3D打印陶瓷随形模具的设计方法，其特征在于：所述步骤S10中热处理设备采用马弗炉、真空烧结炉或气氛炉。
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