一種3d打印陶瓷工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及陶瓷制造領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種3D打印陶瓷工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 在20世紀(jì)90年代美國麻省理工學(xué)院發(fā)明了一種Ξ維打印技術(shù)，它是一種數(shù)字模 型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的 技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直 接制造。特別是一些高價(jià)值應(yīng)用（比如髓關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機(jī)零部件）已經(jīng)有使用運(yùn)種 技術(shù)打印而成的零部件。隨著Ξ維打印技術(shù)在陶瓷材料應(yīng)用的研究深入，采用Ξ維打印陶 瓷器件成為現(xiàn)實(shí)。傳統(tǒng)的陶瓷制作，利用陶±進(jìn)行塑造成型、驚干、開模、倒巧、燒制等，所投 入的時(shí)間長、資金成本大，且不易于修改。因此，3D打印出的陶瓷器件可適用于制造小批量 的模型，構(gòu)造復(fù)雜的器件，大大減少修改模型的時(shí)間和制造成本。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中國專利CN104339437A公開一種用3D打印技術(shù)生產(chǎn)陶瓷鑄型的方法將 陶瓷粉和粘結(jié)劑分別裝入3D打印頭內(nèi)將需要打印鑄型的Ξ維圖輸入3D打印機(jī)，然后按照 圖紙逐層打印鑄型，最終形成所需的鑄型，再將整個(gè)鑄型放入加熱爐內(nèi)對陶瓷粉和粘結(jié)劑 進(jìn)行燒結(jié)，形成陶瓷鑄型。然而，該現(xiàn)有技術(shù)在兩層陶瓷粉之間鋪設(shè)一層粉狀的粘結(jié)劑，通 過激光燒結(jié)使得新添陶瓷層與已成型的陶瓷層粘結(jié)。但粉狀粘結(jié)劑粘結(jié)不牢固，鑄件結(jié)構(gòu) 松散，采用該技術(shù)制得的鑄件難W提高其硬度和強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種3D打印陶瓷工藝，可更易蒸發(fā)粘結(jié) 劑，使陶瓷粉粘結(jié)度提高，從而提高產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度。 陽0化]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種3D打印陶瓷工藝，包括W下步驟： 制粒：將低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑分別預(yù)制成顆粒，低溫粘結(jié)劑粒徑為0.l-2mm，中溫 粘結(jié)劑粒徑為0.l-2mm; 混合：將制粒的低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑與粉末狀的陶瓷粉混合均勻，作為噴料； 打?。涸谕ㄈ氡Ｗo(hù)氣體的情況下，采用陶瓷3D打印機(jī)逐層噴出噴料，并利用選擇性激 光燒結(jié)技術(shù)得到粗巧； 中溫?zé)Y(jié)：將粗巧放入燒結(jié)爐中，調(diào)溫至400-700°C進(jìn)行中溫?zé)Y(jié)； 高溫?zé)Y(jié)：中溫?zé)Y(jié)后將燒結(jié)爐溫度升高至1500-1700°C進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最后得到產(chǎn) 品D
[0006] 作為上述方案的改進(jìn)，低溫粘結(jié)劑為丙締酷胺和簇酸醋中的一種或組合；中溫粘 結(jié)劑包括PVB、聚丙締酸甲醋、乙基纖維素、聚乙締醇、丙締酸乳劑、聚丙締酸酷胺中的一種 或組合。
[0007] 作為上述方案的改進(jìn)，所述制粒步驟中低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑預(yù)制的顆粒形狀 為球形、柱形和立方體中的一種或組合。
[0008] 作為上述方案的改進(jìn)，所述混合步驟中噴料各組分按百分比包括：90-99%陶瓷 粉、0. 2-8%低溫粘結(jié)劑和0. 3-8%中溫粘結(jié)劑。
[0009] 作為上述方案的改進(jìn)，陶瓷粉為氧化錯(cuò)、氧化侶和氧化娃中的一種或組合。
[0010] 作為上述方案的改進(jìn)，所述陶瓷粉的粒徑為0. 1-2μm。
[0011] 作為上述方案的改進(jìn)，所述混合步驟得到的噴料還包括增塑劑和分散劑。
[0012] 作為上述方案的改進(jìn)，所述打印步驟中包括W下步驟： 陶瓷3D打印機(jī)預(yù)熱噴料； 通入保護(hù)氣體，根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)字模型逐層噴射噴料，并刮平； 陶瓷3D打印機(jī)的激光器在剛噴射的新層上掃描出產(chǎn)品截面，使新層與下面已成形的 部分粘接； 重復(fù)噴射和激光燒結(jié)步驟，最后得到粗巧。
[0013] 作為上述方案的改進(jìn)，所述保護(hù)氣體為氮?dú)狻?br>[0014] 作為上述方案的改進(jìn)，所述中溫?zé)Y(jié)的燒結(jié)時(shí)間為5-2地，高溫?zé)Y(jié)的燒結(jié)時(shí)間為 24-7 化。
[0015] 實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，具有如下有益效果： 本發(fā)明通過將粉狀的粘結(jié)劑制粒，可在燒結(jié)時(shí)更容易被蒸發(fā)去除，在3D逐層打印過程 中，層與層之間的互聯(lián)作用更強(qiáng)，從而改善現(xiàn)有3D打印陶瓷件結(jié)構(gòu)松散的問題。此外，本發(fā) 明的噴料先混合后噴出，可使粘結(jié)劑更均勻地分散在陶瓷粉中，從而在燒結(jié)過程中粘結(jié)劑 蒸發(fā)速率相同，產(chǎn)品各處的性能更均一，穩(wěn)定。最后，本發(fā)明所述工藝結(jié)合選擇性激光燒結(jié) 工藝和傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝，對所制產(chǎn)品硬度和強(qiáng)度的提升具有促進(jìn)作用。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明一種3D打印陶瓷工藝的流程圖； 圖2是本發(fā)明新層噴料與成型陶瓷件的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一 步地詳細(xì)描述。
[0018] 現(xiàn)有技術(shù)利用陶瓷3D打印陶瓷工藝采用陶瓷粉和粉狀粘結(jié)劑，根據(jù)數(shù)字模型逐 層噴出陶瓷粉燒結(jié)成型，具體為在陶瓷粉上噴出粘結(jié)劑，然后再在粘結(jié)劑層上噴出新層的 陶瓷粉，通過選擇性激光燒結(jié)工藝使新層陶瓷粉與已成型的陶瓷件粘合。在3D打印過程 中，層與層之間需要使用粘結(jié)劑相連，如果采用粉狀粘結(jié)劑，由于陶瓷粉和粘結(jié)劑皆為粉 狀，粘結(jié)劑不易蒸發(fā)，從而使新添加的陶瓷粉和下層陶瓷粉粘牢不穩(wěn)固。
[0019] 為此本發(fā)明提供一種新的3D打印陶瓷工藝W解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，如圖1所示， 本發(fā)明一種3D打印陶瓷工藝，包括W下步驟： S100,制粒：將低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑分別預(yù)制成顆粒，低溫粘結(jié)劑粒徑為 0.l-2mm，中溫粘結(jié)劑粒徑為0.l-2mm。
[0020] 由于粉狀的粘結(jié)劑不易去除從而影響產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度，而本發(fā)明將粘結(jié)劑制成 顆粒狀，在同一的噴涂層中，顆粒狀的粘結(jié)劑相對于粉末狀的陶瓷粉(粒徑為0. 1-2μπι)可 突出層的表面，激光燒結(jié)時(shí)粘結(jié)劑更容易被蒸發(fā)去除，更容易生成陶瓷粗巧。而為了能進(jìn)一 步提高陶瓷產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度，本發(fā)明結(jié)合選擇性激光燒結(jié)工藝和傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝兩種， 選擇低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑分別在選擇性激光燒結(jié)工藝和傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝中起到粘結(jié) 作用。激光燒結(jié)時(shí)可去除大部分的低溫粘結(jié)劑，形成具有一定硬度的粗巧，粗巧的形狀更加 穩(wěn)定；再通過傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝可W使余下的低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑蒸發(fā)掉，更利于陶瓷 形狀的保持。
[0021] 此外，本發(fā)明人通過反復(fù)多次的試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)蜏卣辰Y(jié)劑粒徑為0.l-2mm，中 溫粘結(jié)劑粒徑為0.l-2mm，其制得的陶瓷硬度和強(qiáng)度最佳。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)顆粒過大(粒徑大 于2mm)，造成陶瓷粉不均勻，燒結(jié)后的陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和穩(wěn)定，造成其強(qiáng)度、硬度不均 勻；顆粒過小(粒徑小于0.1mm)，易造成陶瓷粉之間的粘結(jié)效果過差，燒結(jié)過程中粘結(jié)劑不 易被蒸發(fā)掉，燒結(jié)后的陶瓷成品在硬度上達(dá)不到要求。
[0022] 需要說明的是，粘結(jié)劑的顆粒形狀可W是球形、柱形或立方體等形狀，但不限于上 述形狀。根據(jù)產(chǎn)品需求，低溫粘結(jié)劑、中溫粘結(jié)劑的形狀可W不同，同時(shí)，低溫粘結(jié)劑的顆粒 形狀可混有球形、柱形和立方體等不同顆粒形狀的組合；中溫粘結(jié)劑的顆粒形狀可混有球 形、柱形和立方體等不同顆粒形狀的組合。
[0023] 本發(fā)明所述低溫粘結(jié)劑能在激光燒結(jié)溫度（T=80-300°C)下蒸發(fā)并使陶瓷粉粘合， 優(yōu)選地，低溫粘結(jié)劑為丙締酷胺和簇酸醋中的一種或組合，但不限于上述優(yōu)選方案；中溫粘 結(jié)劑能在中溫?zé)Y(jié)溫度（T=400-700°C)下蒸發(fā)并使陶瓷粉粘合，優(yōu)選地，所述中溫粘結(jié)劑包 括PVB、聚丙締酸甲醋、乙基纖維素、聚乙締醇、丙締酸乳劑、聚丙締酸酷胺中的一種或組合， 但不限于上述優(yōu)選方案。
[0024]S101，混合：將制粒的低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑與粉末狀的陶瓷粉混合均勻，作為 噴料。 陽0巧]其中，噴料各組分按百分比包括：90-99%陶瓷粉、0. 2-8%低溫粘結(jié)劑和0. 3-8%中 溫粘結(jié)劑。優(yōu)選地，噴料各組分按百分比包括：93-97%陶瓷粉、1-5%低溫粘結(jié)劑和1-6%中 溫粘結(jié)劑。
[00%] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述陶瓷粉為氧化錯(cuò)、氧化侶或氧化娃，也可根據(jù)產(chǎn)品性能和形狀 等要求修改陶瓷粉的配方，如W氧化侶和氧化娃為主要成分，添加氧化錯(cuò)作為輔料，按重量 配比為氧化侶：氧化娃：氧化錯(cuò)=6:8:2;也可在上述原料的基礎(chǔ)上添加其他助劑，如陶瓷粉 按百分比包括80%氧化娃、12%氧化侶、3%氧化鋼、2. 5%氧化鐘、0. 7%氧化巧、1. 2%氧化儀、 0. 1%氧化鐵、0. 5%氧化鐵。
[0027] 需要說明的是，根據(jù)產(chǎn)品的特性和性能需要，噴料還包括增塑劑和分散劑等助劑。
[002引 S102,打?。涸谕ㄈ氡Ｗo(hù)氣體的情況下，采用陶瓷3D打印機(jī)逐層噴出噴料，并利用 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)得到粗巧。
[0029] 具體的打印步驟如下： (1) 噴料被裝入陶瓷3D打印機(jī)的噴嘴后需先預(yù)熱； (2) 通入保護(hù)氣體，根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)字模型逐層噴射噴料，并刮平； 在打印過程中從噴頭中噴出的材料包含陶瓷粉、粘結(jié)劑、分散劑等，由于采用激光燒 結(jié)，噴頭處的溫度相對于周圍環(huán)境較高，采用保護(hù)氣體，能保證噴料不與周圍空氣發(fā)生反 應(yīng)，從而影響成品性質(zhì)。
[0030] (3)陶瓷3D打印機(jī)的激光器在剛噴射的新層上掃描出產(chǎn)品截面，低溫粘結(jié)劑蒸 發(fā)，使新層與下面已成形的部分粘接； (4)重復(fù)噴射和激光燒結(jié)步驟直至完成全部數(shù)字模型，最后得到粗巧。
[0031] 圖2所示，圖中為新層噴料與成型陶瓷件的結(jié)構(gòu)示意圖。由于制粒的粘結(jié)劑的顆 粒大小比粉末狀的陶瓷粉的尺寸更大，因此當(dāng)兩者混合一起并逐層噴出時(shí)，低溫粘結(jié)劑顆 粒3和中溫粘結(jié)劑顆粒4均勻鑲嵌在陶瓷粉層上，部分低溫粘結(jié)劑顆粒3在激光燒結(jié)時(shí)被 去除W使新層陶瓷粉層2與已成型陶瓷件1粘結(jié)，而新層陶瓷粉層2噴出后，新層的低溫粘 結(jié)劑顆粒3和中溫粘結(jié)劑顆粒4可與已成型陶瓷件1的粘結(jié)劑和陶瓷互聯(lián)，燒結(jié)時(shí)新層的 粘結(jié)劑可W使上下兩層粘結(jié)牢固，成品的硬度和強(qiáng)度更佳。
[0032] 此外，本發(fā)明也可如現(xiàn)有技術(shù)將陶瓷粉末與粘結(jié)劑分開噴出，但如上述先混合后 噴出的效果是低溫粘結(jié)劑和中溫粘結(jié)劑更均勻地分散在陶瓷粉中，燒結(jié)后成品各處的性能 更穩(wěn)定。
[0033] 需要說明的是，選擇性激光燒結(jié)工藝（SelectiveLaserSintering,簡稱化S)由 美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。采用紅外激光器作能 源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時(shí)，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其烙點(diǎn)的溫度，然后 在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地 燒結(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，則就可W得到一燒結(jié) 好的零件。