CN107584631A - 一种陶瓷坯体的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下步骤：步骤一：建立目标陶瓷坯体的三维模型，将数据模型转换为STL格式文件；步骤二：将三维模型的STL格式文件按照目标陶瓷坯体的形状进行分层处理，获取三维模型中每层的激光扫描路径数据，转化为截面数据，然后将截面数据导入制造程序中；步骤三：根据建立的目标陶瓷坯体模型，将溶剂、陶瓷粉体和粘结剂混合均匀并球磨，将球磨后的浆料在真空除泡机中进行真空除泡，配制成具有室温凝固特性的陶瓷浆料；本发明通过冷冻干燥能够使浆料中的固体颗粒原位固定，目标陶瓷坯体获得多级孔隙结构，目标陶瓷坯体加工过程中省略了模具的使用，缩短了研制和生产周期，成本低，能耗低，绿色无污染。

Description

一种陶瓷坯体的3D打印方法

技术领域

本发明涉及陶瓷生产技术领域，具体是一种陶瓷坯体的3D打印方法。

背景技术

随着数字化设计制造技术以及陶瓷材料的发展，多孔陶瓷制品的应用日趋广泛。多孔陶瓷具有多种优良性能，已被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、生物等领域。多孔陶瓷已成为国家建设和人们的生产生活中不可缺少的一类新材料，具有广阔的开发应用前景。由于多孔陶瓷使用范围越来越广泛，人们对简化工艺、提高效率、降低成本的要求也越来越高，因而传统的制备方法已不能满足人们的需求。近几年一系列新的多孔陶瓷制备技术不断的被提出，并都在朝着高孔隙率、结构均匀并可控制、力学性能优良这个方向发展。

现有技术中，传统的制备多孔陶瓷的工艺方法主要有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、挤压成型法、颗粒堆积法等，这些常用的方法可以制备出孔隙率较高、孔径均匀分布的多孔陶瓷，但是难以适应现代3D打印方法，3D打印技术即快速成型技术的一种，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，3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

多孔陶瓷坯体的3D打印方法，按照材料状态的不同分为基于粉体和基于浆料两种。基于粉体的3D打印方法，采用粘结剂将多孔陶瓷颗粒粘连在一起使其成形，烧除粘结剂后获得多孔陶瓷，这种方法难以控制坯体的孔隙结构；基于浆料的3D打印方法，主要通过蒸发溶剂的方法使浆料固化成形，溶剂蒸发的过程存在气液界面，由于张力的作用，使孔隙结构不可控。基于浆料的3D打印方法还包括立体光固化成型法(SLA)，这种方法以光敏树脂为粘结剂，脱脂过程会污染环境。

专利号CN106083038A公布了一种冷冻成型的Y-TZP浆料制备方法。按照打印程序将浆料在低温环境中挤出使其凝固定型，之后采用冷冻干燥法对坯体进行干燥处理，冷冻干燥法的原理是将浆料中的溶剂冷冻，然后在低压条件下将溶剂冰升华除去，其余材料留在原位，最终形成与结晶结构完全相同的多孔微结构；这种技术挤出的浆料需要在极低温环境下快速冷冻成型，加工过程对环境要求高，能耗大。

发明新型内容

发明的目的在于提供一种陶瓷坯体的3D打印方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：

一种陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下步骤：

步骤一：建立目标陶瓷坯体的三维模型，将数据模型转换为STL格式文件；

步骤二：将三维模型的STL格式文件按照目标陶瓷坯体的形状进行分层处理，获取三维模型中每层的激光扫描路径数据，转化为截面数据，然后将截面数据导入制造程序中；

步骤三：根据建立的目标陶瓷坯体模型，将溶剂、陶瓷粉体和粘结剂混合均匀并球磨，将球磨后的浆料在真空除泡机中进行真空除泡，配制成具有室温凝固特性的陶瓷浆料；

步骤四：将配制好的浆料放置到3D打印机的料筒中，将料筒加热后保温，启动3D打印机，3D打印机的喷头在制造程序的控制下，根据步骤三中的分层截面数据，挤出陶瓷浆料成挤出丝，喷头根据激光扫描路径的数据在X,Y和Z方向上进行移动，打印出截面薄层，通过逐层堆积，制得凝固状态坯体；

步骤五：使用冷冻干燥机对打印完成后的凝固状态坯体进行冷冻干燥，得到目标陶瓷坯体。

作为发明进一步的方案：所述陶瓷粉体的含量为5～90wt％，粘结剂的含量为1～30wt％。

作为发明进一步的方案：所述陶瓷粉体由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、羟基磷灰石陶瓷或磷酸三钙陶瓷中的一种或几种组成。

作为发明进一步的方案：所述溶剂采用莰烯或二苯甲酮。

作为发明进一步的方案：所述溶剂选用莰烯。

作为发明进一步的方案：所述粘结剂采用Texaphor 963、羧甲基纤维素钠或聚乙烯醇。

作为发明进一步的方案：所述粘结剂选用Texaphor 963。

作为发明进一步的方案：所述冷冻干燥机内部真空度降至真空度为<10Pa。

与现有技术相比，发明的有益效果是：通过冷冻干燥能够使浆料中的固体颗粒原位固定，目标陶瓷坯体获得多级孔隙结构，陶瓷浆料配制为均匀的具有室温凝固特性的浆料即可，对浆料配制要求较低，适应性广，适于大批量生产，材料应用范围广泛，拓展了3D打印技术的应用领域，目标陶瓷坯体加工过程中省略了模具的使用，无需刀具、模具和夹具，缩短了研制和生产周期，成本低，能耗低，绿色无污染，加工环境室温条件下即可，无需低温加工，在加工复杂形状产品时具有明显优势，且大大减少了加工过程中的材料浪费，应用3D打印技术加工多孔陶瓷制品，具有效率高、成本低、浪费少的优点。

附图说明

图1为陶瓷坯体的3D打印方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，一种陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下步骤：

步骤一：建立目标陶瓷坯体的三维模型，将数据模型转换为STL格式文件；

步骤二：将三维模型的STL格式文件按照目标陶瓷坯体的形状进行分层处理，获取三维模型中每层的激光扫描路径数据，转化为截面数据，然后将截面数据导入制造程序中；

步骤三：根据建立的目标陶瓷坯体模型，将溶剂、陶瓷粉体和粘结剂混合均匀并球磨2h，将球磨后的浆料在真空除泡机中进行真空除泡，配制成具有室温凝固特性的陶瓷浆料，陶瓷粉体的含量为5～90wt％，粘结剂的含量为1～30wt％，陶瓷粉体由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、羟基磷灰石陶瓷或磷酸三钙陶瓷中的一种或几种组成，溶剂采用莰烯或二苯甲酮，本发明溶剂优选莰烯，粘结剂采用Texaphor 963、羧甲基纤维素钠或聚乙烯醇，本发明粘结剂优选Texaphor 963；

步骤四：将配制好的浆料放置到3D打印机的料筒中，将料筒加热后保温，启动3D打印机，3D打印机的喷头在制造程序的控制下，根据步骤三中的分层截面数据，挤出陶瓷浆料成挤出丝，喷头根据激光扫描路径的数据在X,Y和Z方向上进行移动，打印出截面薄层，通过逐层堆积，制得凝固状态坯体；

步骤五：使用冷冻干燥机对打印完成后的凝固状态坯体进行冷冻干燥，得到不含溶剂的目标陶瓷坯体，将冷冻干燥机内部真空度降至真空度为<10Pa。

本发明工作时，首先采用Pro/E、UG等三维设计软件对目标坯体进行三维模型的构建，然后建立目标坯体的STL格式模型，采用计算机软件对建立的三维模型进行沿高度方向的分层处理，每层处理的厚度为0.1～1mm，获取每层的激光扫描路径数据，根据建立的三维模型配制陶瓷浆料，陶瓷浆料包括陶瓷粉体、溶剂和粘结剂，陶瓷粉体由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、羟基磷灰石陶瓷或磷酸三钙陶瓷中的一种或几种组成，溶剂采用莰烯或二苯甲酮，本发明溶剂优选莰烯，粘结剂采用Texaphor 963、羧甲基纤维素钠或聚乙烯醇，本发明粘结剂优选Texaphor 963，当使用陶瓷粉体配制浆料时，称取一定量的氧化铝粉、莰烯和Texaphor 963，在60℃条件下将原料加入刚玉球磨罐中进行高速球磨2h，制得氧化铝含量30vol％，Texaphor 963含量3wt％的陶瓷浆料，将球磨后的浆料置于真空除泡机中除泡，将除泡后的浆料放置于3D打印机的料筒内，当启动3D打印机时，料筒对浆料进行不断搅动，能够有效避免浆料沉降，3D打印机的料筒温度加热至60℃并进行保温工作，可以有效的避免出现浆料凝固的情况，料筒连接挤出头，当需要打印时，3D打印机挤出头挤出陶瓷浆料成挤出丝，并挤出在打印平台上，3D打印机根据计算机设置的运动路径完成三维挤出，使目标坯体打印过程完成，由于莰烯在47℃下即可凝固，则打印出的目标坯体在室温下形成凝固状态，目标坯体通过冷冻干燥机冷冻干燥16h，冷冻干燥机压力降低至3Pa，使冷冻干燥机的真空度降至溶剂三相点压强以下，冷冻干燥完成后关闭冷冻干燥机，去除目标坯体内的溶剂，得到不含溶剂的坯体，本发明通过冷冻干燥能够使浆料中的固体颗粒原位固定，目标陶瓷坯体获得多级孔隙结构，陶瓷浆料配制为均匀的具有室温凝固特性的浆料即可，材料应用范围广泛，拓展了3D打印技术的应用领域，目标陶瓷坯体加工过程中省略了模具的使用，缩短了研制和生产周期，成本低，能耗低，绿色无污染。

对于本领域技术人员而言，显然发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种陶瓷坯体的3D打印方法，包括如下步骤：

步骤一：建立目标陶瓷坯体的三维模型，将数据模型转换为STL格式文件；

步骤二：将三维模型的STL格式文件按照目标陶瓷坯体的形状进行分层处理，获取三维模型中每层的激光扫描路径数据，转化为截面数据，然后将截面数据导入制造程序中；

步骤三：根据建立的目标陶瓷坯体模型，将溶剂、陶瓷粉体和粘结剂混合均匀并球磨，将球磨后的浆料在真空除泡机中进行真空除泡，配制成具有室温凝固特性的陶瓷浆料；

步骤四：将配制好的浆料放置到3D打印机的料筒中，将料筒加热后保温，启动3D打印机，3D打印机的喷头在制造程序的控制下，根据步骤三中的分层截面数据，挤出陶瓷浆料成挤出丝，喷头根据激光扫描路径的数据在X,Y和Z方向上进行移动，打印出截面薄层，通过逐层堆积，制得凝固状态坯体；

步骤五：使用冷冻干燥机对打印完成后的凝固状态坯体进行冷冻干燥，得到目标陶瓷坯体。

2.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述陶瓷粉体的含量为5～90wt％，粘结剂的含量为1～30wt％。

3.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述陶瓷粉体由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、羟基磷灰石陶瓷或磷酸三钙陶瓷中的一种或几种组成。

4.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述溶剂采用莰烯或二苯甲酮。

5.根据权利要求4所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述溶剂选用莰烯。

6.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述粘结剂采用Texaphor 963、羧甲基纤维素钠或聚乙烯醇。

7.根据权利要求6所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述粘结剂采用Texaphor 963。

8.根据权利要求1所述的陶瓷坯体的3D打印方法，其特征在于，所述冷冻干燥机内部真空度降至真空度为<10Pa。