一种氧化铝陶瓷的增材制造方法技术

本发明专利技术涉一种氧化铝陶瓷的增材制造方法，包括：将需要打印的陶瓷零件模型进行分层，确定每层需要粘结的区域；在工作托盘上铺放一层陶瓷粉末；使用喷嘴将热固性树脂粘接剂喷在该层需要粘结的区域，所述的热固性树脂粘接剂包括环氧树脂单体和硬化剂；使用加热装置加热该层陶瓷粉末上的热固性树脂粘接剂，使其发生热固化交联聚合反应，将该层陶瓷粉末粘结；逐层打印，直到形成完整的陶瓷坯体；将陶瓷坯体清洗干净；将清洗干净后的陶瓷坯体放入烧结炉中煅烧，方法如下：加热至140℃，保温3小时；再在空气环境下加热至600℃，保温6小时；最后在空气环境下加热至1200℃，保温8小时，烧结成固体陶瓷零件成品。

A method for increasing alumina ceramic manufacture

The invention relates to a method for manufacturing alumina ceramics with augmented materials, which comprises: layering a model of ceramic parts to be printed to determine the area where each layer needs to be bonded; laying a layer of ceramic powder on a working tray; spraying a thermosetting resin adhesive on the area where the layer needs to be bonded by using a nozzle; and the thermosetting resin. The adhesive includes epoxy resin monomer and hardener; a heating device is used to heat the thermosetting resin binder on the ceramic powder of the layer to produce a thermosetting cross-linking polymerization, and the ceramic powder of the layer is bonded; the ceramic powder is printed layer by layer until a complete ceramic green body is formed; the ceramic green body is cleaned; and the ceramic green body is cleaned after cleaning. The ceramic body is fired in the sintering furnace by heating to 140 C for 3 hours, then heating to 600 C in the air for 6 hours, and finally heating to 1200 C in the air for 8 hours to sinter into the finished product of solid ceramic parts.

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝陶瓷的增材制造方法
本专利技术涉及一种陶瓷材料的成型方法，尤其涉及一种基于附加制造技术，即三维物品制造技术的陶瓷材料增材制造方法。
技术介绍
陶瓷材料具有低密度、高硬度、高耐热、高耐磨等优点，在广泛的工业领域中具有极好的应用前景，如隔热、耐热材料，陶瓷轴承等。传统的陶瓷材料成型方法，是将陶瓷原材料，一般是粉体或者浆体放入模具进行高温烧结形成毛坯，再使用机械切削、磨削的方法进行精加工，从而获得最终的产品。但是由于陶瓷材料高熔点、硬脆难加工的特性，传统成型方法需要使用昂贵的模具和机加工刀具、磨具，生产工艺复杂，加工周期长。增材制造技术使用逐层附加制造的思想，将所要制造的零件模型使用计算机程序进行分层处理，得到一层层需要打印的二维图形，再通过3D打印机逐层打印、堆叠这些二维图形，最终形成三维零件实体。这种材料制造技术可以避免使用模具以及后续的机械加工过程，从而实现零件的快速制造。目前已经有若干公开的陶瓷材料增材制造方法，与本申请有一定相关性的主要有：美国专利5,204,055采用预先制备的陶瓷粉末一层层铺在工作台上，并逐层使用喷射头将粘接剂喷射到选定区域，使该区域的粉末粘结，这样逐层堆积，最终形成零件成品。这种技术不包含陶瓷的固相烧结，只靠粘接剂实现材料粉末间的固定，因此最终零件的强度很低。美国专利US8,568,649B1在前者的基础上，使用聚乙烯醇作为粘接剂，并在陶瓷粉末粘结成型后，再将其进行高温烧结。一方面利用高温去除材料中的粘接剂成分；另一方面使陶瓷粉末发生高温固相反应，形成固结的实体，从而相比前者提高零件强度。但是，由于聚乙烯醇分子量很大(该专利优选的分子量为9,000至10,000)，很难渗入微小的陶瓷粉末间隙之中。因此陶瓷粉末粒径必须足够大，以提供充足的间隙使粘接剂能够渗入。这样，最终的材料成品内部含有很多孔隙，相当于材料内部的初始裂纹和集中应力点，降低了材料强度和零件的可靠性。中国专利CN105601287A、CN03935036A等公开了一些使用光固化粘接剂进行陶瓷粉末粘结，从而实现三维制造的技术方法。这些方法使用硅酸钠、氟硅酸镁等作为固化剂，六氟磷酸盐、6-异丙苯茂铁等作为引发剂。这类粘接剂可以经过紫外线照射固化，形成硅氧、硅氟等化学键，从而实现陶瓷粉末的粘结。其缺点是引入了异于陶瓷颗粒成分的杂质元素，如钠、氟、磷、铁等，从而阻碍了陶瓷颗粒的固相结晶反应，进而削弱材质强度，或者造成其他方面使用性能的下降。
技术实现思路
本专利技术提出一种实现高致密、高强度氧化铝陶瓷的增材制造方法。本专利技术采用如下技术方案：一种氧化铝陶瓷的增材制造方法，包括下列的步骤：1)将需要打印的陶瓷零件模型进行分层，确定每层需要粘结的区域，并生成控制程序。2)在工作托盘上铺放一层氧化铝陶瓷粉末；3)使用喷嘴将热固性树脂粘接剂喷在该层需要粘结的区域，所述的热固性树脂粘接剂包括环氧树脂单体和硬化剂；4)使用加热装置加热该层陶瓷粉末上的热固性树脂粘接剂，使其发生热固化交联聚合反应，将该层陶瓷粉末粘结；5)逐层打印，直到形成完整的陶瓷坯体；6)将陶瓷坯体清洗干净，去除其上附着的未粘结的陶瓷粉末；7)将清洗后的陶瓷坯体放在烧结炉中，加热至140℃，保温3小时；再在空气环境下加热至600℃，保温6小时；最后在空气环境下加热至1200℃，保温8小时，烧结成固体陶瓷零件成品。优选地，使用双酚F缩水甘油醚BFDGE作为环氧树脂单体，使用二乙基甲苯二胺DETDA作为硬化剂，BFDGE和DETDA的摩尔比例为2.2:1。所采用的制造设备包括：机架、承载有作为原料的陶瓷粉末的进料托盘、工作托盘、铺料刮板、硬化剂输送管、环氧树脂单体输送管、混合室、喷嘴和加热装置，进料托盘和工作托盘能够上下移动，铺料刮板用于将高于机架的原料陶瓷粉末赶至工作托盘处，使其在工作托盘上形成一层均匀的待打印材料层，硬化剂输送管和环氧树脂单体输送管与混合室连通，喷嘴用于将在混合室混合后得到的热固性树脂粘接剂按照控制程序喷射在工作托盘上每层指定的需要粘结的区域；加热装置用于加热工作托盘及其承载的待打印材料层，使其温度高于热固性树脂的固化温度。优选地，在喷嘴和混合室周围布置有水冷装置。与现有的技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)使用的环氧树脂单体和硬化剂分子量很小，因此在陶瓷粉末的间隙中具有非常良好的浸润性，能够将粒径非常小的陶瓷粉末有效粘结，从而提高材料的致密性，减小材料内部的孔隙率，实现高致密、高强度陶瓷的增材制造；(2)本专利技术涉及的环氧树脂单体及硬化剂所含化学元素主要为碳、氢、氧、氮，在高温富氧环境下，很容易氧化成二氧化碳、水和氮氧化物，因此在高温煅烧烧结过程中不会残留在陶瓷成品内部，从而实现高纯度陶瓷的增材制造；(3)本专利技术涉及的喷嘴可以达到高精度的粘接剂喷涂，同时不需要模具和机加工刀具，可以实现陶瓷材料一次性成型，从而实现陶瓷材料高效、高精度成型；(4)本专利技术涉及的技术方案，只有将环氧树脂单体、硬化剂混合，并在高温环境下加热，树脂粘接剂才具有固化粘性，因此，本专利技术的喷嘴和粘接剂输送管路不会堵塞，从而不再需要喷嘴和输送管路清洗维护；(5)环氧树脂单体和硬化剂黏度很小，也不存在固体颗粒，即便喷射速度很快，也不会对喷嘴造成很大的冲击力，因此可以提高喷嘴的使用寿命和可靠性，提高材料的打印效率；附图说明图1为本专利技术方法的流程示意图。图2为本专利技术装置的原理示意图。具体实施方式如图1所示本专利技术采用如下技术方案：1、使用计算机软件，将需要打印的陶瓷零件模型进行分层，确定每层需要粘结的区域，并生成打印机控制程序；2、在工作托盘上铺放一层很薄的陶瓷粉末；3、使用喷嘴将环氧树脂单体和硬化剂混合物根据程序喷在该层需要粘结的区域；4、使用加热装置加热该层陶瓷粉末上的热固性树脂粘接剂，使其发生热固化交联聚合反应，将该层陶瓷粉末粘结；5、逐层打印，直到形成完整的陶瓷坯体；6、将陶瓷坯体清洗干净，去除其上附着的未粘结的陶瓷粉末；7、将清洗干净后的陶瓷坯体放入烧结炉中高温煅烧，一方面去除陶瓷坯体内含的树脂粘接剂成分，另一方面使陶瓷坯体中的陶瓷粉末发生固相反应，形成致密的陶瓷零件成品。上述陶瓷粉末的材质可以是氧化铁、氧化锌、氧化锰、氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氮化硅、碳化硅或其他可以通过高温固相反应烧结形成陶瓷的金属氧化物、氮化物、碳化物或盐，以及它们的组合，或者经过表面改性的上述粉末，或者为了提高材料性能加入其他粉末、纤维、晶须状添加剂的混合粉末。上述陶瓷粉末的颗粒直径可在10nm-1000nm，优选地为30nm-500nm，更优地为50nm-200nm。上述环氧树脂单体是指可以通过环氧基官能团实现加热交联固化的单体分子材料，可以选用双酚F缩水甘油醚(BFDGE)、三环氧苯基对氨基苯酚(TGAP)、四环氧苯基二氨基二苯甲烷(TGDDM)等有机物单体，或上述几种的组合。上述硬化剂是指可以与环氧树脂单体分子的环氧基官能团反应从而实现交联固化的化学试剂，可以选用二乙基甲苯二胺(DETDA)。上述环氧树脂单体与硬化剂的混合物，在高温加热作用下可以产生交联反应，形成大分子的树脂固体，从而实现对陶瓷粉末的粘结。由于硬化剂中的每个胺基官能团可以和环氧树脂单体中的2个环氧苯基官能团发生交联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铝陶瓷的增材制造方法，包括下列的步骤：1)将需要打印的陶瓷零件模型进行分层，确定每层需要粘结的区域，并生成控制程序。2)在工作托盘上铺放一层氧化铝陶瓷粉末；3)使用喷嘴将热固性树脂粘接剂喷在该层需要粘结的区域，所述的热固性树脂粘接剂包括环氧树脂单体和硬化剂；4)使用加热装置加热该层陶瓷粉末上的热固性树脂粘接剂，使其发生热固化交联聚合反应，将该层陶瓷粉末粘结；5)逐层打印，直到形成完整的陶瓷坯体；6)将陶瓷坯体清洗干净，去除其上附着的未粘结的陶瓷粉末；7)将清洗后的陶瓷坯体放在烧结炉中，加热至140℃，保温3小时；再在空气环境下加热至600℃，保温6小时；最后在空气环境下加热至1200℃，保温8小时，烧结成固体陶瓷零件成品。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝陶瓷的增材制造方法，包括下列的步骤：1)将需要打印的陶瓷零件模型进行分层，确定每层需要粘结的区域，并生成控制程序。2)在工作托盘上铺放一层氧化铝陶瓷粉末；3)使用喷嘴将热固性树脂粘接剂喷在该层需要粘结的区域，所述的热固性树脂粘接剂包括环氧树脂单体和硬化剂；4)使用加热装置加热该层陶瓷粉末上的热固性树脂粘接剂，使其发生热固化交联聚合反应，将该层陶瓷粉末粘结；5)逐层打印，直到形成完整的陶瓷坯体；6)将陶瓷坯体清洗干净，去除其上附着的未粘结的陶瓷粉末；7)将清洗后的陶瓷坯体放在烧结炉中，加热至140℃，保温3小时；再在空气环境下加热至600℃，保温6小时；最后在空气环境下加热至1200℃，保温8小时，烧结成固体陶瓷零件成品。2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，陶瓷粉末的颗粒直径在10nm-1000nm。3.根据权利要求1所述的制造方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林彬，王皓吉，魏金花，李晓雷，赵菲菲，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12