一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法，本发明专利技术以蜡型支撑材料和陶瓷浆料为原料，根据分层数据文件，模型的实体部分打印陶瓷基浆料，模型的支撑部分打印蜡，实现了陶瓷材料的快速成型。本发明专利技术在FDM技术的基础上加以创新改进，打印的陶瓷基浆料和蜡型支撑材料因温度差冷却凝固成型。在零件打印完成、干燥之后，将零件置于脱脂炉中去除蜡型支撑以及陶瓷实体中的有机物，经过化学气相沉积工艺得到致密度高的陶瓷零件坯体，通过抛光、打磨后处理工序得到陶瓷零件。该方法可用于不同成分的陶瓷材料的快速成型，而且简化去除支撑的步骤，可实现复杂形状的陶瓷零件快速制造。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法
本专利技术属于3D打印技术和陶瓷基复合材料成型领域，具体涉及一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法。
技术介绍
快速成型技术兴起于20世纪80年代后期，是一种以数字模型文件为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式快速成型物体的技术，该技术极大地缩短产品的研制周期，提高生产率、降低生产成本，提高企业的竞争力。同时，快速成型技术还能够打印出一些传统生产技术无法制造出的内腔以及外型、简化整个生产流程，具有快速高效的特点。3D打印技术可以运用的材料众多，而现代陶瓷材料在电、磁、热、力学、化学、生物等方面表现出良好的性能，因而得到广泛的应用。目前，陶瓷材料的快速成型已成为快速成型领域的研究热点和重要发展方向之一。陶瓷材料常用的成型方法众多，包括挤制成型、干压成型、热压铸成型、注浆成型、轧膜成型、等静压成型、热压成型和流延成型等。由于上述方法制造零件需要按照需求设计相应的模具，如果零件稍有改动，则需要重新设计模具或者对模具成型的零件进行后续加工，因而这种方法增加了生产成本，而且由于模具制造工艺的限制，这些工艺不适合制造复杂内腔、外形的形状。随着现代工业的飞速发展，这些方法已经不能满足某些特殊领域的需求。为了解决上述问题，各国开始将快速成型技术运用于陶瓷材料的快速成型领域。目前有关于陶瓷材料的快速成型方法，如利用光刻造型技术(SLA)，首先配置陶瓷浆料，然后在光固化成型机中制备陶瓷零件素坯；利用选择性激光烧结技术(SLS)，配制陶瓷粉料，然后经过SLS技术制得陶瓷零件坯体；利用分层实体制造技术(LOM)，以陶瓷薄膜为原料，利用LOM技术生成陶瓷零件坯体；利用三维打印技术(3DP)，将陶瓷浆料经打印头压出，按照分层数据打印生成陶瓷零件素坯。立体光刻造型技术(SLA)所用陶瓷浆料中含有的光敏树脂有一定的毒性、成本较高、而且存在设备昂贵等问题，因而该技术使用受到限制；选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)所用陶瓷材料存在陶瓷粉末颗粒之间间距大，因而制得的坯体致密度低，在高温烧结过程中无法致密化，陶瓷零件性能受到影响；分层实体制造技术(LOM)对陶瓷薄片要求高、材料浪费严重等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法，该方法设备成本低、制备工艺简单、提高陶瓷零件致密度、容易去除支撑材料。为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：步骤一，通过三维设计软件设计三维模型，三维模型通过切片软件转换后生成路径文件，将路径文件导入到快速成型机中；步骤二，制备蜡型支撑材料，并将蜡型支撑材料加入到快速成型机中的支撑材料料筒中；制备陶瓷浆料，并将陶瓷浆料加入到快速成型机中的浆料料筒中；步骤三，快速成型机控制喷头进行打印，当打印模型部分时，陶瓷浆料在喷头中加热之后从浆料料筒中被挤出；当打印支撑部分时，蜡型支撑材料在喷头中加热之后从支撑材料料筒中被挤出；步骤四，挤出后的陶瓷材料和蜡型支撑材料冷却固化，当前截面打印完成；步骤五，喷头上升一个层厚的距离；步骤六，重复步骤三至步骤五，直至零件完成，得到零件素坯；步骤七，将零件素坯干燥后，对零件进行脱脂处理，去除蜡支撑及陶瓷实体中所含有机物；步骤八，对零件素坯进行CVI渗透法工艺处理和CVD化学气相沉积，得到陶瓷零件坯体；步骤九，对陶瓷零件坯体进行抛光、打磨后处理，得到陶瓷零件。步骤二中，蜡型支撑材料采用熔点为57～80℃的低熔点石蜡。步骤二中，陶瓷浆料采用质量分数为60～75％的陶瓷粉末、1～10％增强物、1～10％的固化剂、1～5％的分散剂、1～2％的消泡剂和10％～40％去离子水均匀混合而成。增强物采用碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钨、碳化钼、硼化钛、硼化锆颗粒或短纤维。固化剂采用明胶、海藻酸钠、硅溶胶或琼脂糖。分散剂采用氨水、四甲基氢氧化铵、柠檬酸盐、聚丙烯酸盐、聚乙二醇、三乙醇胺或聚乙烯亚胺。消泡剂采用正辛醇、正丁醇、磷酸三丁酯、烷基硅油或乙二醇。步骤七中，干燥是将零件素坯在60℃下干燥30min，然后在80℃下干燥30min。步骤七中，脱脂的具体工序如下：在脱脂炉中从室温以50℃/h的升温速率升温至160℃保温1h，然后以100℃/h的升温速率升温至600℃保温1h，接着以200℃/h的升温速率升温至850℃保温2h，去除蜡型支撑以及陶瓷实体中的有机物。与现有技术相比，本专利技术以蜡型支撑材料和陶瓷浆料为原料，根据分层数据文件，模型的实体部分打印陶瓷基浆料，模型的支撑部分打印蜡，实现了陶瓷材料的快速成型。本专利技术在FDM技术的基础上加以创新改进，打印的陶瓷基浆料和蜡型支撑材料因温度差冷却凝固成型。在零件打印完成、干燥之后，将零件置于脱脂炉中去除蜡型支撑以及陶瓷实体中的有机物，经过化学气相沉积工艺得到致密度高的陶瓷零件坯体，通过后处理工序得到陶瓷零件。该方法可用于不同成分的陶瓷材料的快速成型，而且简化去除支撑的步骤，可实现复杂形状的陶瓷零件快速制造。附图说明图1为本专利技术中所采用装置的示意图；图2为实施例1中的碳化硅基陶瓷零件的示意图；图3为图2的剖视图；图4为实施例2中的碳化硅基陶瓷零件的示意图；图5为图4的剖视图；其中，1、蜡型支撑部分；2、陶瓷基零件成型部分；3、陶瓷浆料料筒；4、蜡支撑材料料筒；5、打印工作台。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1：1)使用UG软件设计三维模型，模型通过切片软件转换后生成路径文件，将路径文件导入到快速成型机中。2)使用熔点为60℃的石蜡制备支撑材料，并加入到支撑材料料筒4中。3)将质量分数为70％的碳化硅陶瓷、2％的碳化钛、7％的明胶、5％的氨水、2％的正辛醇以及14％去离子水均匀混合而成，并加入到浆料料筒3中。4)打印时，程序控制3D打印头在二维平面运动。当打印模型部分时，陶瓷浆料在喷头中加热之后从浆料料筒3中被挤出；当打印支撑部分时，蜡型支撑材料在喷头中加热之后从支撑材料料筒4中被挤出。5)挤出后的陶瓷材料和蜡型支撑材料冷却凝固，当前截面打印完成。6)打印机的打印头上升一个层厚的距离。7)重复步骤四至步骤六，直至零件完成，得到零件素坯。8)将零件的素坯在60℃下干燥30min，然后在80℃下干燥30min，使素坯完全干燥。9)将零件素坯置于脱脂炉中，从室温以50℃/h的升温速率升温至160℃保温1h，然后以100℃/h的升温速率升温至600℃保温1h，接着以200℃/h的升温速率升温至850℃保温2h，去除蜡型支撑以及陶瓷实体中的有机物。10)使用CVI渗透法工艺处理使零件致密化，CVD化学气相沉积工艺处理使零件表面沉积热解碳涂层，得到陶瓷零件坯体。11)经过抛光、打磨后处理后的碳化硅基陶瓷零件如图2所示。实施例2：1)使用UG软件设计三维模型，模型通过切片软件转换后生成路径文件，将路径文件导入到快速成型机中。2)使用熔点为72℃的石蜡制备支撑材料，并加入到支撑材料料筒4中。3)将质量分数为68％的碳化硅陶瓷、3％的碳化钨、3％的硅溶胶、4％的聚乙二醇、2％的乙二醇和余量为20％去离子水均匀混合而成，并加入到浆料料筒3中。4)打印时，程序控制3D打印头在二维平面运动。当打印模型部分时，陶瓷浆料在喷头中加热之后从浆料料筒3中被挤出；当打印支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，通过三维设计软件设计三维模型，三维模型通过切片软件转换后生成路径文件，将路径文件导入到快速成型机中；步骤二，制备蜡型支撑材料，并将蜡型支撑材料加入到快速成型机中的支撑材料料筒(4)中；制备陶瓷浆料，并将陶瓷浆料加入到快速成型机中的浆料料筒(3)中；步骤三，快速成型机控制喷头进行打印，当打印模型部分时，陶瓷浆料在喷头中加热之后从浆料料筒(3)中被挤出；当打印支撑部分时，蜡型支撑材料在喷头中加热之后从支撑材料料筒(4)中被挤出；步骤四，挤出后的陶瓷材料和蜡型支撑材料冷却固化，当前截面打印完成；步骤五，喷头上升一个层厚的距离；步骤六，重复步骤三至步骤五，直至零件完成，得到零件素坯；步骤七，将零件素坯干燥后，对零件进行脱脂处理，去除蜡支撑及陶瓷实体中所含有机物；步骤八，对零件素坯进行CVI渗透法工艺处理和CVD化学气相沉积，得到陶瓷零件坯体；步骤九，对陶瓷零件坯体进行抛光、打磨后处理，得到陶瓷零件。

【技术特征摘要】
1.一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，通过三维设计软件设计三维模型，三维模型通过切片软件转换后生成路径文件，将路径文件导入到快速成型机中；步骤二，制备蜡型支撑材料，并将蜡型支撑材料加入到快速成型机中的支撑材料料筒(4)中；制备陶瓷浆料，并将陶瓷浆料加入到快速成型机中的浆料料筒(3)中；步骤三，快速成型机控制喷头进行打印，当打印模型部分时，陶瓷浆料在喷头中加热之后从浆料料筒(3)中被挤出；当打印支撑部分时，蜡型支撑材料在喷头中加热之后从支撑材料料筒(4)中被挤出；步骤四，挤出后的陶瓷材料和蜡型支撑材料冷却固化，当前截面打印完成；步骤五，喷头上升一个层厚的距离；步骤六，重复步骤三至步骤五，直至零件完成，得到零件素坯；步骤七，将零件素坯干燥后，对零件进行脱脂处理，去除蜡支撑及陶瓷实体中所含有机物；步骤八，对零件素坯进行CVI渗透法工艺处理和CVD化学气相沉积，得到陶瓷零件坯体；步骤九，对陶瓷零件坯体进行抛光、打磨后处理，得到陶瓷零件。2.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法，其特征在于，步骤二中，蜡型支撑材料采用熔点为57～80℃的石蜡。3.根据权利要求1所述的一种复杂结构陶瓷基零件的增材制作方法，其特征在于，步骤二中，陶瓷浆料采用质量分数为60～75％的陶瓷粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，黄旺旺，高云鹏，徐文梁，曹继伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61