高强度大型复杂陶瓷素坯及其三维喷印成形方法和装备技术

本发明专利技术属于增材制造领域，并具体公开了一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其三维喷印成形方法和装备，其包括如下步骤：S1、采用热固性树脂、光敏树脂和光引发剂为原料制备墨水；将热固性树脂固化剂、红外光吸收剂与陶瓷粉体混合后进行铺粉并预热；S2、根据素坯三维模型切片信息进行单层喷墨，并采用紫外光实时同步照射单层成形区域，使光敏树脂交联固化；S3、采用红外光加热单层成形区域，加速墨水固化反应，完成一个切片层的成形；S4、重复步骤S1～S3，直至完成陶瓷素坯成形。本发明专利技术可解决三维喷印增材制造陶瓷素坯强度低、效率低、成形尺寸小等问题，实现高强度大型复杂陶瓷素坯的高效增材制造成形。造成形。造成形。

【技术实现步骤摘要】
高强度大型复杂陶瓷素坯及其三维喷印成形方法和装备


[0001]本专利技术属于增材制造领域，更具体地，涉及一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其三维喷印成形方法和装备。

技术介绍

[0002]三维喷印(Three
‑
Dimension Printing,3DP)，又称为粘接剂喷射(Binder Jetting,BJ)增材制造技术利用喷头选择性喷射墨水逐层粘结粉末以获得三维实体制件，具有无需模具、材料适用范围广、材料利用率高等诸多优点，被广泛应用于金属、高分子和陶瓷材料零件的制备。但3DP技术在制备陶瓷零件时仍存在以下突出问题：
①
3DP成形陶瓷素坯强度低，在制备大型复杂零件时易弯曲、变形，无法满足后处理工艺和陶瓷零件使用要求；
②
墨水固化速率慢，喷印完成后需长时间静置等待墨水固化，降低成形效率。
③
墨水固化不均匀，导致素坯内部固化性能差，限制成形尺寸；
[0003]针对上述问题，已有部分公开专利对墨水配方和后处理工序进行改进，以提高陶瓷素坯强度、成形效率和尺寸。例如专利CN202010723437.3和CN201910277849.6通过成分调节以提高墨水与粉体的润湿作用，增加墨水与粉体的接触面积以提高素坯强度，但单位体积墨水中的化学键聚合数量并未增加，因此素坯强度提高有限，难以满足后处理工艺的使用要求；专利CN105562623A和CN202110473283.1采用微波加热固化喷墨层，以提高陶瓷素坯强度和成形效率，但微波加热腔体尺寸有限，仍难以满足大型复杂陶瓷素坯快速固化的成形要求。
[0004]综上，3DP技术能够无需模具成形复杂陶瓷素坯，降低成本和缩短工艺周期，但现有3DP技术成形的陶瓷素坯存在强度低、效率低、成形尺寸小的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其三维喷印成形方法和装备，其目的在于，成形高强度大型复杂陶瓷素坯，避免大尺寸素坯在后处理不同工位搬运时由于自身重力与应力不均带来的翘曲、变形等缺陷。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提出了一种高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，包括如下步骤：
[0007]S1、采用热固性树脂、光敏树脂和光引发剂为原料制备墨水；将热固性树脂固化剂、红外光吸收剂与陶瓷粉体混合后进行铺粉并预热；
[0008]S2、根据素坯三维模型切片信息进行单层喷墨，并采用紫外光实时同步照射单层成形区域，使光敏树脂交联固化；
[0009]S3、采用红外光加热单层成形区域，加速墨水固化反应，完成一个切片层的成形；
[0010]S4、重复步骤S1～S3，直至完成陶瓷素坯成形。
[0011]作为进一步优选的，所述紫外光采用点光源同步匹配扫描或面光源辐照成形区域，所述红外光采用面曝光方式辐照成形区域。
[0012]作为进一步优选的，所述红外光的功率密度为0.02～0.10W
·
s/mm2，其面曝光辐照时间为0.5～5.0s。
[0013]作为进一步优选的，所述红外光吸收剂为碳黑、三方胺染料和偶氮染料中的一种或多种，其添加量为陶瓷粉体质量的1.0％～5.0％。
[0014]作为进一步优选的，所述热固性树脂为呋喃树脂和酚醛树脂中的一种或两种，其添加量为陶瓷粉体质量的0.5％～2.0％；所述光敏树脂为单官能团的丙烯酸酯树脂和环氧树脂中的一种或两种，其添加量为陶瓷粉体质量的0.1％～1.0％。
[0015]作为进一步优选的，所述光引发剂为自由基光引发剂和阳离子引发剂的一种或两种，其添加量为光敏树脂质量的0.1％～3.0％；所述热固性树脂固化剂添加量为热固性树脂质量的30％～70％。
[0016]作为进一步优选的，所述陶瓷粉体为氧化铝、氧化锆、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氮化硼、氮化钛、碳化硅、碳化硼和碳化钛中的一种或多种，粉体粒径为10～80μm；所述粉床预热温度为40～80℃。
[0017]按照本专利技术的第二方面，提供了一种用于实现上述高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法的装备，包括三维喷印增材制造组件、紫外光辅助固化组件、红外加热组件和控制系统，其中：
[0018]所述三维喷印增材制造组件包括壳体和成形平台，所述壳体内壁设置有保温层，且壳体内设有隔离单元以将成形腔分割为上半部分和下半部分；所述成形平台设置在下半部分，用于铺粉、预热以及喷墨；所述紫外光辅助固化组件和红外加热组件设置在下半部分；
[0019]所述紫外光辅助固化组件包括紫外光激光器和紫外光振镜/反射镜，所述紫外光激光器发出紫外光，紫外光经由紫外光振镜/反射镜照射成形区域；
[0020]所述红外加热组件包括红外光激光器和红外光反射镜，所述红外光激光器发出红外光，红外光经由红外光反射镜辐照成形区域；
[0021]所述控制系统用于处理待成形素坯三维模型，控制紫外光辅助固化组件同步照射成形区域，并驱动装备各部分运行。
[0022]作为进一步优选的，所述紫外光激光器波长为355～420nm；所述红外光激光器为CO2激光器或YAG激光器中的一种或两种。
[0023]按照本专利技术的第三方面，提供了一种高强度大型复杂陶瓷素坯，其采用上述高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法得到。
[0024]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0025]1.本专利技术针对基于粉床的三维喷印增材制造工艺，将光敏树脂加入墨水中，并采用紫外光实时同步辐照单层成形区域，使墨水中的光敏树脂快速交联固化，控制墨水渗入粉床的深度，可有效提高成形层厚(成形精度)，再采用红外光提供充足热源加速墨水固化反应，提高成形效率与强度；从而通过紫外、红外光的共同作用提高3DP成形陶瓷素坯的精度与强度。本专利技术可成形高强度大型复杂陶瓷素坯，避免大尺寸素坯在后处理不同工位搬运时由于自身重力与应力不均带来的翘曲、变形等缺陷。
[0026]2.由于墨水渗入厚度较大时，红外光辐照的透过能力会在厚度方向存在衰减，会
使固化效果不均匀；本专利技术先采用紫外光后，可有效控制墨水渗入厚度，不仅提高红外固化的精度，还会使粉体接收红外光辐照更加完全，使红外固化效果更加均匀，减少沿厚度方向的衰减问题。从而保证3DP成形陶瓷素坯的精度与强度，可有效防止单一红外光固化带来的厚度方向固化效果不均匀的问题。
[0027]3.本专利技术中红外加热组件直接面曝光成形台面，用于提供热源加速墨水与粉体中固化剂的化学反应，可增加单位体积墨水中的聚合键数量，大幅提高素坯强度与成形效率。
[0028]4.本专利技术提在粉体中添加红外光吸收剂，提高粉体对红外激光的吸收效率，提升热能吸收能力与吸收效率，加速墨水固化反应效率与素坯强度。进一步，配合红外光参数，控制红外光吸收剂添加量，既可保证在红外光作用下吸收的温度足够红外固化反应，又可防止红外光引发剂残留，从而导致粉床温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采用热固性树脂、光敏树脂和光引发剂为原料制备墨水；将热固性树脂固化剂、红外光吸收剂与陶瓷粉体混合后进行铺粉并预热；S2、根据素坯三维模型切片信息进行单层喷墨，并采用紫外光实时同步照射单层成形区域，使光敏树脂交联固化；S3、采用红外光加热单层成形区域，加速墨水固化反应，完成一个切片层的成形；S4、重复步骤S1～S3，直至完成陶瓷素坯成形。2.如权利要求1所述的高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，其特征在于，所述紫外光采用点光源同步匹配扫描或面光源辐照成形区域，所述红外光采用面曝光方式辐照成形区域。3.如权利要求2所述的高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，其特征在于，所述红外光的功率密度为0.02～0.10W
·
s/mm2，其面曝光辐照时间为0.5～5.0s。4.如权利要求3所述的高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，其特征在于，所述红外光吸收剂为碳黑、三方胺染料和偶氮染料中的一种或多种，其添加量为陶瓷粉体质量的1.0％～5.0％。5.如权利要求1所述的高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，其特征在于，所述热固性树脂为呋喃树脂和酚醛树脂中的一种或两种，其添加量为陶瓷粉体质量的0.5％～2.0％；所述光敏树脂为单官能团的丙烯酸酯树脂和环氧树脂中的一种或两种，其添加量为陶瓷粉体质量的0.1％～1.0％。6.如权利要求1所述的高强度大型复杂陶瓷素坯三维喷印成形方法，其特征在于，所述光引发剂为自由基光引发剂和阳离子引发剂的一种或两种，其添加量为光敏树脂质量的0.1％～3.0％；所述热固性树脂固化剂添加量为热固性树脂质量的30％～70％。7.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，陈安南，李昭青，王长顺，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：