本發(fā)明涉及3D打印方法和工藝，尤其涉及一種多噴頭協(xié)同控制陶瓷粉末3D(3DP)成型方法。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)從20世紀(jì)80年代出現(xiàn)開始，經(jīng)過近30年的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用也越來越廣泛，越來越多的被用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)，生物醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域。3D打印工藝主要有LOM，3DP，SLA，F(xiàn)DM，SLS，SLM，EBM等；材料方面，應(yīng)用較多的主要是高分子材料和金屬材料。高分子材料的主要有絲材、粉體和液態(tài)的光敏材料等，而在工業(yè)上應(yīng)用更廣的是粉體材料，特別是基于熱成型的高能束3D打印，比如SLS采用激光束來燒結(jié)蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等粉末。相比絲材，粉體材料具有打印效率更高，工藝更成熟，應(yīng)用更廣泛的特點(diǎn)。近年來，更是出現(xiàn)了對(duì)陶瓷粉末的快速成型研究。使用快速成型的方法對(duì)陶瓷粉末進(jìn)行成型，能成型許多傳統(tǒng)方法無法成型的形狀復(fù)雜、精度要求較高的陶瓷件，在各個(gè)行業(yè)均有著很大的潛力。

目前已有的陶瓷粉末成型方法主要有注射成型、壓制成型、激光燒結(jié)成型與光固化成型等。其中注射成型的可控固化是技術(shù)難點(diǎn)；壓制成型的缺點(diǎn)則在于密度分布的不均勻性和致密性低；激光燒結(jié)成型對(duì)于每一層的燒結(jié)要求較高，需要昂貴的高能束發(fā)生裝置，且工藝復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種多噴頭協(xié)同控制陶瓷粉末3D成型方法。采用3D打印成型與燒結(jié)結(jié)合工藝，得到致密而力學(xué)性能良好的陶瓷件，克服了現(xiàn)有工藝加工的零件強(qiáng)度較低，只能做概念模型，而不能做功能性零件的技術(shù)問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種多噴頭協(xié)同控制陶瓷粉末3D成型方法，包括如下步驟：

步驟一：陶瓷粉末的配制步驟

陶瓷粉末經(jīng)過預(yù)制，篩選出粒徑為20－50μm的陶瓷粉末顆粒，再按照比例混入粘結(jié)劑固體粉末，放入成型腔室中的成型缸內(nèi)；

步驟二：零件坯體3D打印步驟

通過3D打印機(jī)的兩個(gè)噴頭噴射粘結(jié)劑，將成型室內(nèi)配制好的陶瓷粉末逐層粘結(jié)疊加成型，獲得所需陶瓷零件坯體；

步驟三：浸漬、預(yù)燒結(jié)、脫脂和再燒結(jié)步驟

將步驟二獲得的陶瓷零件坯體進(jìn)行先進(jìn)行浸漬處理；

然后再對(duì)浸漬處理的陶瓷零件坯體進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)將溫度從室溫2h升到200℃并保溫1h，接著2h再升溫到400℃，最后由1h升溫到450℃并保溫2h；預(yù)燒結(jié)的過程中同時(shí)也完成脫脂，即去除了陶瓷零件坯體內(nèi)部的粘結(jié)劑；然后再經(jīng)過二次燒結(jié)，二次燒結(jié)由5h升到800℃～1000℃；

由于經(jīng)過二次燒結(jié)處理后的陶瓷零件中仍存在殘留空隙、氣孔，因此再通過高溫?zé)Y(jié)，高溫?zé)Y(jié)經(jīng)3小時(shí)升溫到900℃保溫1h；再經(jīng)過2h升溫到1200℃保溫2h；再經(jīng)過1h升溫到1400℃保溫10h，待冷卻到室溫時(shí)出爐，以逐漸去除陶瓷零件內(nèi)殘留的空隙、氣孔，使得陶瓷零件由疏松變得致密，直至達(dá)到所需致密度與強(qiáng)度的陶瓷零件。

上述步驟一所述混入粘結(jié)劑固體粉末的比例為10％～15％。

上述步驟一所述粘結(jié)劑固體粉末為無機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑或者金屬粘結(jié)劑；步驟二所述粘結(jié)劑成分與粘結(jié)劑固體粉末相同。

上述步驟一所述零件坯體3D打印步驟具體如下：

步驟A：完成一次鋪粉后，控制3D打印機(jī)的兩個(gè)噴頭按照規(guī)定的路徑將粘結(jié)劑噴射在陶瓷粉層表面，使陶瓷粉末發(fā)生固化，以形成一層固化陶瓷粉層；接著，成型缸上升該固化陶瓷粉層四分之一層厚后，鋪粉輥從右向左運(yùn)動(dòng)，以對(duì)固化陶瓷粉層表面進(jìn)行平整、壓實(shí)處理；

步驟B：鋪粉輥7在對(duì)步驟A所述固化陶瓷粉層表面進(jìn)行平整、壓實(shí)處理的過程中，該固化陶瓷粉層表面脫落層的陶瓷粉末及粘結(jié)劑的混合物進(jìn)入廢料收集盒；

步驟C：接著，成型缸下降步驟B所述固化陶瓷粉層的四分之一層厚后，鋪粉輥從左向右運(yùn)動(dòng)，在此過程中，裝有陶瓷粉末的料斗同步進(jìn)行送粉，鋪粉輥一邊做水平鋪粉運(yùn)動(dòng)，一邊繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，將陶瓷粉末平鋪在該固化陶瓷粉層的表面，并壓實(shí)，此過程中，多余的陶瓷粉末則進(jìn)入粉末回收盒；

步驟D：重復(fù)步驟A至步驟C，直至3D打印機(jī)加工結(jié)束，并形成粘結(jié)成型的陶瓷零件毛坯。

上述步驟二所述逐層粘結(jié)疊加成型，具體過程是：

其中一個(gè)噴頭先對(duì)陶瓷零件在該層的外輪廓進(jìn)行噴涂粘結(jié)；

再對(duì)陶瓷零件在該層的內(nèi)輪廓進(jìn)行噴涂粘結(jié)；

最后由另一個(gè)噴頭對(duì)該層的外輪廓與內(nèi)輪廓之間區(qū)域的粉末進(jìn)行粘結(jié)填充。

所述噴頭對(duì)該層的內(nèi)外輪廓進(jìn)行噴涂粘結(jié)時(shí)，是沿著零件截面輪廓方向進(jìn)行順時(shí)針或者逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)；也可以是沿著零件截面輪廓單向連續(xù)前進(jìn)。

上述步驟C所述固化陶瓷粉層厚范圍是8um～55um。

上述步驟一所述陶瓷粉末的成分為Al₂O₃或者SiC，陶瓷粉末粒徑為20μm～50μm。

噴頭上具有多個(gè)直徑不同的噴嘴，大小分布為0.1mm‐1mm，噴嘴直徑的大小決定了噴出粘結(jié)劑量的大小，從而決定了粘結(jié)層厚的大小。

陶瓷粉末越細(xì)，成品密度越高。在陶瓷粉末中混入一定比例的粘結(jié)劑固體粉末，可使其在預(yù)燒結(jié)階段與陶瓷粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而獲得更好的致密組織。

用于粘結(jié)陶瓷粉末的粘結(jié)劑的成分并不是固定的，可根據(jù)陶瓷粉末不同而改變，液體粘結(jié)劑和粘結(jié)劑固體粉末的成分也可以不一致。主要有無機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)劑，前期能實(shí)現(xiàn)粘結(jié)并在預(yù)燒結(jié)階段與陶瓷粉末發(fā)生有利的化學(xué)反應(yīng)，后期可被脫脂去除。

浸滲的目的是在去除零件中所含有的有機(jī)粘接劑前先滲入溶膠以增加陶瓷顆粒間的作用力，防止?jié)⑸ⅰ?/p>

預(yù)燒結(jié)的目的有二，一是進(jìn)一步的使粘結(jié)劑固化或與陶瓷顆粒反應(yīng)生成有利成分，使粘結(jié)劑與陶瓷粉末顆粒之間粘結(jié)的更加牢固，增加零件的強(qiáng)度，二是使得陶瓷顆粒之間的接觸更加緊密，同時(shí)可以減小后面燒結(jié)處理時(shí)的擴(kuò)散阻力。

預(yù)燒結(jié)的同時(shí)也完成零件的脫脂。而脫脂的過程是除去殘余的粘結(jié)劑。脫脂過程的選擇應(yīng)依據(jù)粘結(jié)劑的種類，陶瓷粉末以及零件結(jié)構(gòu)而定。

高溫?zé)Y(jié)處理的目的是消除零件內(nèi)部殘留的氣孔，使零件由疏松變得致密，陶瓷顆粒間結(jié)合強(qiáng)度增加，零件機(jī)械強(qiáng)度提高。在燒結(jié)過程中涉及到陶瓷顆粒的粘滯流動(dòng)、表面擴(kuò)散、晶界或晶格擴(kuò)散，以及塑性變形。

在燒結(jié)處理的幾個(gè)過程中，可采用逐漸增高溫度的方式進(jìn)行，當(dāng)然燒結(jié)溫度可根據(jù)不同陶瓷材料的燒結(jié)溫度曲線進(jìn)行設(shè)置。燒結(jié)處理會(huì)使得陶瓷零件體積收縮，尺寸減小，這種缺陷可以通過在粘結(jié)成型前，對(duì)零件進(jìn)行尺寸補(bǔ)償來改善。

本發(fā)明將粘結(jié)成型及燒結(jié)工藝相結(jié)合，去除了零件內(nèi)部大量的氣孔，使零件由疏松變得致密，得到所需致密度及高強(qiáng)度的零件。克服了現(xiàn)有工藝加工的零件強(qiáng)度較低，只能做概念模型，而不能做功能性陶瓷零件的技術(shù)缺陷。

由于粘結(jié)成型后的陶瓷粉末之間為點(diǎn)接觸，在多次逐漸升溫?zé)Y(jié)處理過程中，高溫的作用使得陶瓷粉末的顆粒間接觸面積的擴(kuò)大，顆粒聚集，體積收縮。隨著顆粒中心距離的逼近，逐漸形成晶界，在這一過程中氣孔逐漸被壓縮，體積變小，從連通的氣孔逐漸變成孤立的氣孔，以至排除，最終成為致密體。

附圖說明

圖1為本發(fā)明多噴頭協(xié)同控制陶瓷粉末3D成型工藝流程圖。

圖2為現(xiàn)有金屬粉末3D成型設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖中：廢料收集盒1，粉末顆粒2(陶瓷)，基板3，噴頭4、5，陶瓷零件坯體6，鋪粉輥7，料斗8，粉末回收盒9。

圖3為固化粉層工藝示意圖。

圖4為粘結(jié)成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖A。

圖5為粘結(jié)成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖B。

圖6為粘結(jié)成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖C。

圖7為粘結(jié)成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖D。

圖8為粘結(jié)成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖E。

圖9為陶瓷粉末顆粒與顆粒之間燒結(jié)的致密度變化過程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1至9及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

如圖1所示，該工藝流程前期為粘結(jié)成型，通過采用噴射粘結(jié)劑的方法將成型室內(nèi)的陶瓷粉末粘結(jié)成型，獲得具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的陶瓷零件坯體。然后為了保證零件坯體具有一定的強(qiáng)度并保持結(jié)構(gòu)完整性，在脫脂處理前，清除零件毛坯表面殘留的粉末顆粒后再進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。

如圖2所示，陶瓷粉末經(jīng)過預(yù)制，篩選出粒徑為20～50μm的粉末顆粒，混入一定比例(10％～15％)的粘結(jié)劑固體粉末，放入成型腔室中的成型缸內(nèi)?？刂苾蓚€(gè)噴頭4、5按照規(guī)定的路徑將粘結(jié)劑噴射在粉層表面，使陶瓷混合粉末發(fā)生固化，粘結(jié)層厚為T2(即固化陶瓷粉層)，成型缸微微上升，然后鋪粉輥7從右向左運(yùn)動(dòng)，在此過程中，鋪粉輥7對(duì)固化陶瓷粉層表面進(jìn)行平整、壓平處理，去除厚度(即脫落層)T3的部分，所得到的實(shí)際層厚為T2，見圖3。去除掉的部分進(jìn)入廢料收集盒1，然后成型缸下降一個(gè)實(shí)際層厚，鋪粉輥7從左向右運(yùn)動(dòng)，在此過程中，料斗8進(jìn)行送粉，鋪粉輥7一邊做水平運(yùn)動(dòng)，一邊繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，將陶瓷粉末鋪平并壓實(shí)。多余的陶瓷粉末進(jìn)入粉末回收盒9。上述過程不斷重復(fù)，直到加工結(jié)束形成粘結(jié)成型的陶瓷零件坯體6。

圖4所顯示的是陶瓷零件坯體6所在層的設(shè)計(jì)圖截面形狀，截面有內(nèi)外輪廓包圍中間實(shí)體部分構(gòu)成。由于截面可能為不規(guī)則的形狀，采用噴頭噴射粘結(jié)劑粘結(jié)成型，帶動(dòng)噴頭進(jìn)行X、Y方向運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)必須反復(fù)啟停，這樣可能對(duì)電機(jī)造成損害，噴頭不斷的加減速，對(duì)噴射工藝的控制也帶來了不便。所以噴頭采用單一方向運(yùn)動(dòng)控制。

如圖5所示，理論上來說，由于噴射出來的粘結(jié)劑液滴在表面張力的作用下，與陶瓷粉末的作用在兩端會(huì)形成圓弧形的粘結(jié)道，使得粘結(jié)零件表面凹凸起伏。同時(shí)由于粘結(jié)劑液滴自身形狀的約束，使得實(shí)際成型外輪廓比設(shè)計(jì)輪廓大，實(shí)際成型內(nèi)輪廓比設(shè)計(jì)輪廓小，并且實(shí)際成型輪廓存在比較明顯的形狀誤差。隨著加工層數(shù)的增加，這種輪廓誤差和形狀誤差逐漸增大，使得粘結(jié)成型的零件表面質(zhì)量變差，粗糙度很大。

為了改善這種不良的情況，設(shè)計(jì)出一種新的路徑規(guī)劃方法:如圖6所示，將設(shè)計(jì)圖截面的內(nèi)外輪廓進(jìn)行內(nèi)外偏移，偏移所形成的圓環(huán)部分采用噴頭按照沿著圓環(huán)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)噴射粘結(jié)劑，這樣輪廓的內(nèi)外表面可以實(shí)現(xiàn)光滑無凹凸起伏，如圖7。

為了使層間粘結(jié)更好的結(jié)合，通過設(shè)置噴頭4沿X、Y軸方向交替移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在層間粘結(jié)道正交，如圖8所示，噴頭4的運(yùn)動(dòng)軌跡為：第N層沿著Y方向進(jìn)行噴射，X軸方向的絲桿在水平方向上進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，第N+1層沿著X方向進(jìn)行噴射，Y軸方向的絲桿在豎直方向上進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這樣實(shí)現(xiàn)層間粘結(jié)區(qū)域正交，大大增強(qiáng)了零件粘結(jié)成型的強(qiáng)度。

由于粘結(jié)成型后的陶瓷粉末之間為點(diǎn)接觸，在燒結(jié)處理過程中，高溫的作用使得顆粒間接觸面積的擴(kuò)大，顆粒聚集，體積收縮。隨著顆粒中心距離的逼近，逐漸形成晶界，在這一過程中氣孔逐漸被壓縮，體積變小，從連通的氣孔逐漸變成孤立的氣孔，以至排除，最終成為致密體。

圖9展示了燒結(jié)過程中陶瓷粉末顆粒聚集，體積縮小，排除氣孔，最后形成無孔多晶體的過程。圖中a過程表示的是晶粒重排，b1表示疏松堆積的顆粒系統(tǒng)中顆粒中心靠近。b2表示緊密堆積的系統(tǒng)中，顆粒中心的靠近。緊密堆積的粉末容易形成更加致密的零件。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。