一种多喷头协同控制陶瓷粉末3D成型方法与流程

本发明涉及3D打印方法和工艺，尤其涉及一种多喷头协同控制陶瓷粉末3D(3DP)成型方法。

背景技术：

3D打印技术从20世纪80年代出现开始，经过近30年的发展，技术越来越成熟，应用也越来越广泛，越来越多的被用于模具制造、工业设计，生物医疗和航空航天等领域。3D打印工艺主要有LOM，3DP，SLA，FDM，SLS，SLM，EBM等；材料方面，应用较多的主要是高分子材料和金属材料。高分子材料的主要有丝材、粉体和液态的光敏材料等，而在工业上应用更广的是粉体材料，特别是基于热成型的高能束3D打印，比如SLS采用激光束来烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等粉末。相比丝材，粉体材料具有打印效率更高，工艺更成熟，应用更广泛的特点。近年来，更是出现了对陶瓷粉末的快速成型研究。使用快速成型的方法对陶瓷粉末进行成型，能成型许多传统方法无法成型的形状复杂、精度要求较高的陶瓷件，在各个行业均有着很大的潜力。

目前已有的陶瓷粉末成型方法主要有注射成型、压制成型、激光烧结成型与光固化成型等。其中注射成型的可控固化是技术难点；压制成型的缺点则在于密度分布的不均匀性和致密性低；激光烧结成型对于每一层的烧结要求较高，需要昂贵的高能束发生装置，且工艺复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种多喷头协同控制陶瓷粉末3D成型方法。采用3D打印成型与烧结结合工艺，得到致密而力学性能良好的陶瓷件，克服了现有工艺加工的零件强度较低，只能做概念模型，而不能做功能性零件的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多喷头协同控制陶瓷粉末3D成型方法，包括如下步骤：

步骤一：陶瓷粉末的配制步骤

陶瓷粉末经过预制，筛选出粒径为20－50μm的陶瓷粉末颗粒，再按照比例混入粘结剂固体粉末，放入成型腔室中的成型缸内；

步骤二：零件坯体3D打印步骤

通过3D打印机的两个喷头喷射粘结剂，将成型室内配制好的陶瓷粉末逐层粘结叠加成型，获得所需陶瓷零件坯体；

步骤三：浸渍、预烧结、脱脂和再烧结步骤

将步骤二获得的陶瓷零件坯体进行先进行浸渍处理；

然后再对浸渍处理的陶瓷零件坯体进行预烧结，预烧结将温度从室温2h升到200℃并保温1h，接着2h再升温到400℃，最后由1h升温到450℃并保温2h；预烧结的过程中同时也完成脱脂，即去除了陶瓷零件坯体内部的粘结剂；然后再经过二次烧结，二次烧结由5h升到800℃～1000℃；

由于经过二次烧结处理后的陶瓷零件中仍存在残留空隙、气孔，因此再通过高温烧结，高温烧结经3小时升温到900℃保温1h；再经过2h升温到1200℃保温2h；再经过1h升温到1400℃保温10h，待冷却到室温时出炉，以逐渐去除陶瓷零件内残留的空隙、气孔，使得陶瓷零件由疏松变得致密，直至达到所需致密度与强度的陶瓷零件。

上述步骤一所述混入粘结剂固体粉末的比例为10％～15％。

上述步骤一所述粘结剂固体粉末为无机粘结剂、有机粘结剂或者金属粘结剂；步骤二所述粘结剂成分与粘结剂固体粉末相同。

上述步骤一所述零件坯体3D打印步骤具体如下：

步骤A：完成一次铺粉后，控制3D打印机的两个喷头按照规定的路径将粘结剂喷射在陶瓷粉层表面，使陶瓷粉末发生固化，以形成一层固化陶瓷粉层；接着，成型缸上升该固化陶瓷粉层四分之一层厚后，铺粉辊从右向左运动，以对固化陶瓷粉层表面进行平整、压实处理；

步骤B：铺粉辊7在对步骤A所述固化陶瓷粉层表面进行平整、压实处理的过程中，该固化陶瓷粉层表面脱落层的陶瓷粉末及粘结剂的混合物进入废料收集盒；

步骤C：接着，成型缸下降步骤B所述固化陶瓷粉层的四分之一层厚后，铺粉辊从左向右运动，在此过程中，装有陶瓷粉末的料斗同步进行送粉，铺粉辊一边做水平铺粉运动，一边绕自身轴线转动，将陶瓷粉末平铺在该固化陶瓷粉层的表面，并压实，此过程中，多余的陶瓷粉末则进入粉末回收盒；

步骤D：重复步骤A至步骤C，直至3D打印机加工结束，并形成粘结成型的陶瓷零件毛坯。

上述步骤二所述逐层粘结叠加成型，具体过程是：

其中一个喷头先对陶瓷零件在该层的外轮廓进行喷涂粘结；

再对陶瓷零件在该层的内轮廓进行喷涂粘结；

最后由另一个喷头对该层的外轮廓与内轮廓之间区域的粉末进行粘结填充。

所述喷头对该层的内外轮廓进行喷涂粘结时，是沿着零件截面轮廓方向进行顺时针或者逆时针方向运动；也可以是沿着零件截面轮廓单向连续前进。

上述步骤C所述固化陶瓷粉层厚范围是8um～55um。

上述步骤一所述陶瓷粉末的成分为Al₂O₃或者SiC，陶瓷粉末粒径为20μm～50μm。

喷头上具有多个直径不同的喷嘴，大小分布为0.1mm‐1mm，喷嘴直径的大小决定了喷出粘结剂量的大小，从而决定了粘结层厚的大小。

陶瓷粉末越细，成品密度越高。在陶瓷粉末中混入一定比例的粘结剂固体粉末，可使其在预烧结阶段与陶瓷粉末发生化学反应从而获得更好的致密组织。

用于粘结陶瓷粉末的粘结剂的成分并不是固定的，可根据陶瓷粉末不同而改变，液体粘结剂和粘结剂固体粉末的成分也可以不一致。主要有无机粘结剂、有机粘结剂和金属粘结剂，前期能实现粘结并在预烧结阶段与陶瓷粉末发生有利的化学反应，后期可被脱脂去除。

浸渗的目的是在去除零件中所含有的有机粘接剂前先渗入溶胶以增加陶瓷颗粒间的作用力，防止溃散。

预烧结的目的有二，一是进一步的使粘结剂固化或与陶瓷颗粒反应生成有利成分，使粘结剂与陶瓷粉末颗粒之间粘结的更加牢固，增加零件的强度，二是使得陶瓷颗粒之间的接触更加紧密，同时可以减小后面烧结处理时的扩散阻力。

预烧结的同时也完成零件的脱脂。而脱脂的过程是除去残余的粘结剂。脱脂过程的选择应依据粘结剂的种类，陶瓷粉末以及零件结构而定。

高温烧结处理的目的是消除零件内部残留的气孔，使零件由疏松变得致密，陶瓷颗粒间结合强度增加，零件机械强度提高。在烧结过程中涉及到陶瓷颗粒的粘滞流动、表面扩散、晶界或晶格扩散，以及塑性变形。

在烧结处理的几个过程中，可采用逐渐增高温度的方式进行，当然烧结温度可根据不同陶瓷材料的烧结温度曲线进行设置。烧结处理会使得陶瓷零件体积收缩，尺寸减小，这种缺陷可以通过在粘结成型前，对零件进行尺寸补偿来改善。

本发明将粘结成型及烧结工艺相结合，去除了零件内部大量的气孔，使零件由疏松变得致密，得到所需致密度及高强度的零件。克服了现有工艺加工的零件强度较低，只能做概念模型，而不能做功能性陶瓷零件的技术缺陷。

由于粘结成型后的陶瓷粉末之间为点接触，在多次逐渐升温烧结处理过程中，高温的作用使得陶瓷粉末的颗粒间接触面积的扩大，颗粒聚集，体积收缩。随着颗粒中心距离的逼近，逐渐形成晶界，在这一过程中气孔逐渐被压缩，体积变小，从连通的气孔逐渐变成孤立的气孔，以至排除，最终成为致密体。

附图说明

图1为本发明多喷头协同控制陶瓷粉末3D成型工艺流程图。

图2为现有金属粉末3D成型设备结构示意图；图中：废料收集盒1，粉末颗粒2(陶瓷)，基板3，喷头4、5，陶瓷零件坯体6，铺粉辊7，料斗8，粉末回收盒9。

图3为固化粉层工艺示意图。

图4为粘结成型过程中陶瓷零件成型截面分割示意图A。

图5为粘结成型过程中陶瓷零件成型截面分割示意图B。

图6为粘结成型过程中陶瓷零件成型截面分割示意图C。

图7为粘结成型过程中陶瓷零件成型截面分割示意图D。

图8为粘结成型过程中陶瓷零件成型截面分割示意图E。

图9为陶瓷粉末颗粒与颗粒之间烧结的致密度变化过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至9及具体实施例，对本发明作进一步具体详细描述。

如图1所示，该工艺流程前期为粘结成型，通过采用喷射粘结剂的方法将成型室内的陶瓷粉末粘结成型，获得具有复杂形状结构的陶瓷零件坯体。然后为了保证零件坯体具有一定的强度并保持结构完整性，在脱脂处理前，清除零件毛坯表面残留的粉末颗粒后再进行预烧结。

如图2所示，陶瓷粉末经过预制，筛选出粒径为20～50μm的粉末颗粒，混入一定比例(10％～15％)的粘结剂固体粉末，放入成型腔室中的成型缸内。控制两个喷头4、5按照规定的路径将粘结剂喷射在粉层表面，使陶瓷混合粉末发生固化，粘结层厚为T2(即固化陶瓷粉层)，成型缸微微上升，然后铺粉辊7从右向左运动，在此过程中，铺粉辊7对固化陶瓷粉层表面进行平整、压平处理，去除厚度(即脱落层)T3的部分，所得到的实际层厚为T2，见图3。去除掉的部分进入废料收集盒1，然后成型缸下降一个实际层厚，铺粉辊7从左向右运动，在此过程中，料斗8进行送粉，铺粉辊7一边做水平运动，一边绕自身轴线转动，将陶瓷粉末铺平并压实。多余的陶瓷粉末进入粉末回收盒9。上述过程不断重复，直到加工结束形成粘结成型的陶瓷零件坯体6。

图4所显示的是陶瓷零件坯体6所在层的设计图截面形状，截面有内外轮廓包围中间实体部分构成。由于截面可能为不规则的形状，采用喷头喷射粘结剂粘结成型，带动喷头进行X、Y方向运动的步进电机必须反复启停，这样可能对电机造成损害，喷头不断的加减速，对喷射工艺的控制也带来了不便。所以喷头采用单一方向运动控制。

如图5所示，理论上来说，由于喷射出来的粘结剂液滴在表面张力的作用下，与陶瓷粉末的作用在两端会形成圆弧形的粘结道，使得粘结零件表面凹凸起伏。同时由于粘结剂液滴自身形状的约束，使得实际成型外轮廓比设计轮廓大，实际成型内轮廓比设计轮廓小，并且实际成型轮廓存在比较明显的形状误差。随着加工层数的增加，这种轮廓误差和形状误差逐渐增大，使得粘结成型的零件表面质量变差，粗糙度很大。

为了改善这种不良的情况，设计出一种新的路径规划方法:如图6所示，将设计图截面的内外轮廓进行内外偏移，偏移所形成的圆环部分采用喷头按照沿着圆环方向进行运动喷射粘结剂，这样轮廓的内外表面可以实现光滑无凹凸起伏，如图7。

为了使层间粘结更好的结合，通过设置喷头4沿X、Y轴方向交替移动，实现在层间粘结道正交，如图8所示，喷头4的运动轨迹为：第N层沿着Y方向进行喷射，X轴方向的丝杆在水平方向上进行进给运动，第N+1层沿着X方向进行喷射，Y轴方向的丝杆在竖直方向上进行进给运动。这样实现层间粘结区域正交，大大增强了零件粘结成型的强度。

由于粘结成型后的陶瓷粉末之间为点接触，在烧结处理过程中，高温的作用使得颗粒间接触面积的扩大，颗粒聚集，体积收缩。随着颗粒中心距离的逼近，逐渐形成晶界，在这一过程中气孔逐渐被压缩，体积变小，从连通的气孔逐渐变成孤立的气孔，以至排除，最终成为致密体。

图9展示了烧结过程中陶瓷粉末颗粒聚集，体积缩小，排除气孔，最后形成无孔多晶体的过程。图中a过程表示的是晶粒重排，b1表示疏松堆积的颗粒系统中颗粒中心靠近。b2表示紧密堆积的系统中，颗粒中心的靠近。紧密堆积的粉末容易形成更加致密的零件。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。