一种二氧化锆粉料的3d打印方法、设备及粘结剂喷射装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种二氧化锆粉料的3D打印方法，包含以下步骤：(1)将要打印的产品的三维模型进行切片分层，形成多层的轮廓信息；(2)铺设一层二氧化锆粉料，用喷头按照设定的程序移动喷射含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，将二氧化锆粉料粘结，从而形成一层部件的轮廓；(3)在已成形的轮廓基础上再铺设一层新的二氧化锆粉末，之后再进行粘结剂的喷射，以此方式逐层叠加，形成三维的坯体；(4)对坯体进行脱脂烧结及表面处理获得最终产品。在此还公开了用于该3D打印方法的粘结剂喷射装置以及具有该粘结剂喷射装置的3D打印设备。本发明有利于得到致密度高的3D打印产品并降低成本。
【专利说明】
一种二氧化锆粉料的3D打印方法、设备及粘结剂喷射装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种二氧化锆粉料的3D打印方法、设备及粘结剂喷射装置。
【背景技术】
[0002]二氧化锆是一种重要的陶瓷材料，具有高电阻率、高熔点、高折射率和低热膨胀系数等性质，已经被作为耐高温材料、陶瓷绝缘材料等得到广泛应用。二氧化锆这类陶瓷材料也可以通过3D打印技术来成型，可用于制作具有结构复杂、小批量需求的产品。目前能够进行陶瓷材料3D打印的技术主要是陶瓷粉末的喷射粘结技术。其主要是利用喷头喷射粘结剂，将陶瓷粉末层层粘结、叠加形成三维的粘结坯体，然后再进行脱脂烧结及表面处理以获得最终陶瓷制件。然而这种工艺也存在着一些问题，主要是松散的粉末是靠粘结剂来粘结在一起，粘结坯体本身的致密度较低，结构松散，强度也较低。这就会导致坯体烧结过程中收缩率大，精度和致密度不高。因此提高粘结坯体的致密度对于获得精度、致密度、强度较尚的广品至关重要。
【发明内容】
[0003]本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种二氧化锆粉料的3D打印方法、用于该3D打印方法的粘结剂喷射装置以及具有该粘结剂喷射装置的3D打印设备。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0005]—种二氧化锆粉料的3D打印方法，包含以下步骤:
[0006](I)将要打印的产品的三维模型进行切片分层，形成多层的轮廓信息；
[0007](2)铺设一层二氧化锆粉料，用喷头按照设定的程序移动喷射含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，将二氧化锆粉料粘结，从而形成一层部件的轮廓；
[0008](3)在已成形的轮廓基础上再铺设一层新的二氧化锆粉末，之后再进行粘结剂的喷射，以此方式逐层叠加，形成三维的坯体；
[0009](4)对坯体进行脱脂烧结及表面处理获得最终产品。
[0010]进一步地:
[0011 ]所述氢氧化锆纳米颗粒由锆盐水溶液与氨水反应获得并添加到粘结剂液体中分散均匀，以得到所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体;优选地，所述粘结剂液体为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液;优选地，所述锆盐为氧氯化锆。
[0012]在打印的同时，通过连接所述喷头的相应输液通道分别添加锆盐水溶液、氨水、粘结剂液体，优选还通过相应输液通道进一步添加助剂，使几种液体最终汇聚于一处，生成所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，并通过所述喷头喷射。
[0013]还通过搅拌装置对汇聚在一起的液体施加搅拌。通过搅拌装置对锆盐水溶液、氨水施加搅拌，可加速其发生反应生成氢氧化锆纳米颗粒。汇聚的几种液体在搅拌装置的搅拌下，生成所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体。所述氢氧化锆纳米颗粒的粒径在10-500纳米，优选50-320纳米，所述氢氧化锆纳米颗粒在粘结剂液体中所占的重量百分比不低于 10% ο
[0014]—种用于所述的3D打印方法的粘结剂喷射装置，所述喷射装置包括喷射装置主体和喷头，所述喷射装置主体上设置有锆盐水溶液输液通道、氨水输液通道、主流道以及粘结剂溶液输液通道，所述锆盐水溶液输液通道与所述氨水输液通道交汇于所述主流道的上端，所述粘结剂溶液输液通道交汇于所述主流道的中段，所述主流道的下端连接所述喷头。
[0015]所述喷射装置主体上还设置有稀释液输液通道，所述稀释液输液通道在所述主流道上的交汇口设置于所述主流道的上端与所述粘结剂溶液输液通道在所述主流道上的交汇口之间。
[0016]所述主流道中设置有搅拌装置。
[0017]各输液通道上设置有流量控制阀，或者各输液通道上安装有输液管，所述输液管上设置有流量控制阀。
[0018]一种3D打印设备，包括所述的粘结剂喷射装置。
[0019]本发明的有益效果:
[0020]本发明的3D打印方法中，先铺设一层二氧化锆粉料，然后用喷头喷射含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，将二氧化锆粉料粘结，从而形成一层部件的轮廓;在已成形的轮廓基础上再铺设一层新的二氧化锆粉末，之后再进行粘结剂的喷射，以此方式逐层叠加，形成三维的坯体。通过含有氢氧化锆纳米颗粒(其可通过液体化学反应方式制备)的粘结剂液体为载体，使氢氧化锆纳米颗粒作为成型粉料的填充物，相对于其他方法如气雾化、真空雾化等制备的纳米颗粒，具有显著的低成本优势，适合于规模化生产。在进行喷射粘结时，氢氧化锆纳米颗粒能够分散到成型粉料的间隙中起到填充间隙的作用，有利于得到致密度高的坯体。并且，在坯体后续的烧结过程中，处于成型粉料间隙中的氢氧化锆纳米颗粒可以分解为二氧化锆，与成型粉料同相，经过烧结与成型粉料成为一体，填充间隙，有利于得到获得高致密度的部件。
[0021]采用本发明的粘结剂喷射装置，可实现在打印的过程中同步进行粘结剂的配置、输送、喷射，能够避免常规含有纳米颗粒的液体的颗粒沉降等不稳定现象，实现对粘结剂液体配方的实时控制、改动，从而有利于对3D打印过程的灵活控制。此外还能够提高3D打印的自动化程度、提高生产效率。具体来说:1、含有纳米颗粒的液体通常不太稳定，放置后会出现颗粒沉降的现象，进行3D打印时会影响其使用性能。本发明的装置可以实现在进行3D打印的同时，同步进行纳米分散液粘结剂的实时配置、输送、喷射，从而避免了上述问题。2、该喷射装置能够实现对粘结剂液体配方的实时控制、改动，从而有利于对3D打印过程的灵活控制。3、能够提高3D打印的自动化程度，且结构简单、操作方便。
【附图说明】
[0022]图1为本发明一种实施例的粘结剂喷射装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0024]在一种实施例中，一种二氧化锆粉料的3D打印方法，包含以下步骤:
[0025](I)将要打印的产品的三维模型进行切片分层，形成多层的轮廓信息；
[0026](2)铺设一层二氧化锆粉料，用喷头按照设定的程序移动喷射含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，将二氧化锆粉料粘结，从而形成一层部件的轮廓；
[0027](3)在已成形的轮廓基础上再铺设一层新的二氧化锆粉末，之后再进行粘结剂的喷射，以此方式逐层叠加，形成三维的坯体；
[0028](4)对坯体进行脱脂烧结及表面处理获得最终产品。
[0029]在优选的实施例中，所述氢氧化锆纳米颗粒由锆盐水溶液与氨水反应获得并添加到粘结剂液体中分散均匀，以得到所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体。
[0030]优选地，所述粘结剂液体为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液。
[0031]优选地，所述锆盐为氧氯化锆。
[0032]在优选的实施例中，在打印的同时，通过连接所述喷头的不同输液通道添加锆盐水溶液、氨水、粘结剂液体，优选还通过输液通道添加助剂，使几种液体最终汇聚于一处，生成所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，并通过所述喷头喷射。在更优选的实施例中，还通过搅拌装置对汇聚在一起的液体施加搅拌。通过搅拌装置对锆盐水溶液、氨水施加搅拌，可加速其发生反应生成氢氧化锆纳米颗粒。汇聚的几种液体在搅拌装置的搅拌下高效生成所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，并通过所述喷头喷射。在优选的实施例中，所述氢氧化错纳米颗粒的粒径在10-500纳米，优选50-320纳米，所述氢氧化错纳米颗粒在粘结剂液体中所占的重量百分比不低于10%。
[0033]在优选的实施例中，喷射成型参数按照以下配置:层厚设定为0.1毫米，粘结剂喷射量(定义为粉末间隙中，溶液所占体积与孔隙体积之比)为80%，喷射扫描速度为0.6m/s，扫描间距为0.4mm。
[0034]如图1所示，在另一种实施例中，一种用于所述的3D打印方法的粘结剂喷射装置，所述喷射装置包括喷射装置主体I和喷头2，所述喷射装置主体上设置有主流道3、锆盐水溶液输液通道4、氨水输液通道5以及粘结剂溶液输液通道6，所述错盐水溶液输液通道4与所述氨水输液通道5交汇于所述主流道3的上端，所述粘结剂溶液输液通道6交汇于所述主流道3的中段，所述主流道3的下端连接所述喷头2。
[0035]所述喷射装置主体I上还设置有稀释液输液通道7，所述稀释液输液通道7在所述主流道3上的交汇口设置于所述主流道3的上端与所述粘结剂溶液输液通道6在所述主流道3上的交汇口之间。
[0036]所述主流道3中设置有搅拌装置8。
[0037]各输液通道上设置有流量控制阀9，或者各输液通道上安装有输液管10，所述输液管10上设置有流量控制阀9。
[0038]在另一种实施例中，一种3D打印设备，其可包括前述任一实施例的粘结剂喷射装置。
[0039]根据本发明的具体实施例，一种二氧化锆粉料的3D打印方法，包含以下步骤:
[0040]1.将要打印的部件的三维模型进行切片分层，形成多层的轮廓信息。
[0041 ] 2.铺设一层二氧化锆粉料，用喷头按照设定的程序移动喷射含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，将二氧化锆粉料粘结住，从而形成一层部件的轮廓。氢氧化锆纳米颗粒由锆盐水溶液与氨水反应获得，成本较低。其中氢氧化锆纳米颗粒的粒径在10-500纳米范围内，氢氧化锆纳米颗粒在粘结剂中所占的重量比重不低于10%。
[0042]3.在已成形的轮廓基础上再铺设一层新的二氧化锆粉末，之后再进行粘结剂的喷射，以此方式逐层叠加，形成三维的部件粘结坯体。
[0043]4.对坯体进行脱脂烧结及表面处理获得最终产品。打印完成的粘结坯体烧结温度不低于1300°C，以获得高致密度的烧结产品。
[0044]含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体可通过以下两种方式进行制备和喷射:
[0045](I)由错盐水溶液与氨水反应获得，过滤清洗后添加到粘结剂液体中，分散均匀后再添加到喷头中进行喷射。
[0046]涉及到的反应如下:Zr4++40H>Zr(0H)4丄
[0047](2)对喷射装置进行改造，添加液体输送管道，可以在打印的同时通过搅拌装置对锆盐水溶液与氨水这两种液体施加搅拌，以加速其发生反应生成氢氧化锆纳米颗粒。还通过其它输液通道添加粘结剂液体，优选还添加助剂，使几种液体最终汇聚于一处，在搅拌装置的搅拌下生成所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，并通过所述喷头喷射。
[0048]根据本发明的具体实施例，一种二氧化锆粉料的3D打印粘结剂喷射装置，包含喷射装置主体、搅拌装置、主流道、四个输液通道、带有流量控制阀的四个输液管、以及喷头。四个输液管安装在四个输液通道中。四个输液通道交汇于主流道，主流道与喷头相连接。各种反应液体、粘结剂液体通过各个输液管输送到输液管道中，并交汇于主流道中。液体的输入量可由流量控制阀进行控制。搅拌装置安装于主流道中，能够对其中交汇的几种混合液体进行搅拌。搅拌后的混合液体通过主流道进入喷头之中，可以由计算机控制进行喷射。
[0049]工作方式:氧氯化锆水溶液和氨水分别通过各自的输液管、输液通道输送到主流道中发生交汇，输入量由流量控制阀控制，两种液体在搅拌装置的搅拌下发生反应，生成氢氧化锆纳米颗粒沉淀，伴随液体向下流动。通过稀释液输液管输入纯净水，对上述反应液进行稀释，再通过粘结剂溶液输液管输入高分子粘结剂溶液，与含有氢氧化锆纳米颗粒的液体进行混合搅拌，形成含有氢氧化锆纳米颗粒的高分子粘结剂溶液，最后通过喷头喷射到成型粉料中。纳米颗粒起到填充粉料间隙、提高坯体致密度的作用。
[0050]上述喷射装置可以接入到3D打印机之中，由计算机控制喷射装置的位移和喷射动作，从而实现精准喷射。
[0051 ] 实例
[0052] 二氧化锆试样的3D打印。采用含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂和不含纳米颗粒的常规粘结剂分别做二氧化错试样。试样的尺寸为I Omm X 5mm X 2mm。
[0053 ]微喷射成型采用的粘结剂为:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液，PVP型号K30，质量分数为8%。含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂成分与上述粘结剂相同，氢氧化锆纳米颗粒的质量分数为15%。其中氢氧化锆纳米颗粒采用氧氯化锆与氨水反应，用纯净水洗涤、过滤后加入粘结剂中，颗粒直径在50-320纳米范围内。
[0054]成型粉料为类球形二氧化锆，粒径D50为32微米。
[0055]微喷射成型参数:层厚设定为0.1毫米，粘结剂喷射量(定义为粉末间隙中，溶液所占体积与孔隙体积之比)为80%，喷射扫描速度为0.6m/s，扫描间距为0.4mm。
[0056]粘结坯体的烧结温度为1550°C。
[0057]采用两种粘结剂喷射成型的试样烧结后性质对比:
[0058]采用采用常规粘结剂的试样:烧结致密度为55%，长度方向收缩率为14%。
[0059]采用含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂的试样:烧结致密度为62%，长度方向收缩率为11%。
[0060]从以上结果可以看出，采用本发明，即采用含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂进行微喷射成型，可以获取相对具有更高烧结致密度和较小收缩率的二氧化锆产品。
[0061]以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种二氧化锆粉料的3D打印方法，其特征在于，包含以下步骤: (1)将要打印的产品的三维模型进行切片分层，形成多层的轮廓信息； (2)铺设一层二氧化锆粉料，用喷头按照设定的程序移动喷射含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，将二氧化锆粉料粘结，从而形成一层部件的轮廓； (3)在已成形的轮廓基础上再铺设一层新的二氧化锆粉末，之后再进行粘结剂的喷射，以此方式逐层叠加，形成三维的坯体； (4)对坯体进行脱脂烧结及表面处理获得最终产品。2.如权利要求1所述的二氧化锆粉料的3D打印方法，其特征在于，所述氢氧化锆纳米颗粒由锆盐水溶液与氨水反应获得并添加到粘结剂液体中分散均匀，以得到所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体;优选地，所述粘结剂液体为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液;优选地，所述锆盐为氧氯化锆。3.如权利要求1所述的二氧化锆粉料的3D打印方法，其特征在于，在打印的同时，通过连接所述喷头的输液通道添加锆盐水溶液、氨水、粘结剂液体，优选还通过连接所述喷头的输液通道添加助剂，使几种液体最终汇聚于一处，生成所述含有氢氧化锆纳米颗粒的粘结剂液体，并通过所述喷头喷射。4.如权利要求3所述的二氧化锆粉料的3D打印方法，其特征在于，还通过搅拌装置对汇聚在一起的液体施加搅拌。5.如权利要求1至4任一项所述的二氧化锆粉料的3D打印方法，其特征在于，所述氢氧化错纳米颗粒的粒径在10-500纳米，优选50-320纳米，所述氢氧化错纳米颗粒在粘结剂液体中所占的重量百分比不低于10%。6.—种用于如权利要求1至5任一项所述的3D打印方法的粘结剂喷射装置，其特征在于，所述喷射装置包括喷射装置主体和喷头，所述喷射装置主体上设置有锆盐水溶液输液通道、氨水输液通道、主流道以及粘结剂溶液输液通道，所述锆盐水溶液输液通道与所述氨水输液通道交汇于所述主流道的上端，所述粘结剂溶液输液通道交汇于所述主流道的中段，所述主流道的下端连接所述喷头。7.如权利要求6所述的粘结剂喷射装置，其特征在于，所述喷射装置主体上还设置有稀释液输液通道，所述稀释液输液通道在所述主流道上的交汇口设置于所述主流道的上端与所述粘结剂溶液输液通道在所述主流道上的交汇口之间。8.如权利要求6或7所述的粘结剂喷射装置，其特征在于，所述主流道中设置有搅拌装置。9.如权利要求6或7所述的粘结剂喷射装置，其特征在于，各输液通道上设置有流量控制阀，或者各输液通道上安装有输液管，所述输液管上设置有流量控制阀。10.—种3D打印设备，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的粘结剂喷射装置。
【文档编号】C04B35/48GK105881695SQ201610364083
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】闫国栋, 王长明
【申请人】东莞劲胜精密组件股份有限公司