一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法
【专利摘要】一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，属于熔模精密铸造技术领域。该方法首先用三维造型软件在计算机中生成蜡模的三维实体模型，然后用分层软件将其分成厚度为0.02～2.00mm的一系列薄层，得到每层的形状，通过喷蜡技术逐层累积形成1～5mm高的蜡模腔，在模腔中填充制备好的陶瓷浆料，在浆料填充过程中采用超声装置辅助浆料流平，重复累加之后形成被蜡模包裹的陶瓷坯体，热处理去除蜡模并烧结，最终形成陶瓷制件。该方法将快速成型技术易于制造形状复杂零件的特点与失蜡铸造的高精度特点相结合，加上分段注入陶瓷浆料克服了传统注浆工艺的缺陷，可以解决高精度复杂陶瓷结构件制造难题。实现了高精度复杂陶瓷构件的无模制造。
【专利说明】
一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种陶瓷构件成型的新工艺，尤其是基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型的工艺方法，属于熔模精密铸造技术领域。
【背景技术】
[0002]陶瓷材料具有强度高、耐磨损、耐腐蚀、高硬度等特征，是最重要的工程材料之一，在航空航天、石油化工、国防军工及民用等领域有着广泛应用。传统的制备工艺是利用模具将粉末材料制成坯体，再经过高温烧结得到陶瓷构件，这种成型方法受到模具制作的限制，大大制约了陶瓷构件精细化复杂化的发展和需求。近年发展起来的3D打印技术使材料成型实现了无模化的生产。
[0003]喷蜡3D打印技术是针对失蜡铸造工艺发展起来的一种快速成型工艺，以全蜡为原材料，采用立体喷蜡打印技术，无形状限制，精度高，建造产品表面光滑，适用于精密铸造加工。
[0004]传统的陶瓷材料注浆成型、压注成型对陶瓷浆料的性能要求高，需要施加外部条件，对于模具内部的精细结构易造成填充不满产生空腔等缺陷。
【发明内容】
[0005]为了克服复杂陶瓷零件模具的制约，解决传统注浆成型、压注成型的缺陷，本发明提供一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，该方法结合失蜡铸造的高精度和3D打印可实现零件复杂程度的特点，使其制造出形状复杂、精度高、表面质量好的陶瓷构件，且蜡模包裹坯体一次性成型。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，该方法以石蜡和陶瓷浆料为原料，其特征在于其包括以下步骤:
[0008]I)构造蜡模的三维数据模型，并将数据模型转化为STL格式文件；
[0009]2)用喷蜡快速成型系统自身的分层软件做分层处理，层厚为0.02?2.0Omm;
[0010]3)设定每层蜡模腔高度，即每个“喷蜡-注楽”周期的喷蜡层数，形成I?5mm的蜡模腔；
[0011 ] 4)在陶瓷粉末中添加5 %?25 %的快干粘结剂，配制成陶瓷浆料，将陶瓷浆料注入蜡模腔中；
[0012]5)重复步骤3)?4)，得到由石蜡包裹的陶瓷坯体；
[0013]6)将石蜡包裹的陶瓷坯体进行干燥，放入高温炉中进行脱蜡以及高温烧结处理，得到陶瓷制件。
[0014]上述技术方案中，所述陶瓷粉末为Si02、Al203、Zr02和Y2O3中的一种或几种的混合，其粒度为200目?10000目。
[0015]优选地，步骤4)中将陶瓷浆料注入蜡模腔的过程中，采用超声装置辅助浆料流平。
[0016]本发明的步骤6)中，所述陶瓷坯体的干燥包括常温干燥、冷冻干燥、真空干燥或微波干燥;脱蜡温度为400?800°C，高温烧结温度为1000?1600°C。
[0017]本发明具有以下优点及突出性的技术效果:本发明采用喷蜡3D打印与分段填充陶瓷浆料相结合，既打破了模具对于复杂形状的限制，实现了陶瓷材料的无模精密制造，又可实现一次性形成蜡模包裹的坯体，解决了精细结构易产生空腔缺陷的问题，可制造出形状复杂、精度高、表面质量好的陶瓷构件，简化了生产工艺流程，大大提高了生产效率。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的工艺流程图。
[0019]图2是蜡模的三维实体模型图和剖面图。
[0020]图3是蜡模对应制造的陶瓷零件模型图。
[0021]图4(a)_4(e)为分步成型示意图。
[0022]图中:1-喷蜡喷头;2-蜡模壳;3-注浆压头;4-超声辅助流平装置;5-注入蜡模壳的陶瓷浆料。黑色部分为陶瓷浆料。
[0023]以下结合附图和发明人给出的实例对本发明作进一步的详细描述。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
[0025]如图1中所示，本发明提供的一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，其具体包括如下步骤:
[0026]首先使用Pro/E或Solidworks软件构造蜡模的三维数据模型，数据模型如图2所示(图3为图2所示蜡模形成的陶瓷零件)。随后将图2中所示模型存储为STL格式文件。下一步采用喷蜡快速成型系统自身的分层软件做分层处理，设定每层厚度，也即每段蜡模空腔的高度，层厚一般为0.02?2.0Omm;根据零件表面粗糙度的要求，选择打印单层蜡模空腔所需要的喷蜡层数，将处理数据导入制造程序中。
[0027]随后进入陶瓷零件的实际制备阶段，此阶段第一步在陶瓷粉末中添加5%?25%的快干粘结剂，配制成陶瓷浆料，所述的陶瓷粉末为Si02、Al203、Zr04PY203中的一种或几种的混合，其粒度为200目?10000目。快干粘结剂包括快干硅溶胶、硅酸乙酯、水玻璃;第二步将陶瓷浆料添加至铺料系统中，其中铺料系统由储料箱和喷头组成;第三步在计算机中设置工艺参数，开始进行“喷蜡-注楽”步骤。经过一段时间制备出一定高度的蜡膜空腔如图4(a)所示，喷蜡程序暂时停止，此时辅料系统启动，在形成的蜡模空腔中充填进入陶瓷浆料形成如图4(b)的结构完成。由于蜡膜空腔高度低，充填进入的陶瓷浆料总量小，可以通过超声辅助流平装置4有效地促使陶瓷浆料分布的均匀化，也有利于浆料中气泡的排除，有利于陶瓷零件的最终质量的提高，此时完成了一次“喷蜡-注楽”操作。浆料填充、流平后重新开始“喷蜡-注楽”操作，在原来蜡模的基础上再次制备出一定高度的蜡模空腔如图4(c)所示，在此蜡模空腔中充填进入陶瓷浆料形成如图4(d)所示完成下一次“喷蜡-注浆”操作。如此重复打印蜡模，充填浆料的过程，最终制备出来蜡模包裹的陶瓷零件。随后进入后处理阶段，将蜡模包裹的陶瓷坯体进行干燥、脱蜡、高温烧结步骤，脱蜡温度为400?800°C，高温烧结温度为1000?1600°C。最后对成型制件进行表面清理得到陶瓷构件(图3)。
【主权项】
1.一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，该方法以石蜡和陶瓷浆料为原料，其特征在于其包括以下步骤: 1)构造蜡模的三维数据模型，并将数据模型转化为STL格式文件； 2)用喷蜡快速成型系统自身的分层软件做分层处理，层厚为0.02?2.0Omm; 3)制备每层蜡模腔高度，即每个“喷蜡-注楽”周期的喷蜡层数，每层蜡模腔高度设定为I ?5mm; 4)在陶瓷粉末中添加5%?25 %的快干粘结剂，配制成陶瓷浆料，将陶瓷浆料注入蜡模腔中，完成一次“喷蜡-注楽”操作； 5)在完成一次“喷蜡-注楽”操作的基础上，重复步骤3)?4)，得到由石蜡包裹的陶瓷坯体； 6)将石蜡包裹的陶瓷坯体进行干燥，放入高温炉中进行脱蜡以及高温烧结处理，得到陶瓷制件。2.根据权利要求1所述的一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，其特征在于:步骤4)中将陶瓷浆料注入蜡模腔的过程中，采用超声装置辅助浆料流平。3.根据权利要求1或2所述的根据权利要求1所述的一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，其特征在于:所述步骤4)中所述的陶瓷粉末为Si02、Al203、Zr02和Y2O3中的一种或几种的混合，其粒度为200目?10000目。4.根据权利要求1所述的一种基于喷蜡速凝原理的复杂陶瓷零件成型方法，其特征在于:步骤6)中所述陶瓷坯体的干燥包括常温干燥、冷冻干燥、真空干燥或微波干燥;脱蜡温度为400?800°C，高温烧结温度为1000?1600°C。
【文档编号】B28B1/26GK106064421SQ201610371847
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月30日 公开号201610371847.X, CN 106064421 A, CN 106064421A, CN 201610371847, CN-A-106064421, CN106064421 A, CN106064421A, CN201610371847, CN201610371847.X
【发明人】吕志刚, 胡可辉, 魏亚蒙, 刘伟
【申请人】清华大学