基于3D打印技术的蜂窝夹层结构陶瓷及制备方法与流程

本发明涉及一种陶瓷3d打印技术领域，具体涉及一种3d打印的蜂窝夹层结构陶瓷的设计及成形方法。

背景技术：

随着科技的发展，夹层结构在高性能应用的轻质设计中越来越受欢迎。夹层结构是应航天航空科技的特殊需要发展起来的，并且最早用于航空航天领域，同时它的使用对航空航天工业的发展起了很大的作用。蜂窝夹层结构由于其轻量化、可设计性强，应用于航天器的主、次承力结构件，比如火箭和导弹的安定面、发动机尾喷管等。目前，蜂窝夹层结构可由铝合金、复合材料、非金属材料等制成。

事实上，陶瓷具有许多金属所不具备的性能，如耐热性、耐磨性、耐腐蚀性等。但是陶瓷材料由于其高硬度和脆性，蜂窝夹层结构的加工难度很大。

3d打印技术也可称为增材制造技术，是一种层层构建目标的制造技术。3d打印技术在形状和设计上具有高度的灵活性。通过3d打印技术，使得制造陶瓷蜂窝夹层结构成为可能，并且可以直接从几何角度进行参数化，使各个结构参数达到足够的制造精度，这是传统陶瓷成型技术无法实现的。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于3d打印技术的蜂窝夹层结构陶瓷及制备方法，通过改变对蜂窝夹层结构的设计，使得可以采用3d打印技术制造四边形蜂窝夹层结构陶瓷和六边形蜂窝夹层结构陶瓷。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种基于3d打印技术的蜂窝夹层结构陶瓷，该蜂窝夹层结构，从上到下依次是：上面板、蜂窝芯和下面板，所述的蜂窝夹层结构由3d打印技术采用氧化锆材料一次性制备而成。

进一步，所述上面板的厚度为0.1-0.3mm，所述蜂窝芯的厚度为1.6-2.6mm，所述下面板的厚度0.1-0.3mm。

进一步，所述上面板和下面板上进行穿孔，孔径在0.5-1mm。

进一步，所述的蜂窝夹层结构为正四边形蜂窝夹层结构或正六边形蜂窝夹层结构。

进一步，所述正四边形蜂窝夹层结构中的蜂窝芯为正四边形蜂窝芯；所述正六边形蜂窝夹层结构中的蜂窝芯为正六边形蜂窝芯；所述正四边形蜂窝芯和正六边形蜂窝芯的蜂窝孔格均为1-4mm。

进一步，所述正四边形蜂窝夹层结构相对密度可达到31.95％-73.48％，所述正六边形蜂窝夹层结构相对密度可达到31.22％-66.24％。

进一步，所述的3d打印技术采用dlp激光成型技术。

一种基于3d打印技术的蜂窝夹层结构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)建模：采用cad软件设计出氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷：

(2)零件制备：采用3d打印技术打印制备氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷；

(3)后处理：将打印出的氧化锆的氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷进行清洗，去除表面和内部多余的氧化锆陶瓷浆料；

(4)烧结成型：根据烧结制度将清洗后的氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷无压烧结至1550℃，保温两个小时，得到致密度在99％的氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷。

上述步骤(1)中采用cad软件建模设计出氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷，包括正四边形蜂窝夹层结构或正六边形蜂窝夹层结构设计，设计的具体步骤为：

(1)设计蜂窝夹层结构中的上面板、中间的蜂窝芯、下面板；

(2)蜂窝夹层结构长35-70mm，宽4-10mm、高2-3mm，长和宽设定小于3d打印最大范置尺寸。

(3)在蜂窝夹层结构中，正方形蜂窝壁之间角度为90°，六边形蜂窝壁之间角度为60°，按照上面板，中间的蜂窝芯，下面板的顺序进行组合，得到正四边形蜂窝夹层结构或正六边形蜂窝夹层模型。

(4)设计上、下面板在蜂窝结构中的每个正四边形芯格的中心处或每个正六边形蜂窝芯格的中心处进行开孔，孔设计为圆形孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益成果：

1、本发明的氧化锆的夹层结构陶瓷，采用蜂窝夹层结构，不仅隔音、隔热性能优良，而且具备陶瓷的耐高温、耐腐蚀，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，更重要的是有效的减轻重量，达到了轻量化的目的。

2、本发明设计的蜂窝夹层结构，可以采用3d打印技术打印，在逐层打印过程中，蜂窝芯格内的浆料可以通过下面板的孔洞流出，上面板的孔则是为了更好的清洗蜂窝芯格内残余的陶瓷浆料。

3、本发明采用3d打印技术制备氧化锆蜂窝夹层陶瓷，通过dlp激光成型技术制备，具有成型精度高、质量好、成型物体表面光滑，且成型速度快的优势。这是传统陶瓷制备方法无法达到的。

4、整体而言，通过3d打印技术可以制备出性能较好的氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷。

附图说明

图1为正四边形蜂窝芯的结构示意图；

图2为正四边形蜂窝夹层结构示意图；

图3为正六边形蜂窝芯的结构示意图

图4为正六边形蜂窝夹层结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明是通过3d打印技术制备一种氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷，这种结构是一种轻质的蜂窝夹层结构，从上到下依次是：上面板、蜂窝芯和下面板，蜂窝夹层结构全部都是使用氧化锆(3y-tzp)材料由3d打印技术一次性制备。

进一步优选的技术方案是：上面板的厚度为0.1-0.3mm，蜂窝芯的高度为1.6-2.6mm，蜂窝芯的壁厚为0.1-0.35mm，下面板的厚度0.1-0.3mm。

进一步优选的技术方案是：在上面板和下面板上进行穿孔，孔径在0.5-1mm。

进一步优选的技术方案是：所述的蜂窝芯为正四边形蜂窝芯和正六边形蜂窝芯，蜂窝孔格长度为1-4mm。

进一步优选的技术方案是：所述的蜂窝夹层结构，其中正四边形蜂窝夹层结构相对密度为31.95％-73.48％，正六边形蜂窝夹层结构相对密度为31.22％-66.24％。

进一步优选的技术方案是：所述的3d打印技术是dlp激光成型技术。

本发明的基于3d打印技术的蜂窝夹层结构陶瓷的设计及制备方法，包括如下步骤：

1)建模：通过cad软件设计出正四边形蜂窝夹层结构陶瓷和正六边形蜂窝夹层结构陶瓷：

2)零件制备：采用3d打印dlp激光成型技术制备氧化锆正四边形蜂窝夹层结构陶瓷和正六边形蜂窝夹层结构陶瓷；

3)后处理：将打印出的零件进行清洗，去除零件表面和内部多余的氧化锆陶瓷浆料；

4)烧结成型：根据烧结制度将清洗后的零件无压烧结至1550℃，保温两个小时。得到所述的致密度在99％的氧化锆蜂窝夹层结构陶瓷。

步骤1)通过cad软件建模设计出正方形蜂窝夹层结构陶瓷和六边形蜂窝夹层结构陶瓷，具体包括以下步骤：

(1)蜂窝夹层结构包括三个部分：上面板、中间为蜂窝结构、下面板。

(2)蜂窝夹层结构长和宽设定必须小于机器打印尺寸。

(3)其中，在蜂窝结构中，正方形蜂窝壁之间角度为90°，六边形蜂窝壁之间角度为60°。按照上盖板，中间蜂窝结构，下盖板的顺序进行组合，得到蜂窝夹层结构模型。

(4)设计上下两个面板在蜂窝结构中的每个正四边形芯格的中心处或每个正六边形蜂窝芯格的中心处进行开孔，孔设计为圆形孔。

步骤2)通过3d打印dlp激光成型技术制备氧化锆正四边形蜂窝夹层结构和正六边形蜂窝夹层结构。

(1)氧化锆陶瓷浆料以及dlp光固化打印机均从嘉善饶稷科技公司购入。购入的氧化锆陶瓷浆料为3d-tzp，固相含量约在50％。

(2)将蜂窝夹层结构模型转换为stl格式，导入电脑，将模型放入合适位置，选择打印参数进行打印。优选的每层层厚设定为50μm左右。