一种3d打印陶瓷工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及陶瓷制造领域，尤其设及一种3D打印陶瓷工艺。
【背景技术】
[0002] 在20世纪90年代美国麻省理工学院发明了一种Ξ维打印技术，它是一种数字模 型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的 技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直 接制造。特别是一些高价值应用（比如髓关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用运种 技术打印而成的零部件。随着Ξ维打印技术在陶瓷材料应用的研究深入，采用Ξ维打印陶 瓷器件成为现实。传统的陶瓷制作，利用陶±进行塑造成型、惊干、开模、倒巧、烧制等，所投 入的时间长、资金成本大，且不易于修改。因此，3D打印出的陶瓷器件可适用于制造小批量 的模型，构造复杂的器件，大大减少修改模型的时间和制造成本。
[0003] 现有技术中国专利CN104339437A公开一种用3D打印技术生产陶瓷铸型的方法将 陶瓷粉和粘结剂分别装入3D打印头内将需要打印铸型的Ξ维图输入3D打印机，然后按照 图纸逐层打印铸型，最终形成所需的铸型，再将整个铸型放入加热炉内对陶瓷粉和粘结剂 进行烧结，形成陶瓷铸型。然而，该现有技术在两层陶瓷粉之间铺设一层粉状的粘结剂，通 过激光烧结使得新添陶瓷层与已成型的陶瓷层粘结。但粉状粘结剂粘结不牢固，铸件结构 松散，采用该技术制得的铸件难W提高其硬度和强度。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种3D打印陶瓷工艺，可更易蒸发粘结 剂，使陶瓷粉粘结度提高，从而提高产品的硬度和强度。 阳0化]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D打印陶瓷工艺，包括W下步骤： 制粒：将低溫粘结剂和中溫粘结剂分别预制成颗粒，低溫粘结剂粒径为0.l-2mm，中溫 粘结剂粒径为0.l-2mm; 混合：将制粒的低溫粘结剂和中溫粘结剂与粉末状的陶瓷粉混合均匀，作为喷料； 打印：在通入保护气体的情况下，采用陶瓷3D打印机逐层喷出喷料，并利用选择性激 光烧结技术得到粗巧； 中溫烧结：将粗巧放入烧结炉中，调溫至400-700°C进行中溫烧结； 高溫烧结：中溫烧结后将烧结炉溫度升高至1500-1700°C进行高溫烧结，最后得到产 品D
[0006] 作为上述方案的改进，低溫粘结剂为丙締酷胺和簇酸醋中的一种或组合；中溫粘 结剂包括PVB、聚丙締酸甲醋、乙基纤维素、聚乙締醇、丙締酸乳剂、聚丙締酸酷胺中的一种 或组合。
[0007] 作为上述方案的改进，所述制粒步骤中低溫粘结剂和中溫粘结剂预制的颗粒形状 为球形、柱形和立方体中的一种或组合。
[0008] 作为上述方案的改进，所述混合步骤中喷料各组分按百分比包括：90-99%陶瓷 粉、0. 2-8%低溫粘结剂和0. 3-8%中溫粘结剂。
[0009] 作为上述方案的改进，陶瓷粉为氧化错、氧化侣和氧化娃中的一种或组合。
[0010] 作为上述方案的改进，所述陶瓷粉的粒径为0. 1-2μm。
[0011] 作为上述方案的改进，所述混合步骤得到的喷料还包括增塑剂和分散剂。
[0012] 作为上述方案的改进，所述打印步骤中包括W下步骤： 陶瓷3D打印机预热喷料； 通入保护气体，根据产品的数字模型逐层喷射喷料，并刮平； 陶瓷3D打印机的激光器在刚喷射的新层上扫描出产品截面，使新层与下面已成形的 部分粘接； 重复喷射和激光烧结步骤，最后得到粗巧。
[0013] 作为上述方案的改进，所述保护气体为氮气。
[0014] 作为上述方案的改进，所述中溫烧结的烧结时间为5-2地，高溫烧结的烧结时间为 24-7 化。
[0015] 实施本发明实施例，具有如下有益效果： 本发明通过将粉状的粘结剂制粒，可在烧结时更容易被蒸发去除，在3D逐层打印过程 中，层与层之间的互联作用更强，从而改善现有3D打印陶瓷件结构松散的问题。此外，本发 明的喷料先混合后喷出，可使粘结剂更均匀地分散在陶瓷粉中，从而在烧结过程中粘结剂 蒸发速率相同，产品各处的性能更均一，稳定。最后，本发明所述工艺结合选择性激光烧结 工艺和传统的烧结工艺，对所制产品硬度和强度的提升具有促进作用。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明一种3D打印陶瓷工艺的流程图； 图2是本发明新层喷料与成型陶瓷件的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一 步地详细描述。
[0018] 现有技术利用陶瓷3D打印陶瓷工艺采用陶瓷粉和粉状粘结剂，根据数字模型逐 层喷出陶瓷粉烧结成型，具体为在陶瓷粉上喷出粘结剂，然后再在粘结剂层上喷出新层的 陶瓷粉，通过选择性激光烧结工艺使新层陶瓷粉与已成型的陶瓷件粘合。在3D打印过程 中，层与层之间需要使用粘结剂相连，如果采用粉状粘结剂，由于陶瓷粉和粘结剂皆为粉 状，粘结剂不易蒸发，从而使新添加的陶瓷粉和下层陶瓷粉粘牢不稳固。
[0019] 为此本发明提供一种新的3D打印陶瓷工艺W解决现有技术的问题，如图1所示， 本发明一种3D打印陶瓷工艺，包括W下步骤： S100,制粒：将低溫粘结剂和中溫粘结剂分别预制成颗粒，低溫粘结剂粒径为 0.l-2mm，中溫粘结剂粒径为0.l-2mm。
[0020] 由于粉状的粘结剂不易去除从而影响产品的硬度和强度，而本发明将粘结剂制成 颗粒状，在同一的喷涂层中，颗粒状的粘结剂相对于粉末状的陶瓷粉(粒径为0. 1-2μπι)可 突出层的表面，激光烧结时粘结剂更容易被蒸发去除，更容易生成陶瓷粗巧。而为了能进一 步提高陶瓷产品的硬度和强度，本发明结合选择性激光烧结工艺和传统的烧结工艺两种， 选择低溫粘结剂和中溫粘结剂分别在选择性激光烧结工艺和传统的烧结工艺中起到粘结 作用。激光烧结时可去除大部分的低溫粘结剂，形成具有一定硬度的粗巧，粗巧的形状更加 稳定；再通过传统的烧结工艺可W使余下的低溫粘结剂和中溫粘结剂蒸发掉，更利于陶瓷 形状的保持。
[0021] 此外，本发明人通过反复多次的试验验证，发现当低溫粘结剂粒径为0.l-2mm，中 溫粘结剂粒径为0.l-2mm，其制得的陶瓷硬度和强度最佳。经实验证明，当颗粒过大(粒径大 于2mm)，造成陶瓷粉不均匀，烧结后的陶瓷内部结构不均匀和稳定，造成其强度、硬度不均 匀；颗粒过小(粒径小于0.1mm)，易造成陶瓷粉之间的粘结效果过差，烧结过程中粘结剂不 易被蒸发掉，烧结后的陶瓷成品在硬度上达不到要求。
[0022] 需要说明的是，粘结剂的颗粒形状可W是球形、柱形或立方体等形状，但不限于上 述形状。根据产品需求，低溫粘结剂、中溫粘结剂的形状可W不同，同时，低溫粘结剂的颗粒 形状可混有球形、柱形和立方体等不同颗粒形状的组合；中溫粘结剂的颗粒形状可混有球 形、柱形和立方体等不同颗粒形状的组合。
[0023] 本发明所述低溫粘结剂能在激光烧结溫度（T=80-300°C)下蒸发并使陶瓷粉粘合， 优选地，低溫粘结剂为丙締酷胺和簇酸醋中的一种或组合，但不限于上述优选方案；中溫粘 结剂能在中溫烧结溫度（T=400-700°C)下蒸发并使陶瓷粉粘合，优选地，所述中溫粘结剂包 括PVB、聚丙締酸甲醋、乙基纤维素、聚乙締醇、丙締酸乳剂、聚丙締酸酷胺中的一种或组合， 但不限于上述优选方案。
[0024]S101，混合：将制粒的低溫粘结剂和中溫粘结剂与粉末状的陶瓷粉混合均匀，作为 喷料。 阳0巧]其中，喷料各组分按百分比包括：90-99%陶瓷粉、0. 2-8%低溫粘结剂和0. 3-8%中 溫粘结剂。优选地，喷料各组分按百分比包括：93-97%陶瓷粉、1-5%低溫粘结剂和1-6%中 溫粘结剂。
[00%] 优选地，本发明所述陶瓷粉为氧化错、氧化侣或氧化娃，也可根据产品性能和形状 等要求修改陶瓷粉的配方，如W氧化侣和氧化娃为主要成分，添加氧化错作为辅料，按重量 配比为氧化侣：氧化娃：氧化错=6:8:2;也可在上述原料的基础上添加其他助剂，如陶瓷粉 按百分比包括80%氧化娃、12%氧化侣、3%氧化钢、2. 5%氧化钟、0. 7%氧化巧、1. 2%氧化儀、 0. 1%氧化铁、0. 5%氧化铁。
[0027] 需要说明的是，根据产品的特性和性能需要，喷料还包括增塑剂和分散剂等助剂。
[002引 S102,打印：在通入保护气体的情况下，采用陶瓷3D打印机逐层喷出喷料，并利用 选择性激光烧结技术得到粗巧。
[0029] 具体的打印步骤如下： (1) 喷料被装入陶瓷3D打印机的喷嘴后需先预热； (2) 通入保护气体，根据产品的数字模型逐层喷射喷料，并刮平； 在打印过程中从喷头中喷出的材料包含陶瓷粉、粘结剂、分散剂等，由于采用激光烧 结，喷头处的溫度相对于周围环境较高，采用保护气体，能保证喷料不与周围空气发生反 应，从而影响成品性质。
[0030] (3)陶瓷3D打印机的激光器在刚喷射的新层上扫描出产品截面，低溫粘结剂蒸 发，使新层与下面已成形的部分粘接； (4)重复喷射和激光烧结步骤直至完成全部数字模型，最后得到粗巧。
[0031] 图2所示，图中为新层喷料与成型陶瓷件的结构示意图。由于制粒的粘结剂的颗 粒大小比粉末状的陶瓷粉的尺寸更大，因此当两者混合一起并逐层喷出时，低溫粘结剂颗 粒3和中溫粘结剂颗粒4均匀镶嵌在陶瓷粉层上，部分低溫粘结剂颗粒3在激光烧结时被 去除W使新层陶瓷粉层2与已成型陶瓷件1粘结，而新层陶瓷粉层2喷出后，新层的低溫粘 结剂颗粒3和中溫粘结剂颗粒4可与已成型陶瓷件1的粘结剂和陶瓷互联，烧结时新层的 粘结剂可W使上下两层粘结牢固，成品的硬度和强度更佳。
[0032] 此外，本发明也可如现有技术将陶瓷粉末与粘结剂分开喷出，但如上述先混合后 喷出的效果是低溫粘结剂和中溫粘结剂更均匀地分散在陶瓷粉中，烧结后成品各处的性能 更稳定。
[0033] 需要说明的是，选择性激光烧结工艺（SelectiveLaserSintering,简称化S)由 美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。采用红外激光器作能 源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其烙点的溫度，然后 在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地 烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可W得到一烧结 好的零件。