一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3D打印成型装置和方法与流程

本发明属于叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型技术领域，具体涉及一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型装置和方法。

背景技术：

叠层式陶瓷基复合材料包括层状复合材料和梯度陶瓷基复合材料，由于可按设计需求灵活选择各层材料，提高了陶瓷基复合材料的强度与韧性的同时增加了其对复杂环境的适应能力。w.j.clegg提出了基于高度有序的“实体”结构的层状陶瓷的概念，并于1990年在《nature》上发表了关于sic/c层状复合材料的报道，其断裂韧性可以达到15mpa·m^1/2，断裂功更可高达4625j/m²，是常规sic陶瓷材料的几十倍。此后，国内外研究者对zro2体系、si3n4体系、si3n4/bn体系等的层状陶瓷进行了研究，均获得了相比常规材料数倍乃至数十倍的强度与断裂韧性。传统的叠层式陶瓷基复合材料的制备方法包括：电泳沉积、生物矿化、层层自组装等，由于加工方法的限制，这些方法制备的层状陶瓷基复合材料大多仅限于制备一定厚度(一般不超过200μm)的薄膜或者微米尺寸的样品，不适于制备大尺度的工程结构材料，并且难以获得复杂的几何形状，增材制造技术的出现有望改变这种局面。

在诸多增材制造技术中，digitallightprocessing(dlp)技术因为其成形精度高，成形效率快而被广泛应用于陶瓷材料的增材制造。维也纳科技大学ruthfelzmann等人开发了基于dlp技术的陶瓷3d打印装置，制备了超精细、致密度99％氧化铝陶瓷，但该装置由于供料系统单一，无法实现层状陶瓷材料的3d打印；哈尔滨工业大学邓兴泓等人提出了一种基于dlp技术的多材料光固化3d打印装置，实现了多树脂材料嵌套模型的3d打印成型，然而该装置借助液体材料的流动性进行材料重涂覆使其无法适用于粘稠的陶瓷浆料的dlp成形，并且多余的材料无法回收再利用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型装置和方法，利用薄膜传送带与陶瓷光固化浆料供给装置与浆料回收装置结合实现叠层式陶瓷基复合材料3d打印，使用不同种类陶瓷光固化浆料可以实现层间复合，并且浆料供给回收装置的设计使得多余的浆料可以循环利用，有效避免了浆料的浪费。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型装置，包括曝光装置、送料装置、成型台、浆料供给装置、浆料回收装置和控制装置；

所述的曝光装置，所述的曝光装置固定在基座上，所述的曝光装置下方固定有uv光源，所述uv光源用于浆料的固化；

所述的曝光装置上方固定有送料装置，所述送料装置包含用于光固化过程的分离膜，所述分离膜绕在位于送料装置两端的主动送料辊和被动送料辊上，驱动电机控制主动送料辊转动实现浆料的输送；

所述送料装置上方固定有成型台；

所述成型台两侧固定浆料供给装置以及浆料回收装置；

所述浆料供给装置包含陶瓷光固化浆料的浆料供给槽，所述浆料供给装置通过控制开关阀以及对应的蠕动泵实现所需浆料的供给；

所述浆料回收装置包含与供给储料槽对应的浆料回收槽，通过开关阀实现特定浆料的回收；

所述的控制装置与曝光装置、送料装置、浆料供给装置、浆料回收装置以及基板传动电机相连并控制他们的运作。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的送料装置包括主动送料辊，被动送料辊，离型膜和张紧杆；

所述主动送料辊、被动送料辊和张紧杆固定在基座上，所述离型膜在主动送料辊带动下，经两个张紧杆张紧在材料成型区上方穿过。

上述的成型台上装有基板，所述的基板通过基板导向轨与基板传动电机连接，基板位于材料成型区正上方，所述的基板传动电机能够带动基板上下移动，使基板压在材料成型区上。

上述的浆料供给装置包括浆料a供给仓，浆料b供给仓，双通道换向阀以及双通道蠕动泵；

所述浆料回收装置包括单通道蠕动泵，二位四通道换向阀，浆料a回收罐，浆料b回收罐以及废料罐；

所述浆料a供给仓和浆料b供给仓，通过软管依次与双通道换向阀和双通道蠕动泵相连，再通过软管与位于材料成型区上方的浆料供给槽相连，所述浆料供给槽左端固定浆料刮刀，所述的浆料刮刀与材料成型区的上表面具有一个叠层式陶瓷材料分层厚度的距离，材料成型区左上端装有浆料回收槽，所述单通道蠕动泵一端通过软管与浆料回收槽相连，另一端通过软管与二位四通道换向阀相连，所述二位四通道换向阀的三个出口通过软管分别与浆料a回收罐，浆料b回收罐以及废料罐相连，所述浆料a回收罐，浆料b回收罐分别与浆料a供给仓，浆料b供给仓连接。

上述的控制装置与uv光源、主动送料辊、浆料刮刀、浆料供给装置、浆料回收装置以及基板传动电机相连并控制他们的运作。

上述的uv光源亮度可调，所述的张紧杆位置可调，所述的浆料刮刀高度可调。

上述的离型膜紧贴材料成型区上表面运动，浆料刮刀控制离型膜位于材料成型区上表面时有一个叠层式陶瓷材料层厚的浆料，载有浆料的离型膜经过浆料回收槽时，多余的浆料会被全部回收至指定的浆料回收装置。

上述的叠层式陶瓷成型装置所使用的浆料不限于列出的a、b两种浆料，使用更多种类的浆料时，更换对应的泵以及换向阀，浆料回收槽中的打印剩余浆料会被泵回对应的浆料供给仓中。

上述的控制装置为计算机。

一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型装置的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型方法，包括以下步骤：

步骤一：在计算机上设计3d打印模型并转换成分层路径文件导入3d打印机；

步骤二：在各浆料供给仓中注入特定的不同种类陶瓷基光敏树脂浆料；

步骤三：计算机程序控制浆料刮刀进行上下运动，使得刮刀下表面与材料成型区上表面留有一个叠层式陶瓷材料的分层厚度，同时计算机程序控制浆料a供给仓对应的双通道换向阀阀门口打开，浆料a被泵送至浆料供给槽中；

步骤四：计算机程序控制主动送料辊转动，带动载有浆料a的离型膜经过材料成型区，同时计算机程序控制浆料回收装置的单通道蠕动泵运作，同时计算机控制二位四通道换向阀将对应的阀门口打开，将经过材料成型区后多余的浆料a回收至浆料a回收罐中；

步骤五：计算机程序控制基板传动电机运作，基板下降至材料成型区，并与浆料a贴合，此时，主动送料辊停止运动，同时，计算机程序控制uv光源对浆料a进行曝光处理，使浆料a固化在基板下表面。

步骤六：计算机程序控制基板上移，将固化后的叠层式陶瓷材料带离材料成型区，同时，计算机程序控制主动送料辊运动，将剩余的浆料回收至对应的浆料罐，至此完成了一层叠层式陶瓷材料分层的制备；

步骤七：切换材料时，计算机程序控制浆料b供给仓对应的阀门口打开，此时浆料b被蠕动泵泵送，依次经过浆料供给槽，材料成型区以及浆料回收槽，此过程浆料b中会混有少量上一步骤残留的浆料a，计算机程序控制主动送料辊持续工作一定时间，并且二位四通道换向阀将对应废料罐的阀门口打开，直至混有少量浆料a的浆料被完全回收至废料罐后，计算机程序控制浆料b回收罐对应的阀门口打开，重复步骤四至六，完成另一种材料的单层制备；

步骤八：以下表面固化有叠层式陶瓷材料分层的基板为基板整体，根据模型中材料的选用，重复步骤二至七中的若干步骤，直至基板的下表面固化有若干叠层式陶瓷材料分层，完成叠层式陶瓷的制备。

本发明具有以下有益效果：

1.多料仓供料以及薄膜传送带输送浆料的方式保证了粘稠的陶瓷光固化浆料的均匀铺设，能够实现不同陶瓷光固化材料的多层连续打印；

2.浆料供给装置能够灵活控制打印过程中陶瓷光固化浆料的供给流量，针对不同种类、粘度的陶瓷光固化浆料设置不同的打印参数，材料兼容性强，浆料重涂覆的稳定性高；

3.浆料回收装置的设计能够将不同种类浆料分类回收再利用，提高了材料的利用率，减少了打印过程中材料的浪费。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明浆料回收装置结构示意图；

图3为本发明送料装置结构示意图；

图4为本发明浆料供给装置结构示意图；

图5为本发明曝光装置结构示意图；

其中的附图标记为：曝光装置1、基座11、uv光源12、材料成型区13、送料装置2、主动送料辊21、被动送料辊22、离型膜23、张紧杆24、成型台3、基板31、基板导向轨32、浆料供给装置4、浆料a供给仓41、浆料b供给仓42、双通道换向阀43、双通道蠕动泵44、浆料供给槽45、浆料刮刀46、浆料回收装置5、单通道蠕动泵51、二位四通道换向阀52、浆料a回收罐53、浆料b回收罐54、废料罐55、浆料回收槽56。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参照图1，本发明的一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型装置，包括曝光装置1、送料装置2、成型台3、浆料供给装置4、浆料回收装置5和控制装置；

参照图5，所述的曝光装置1，所述的曝光装置1固定在基座11上，所述的曝光装置1下方固定有uv光源12，所述的uv光源12的灯光能对材料成型区13进行照射，用于浆料的固化；

所述的曝光装置1上方固定有送料装置2，所述送料装置2包含用于光固化过程的分离膜23，所述分离膜23绕在位于送料装置2两端的主动送料辊21和被动送料辊22上，驱动电机控制主动送料辊21转动实现浆料的输送；

所述送料装置2上方固定有成型台3；

所述成型台3两侧固定浆料供给装置4以及浆料回收装置5；

所述浆料供给装置4包含陶瓷光固化浆料的浆料供给槽45，所述浆料供给装置4通过控制开关阀以及对应的蠕动泵实现所需浆料的供给；

所述浆料回收装置5包含与供给储料槽对应的浆料回收槽56，通过开关阀实现特定浆料的回收；

所述的控制装置与曝光装置1、送料装置2、浆料供给装置4、浆料回收装置5以及基板传动电机相连并控制他们的运作。

参照图3，实施例中，所述送料装置2包括主动送料辊21，被动送料辊22，离型膜23和张紧杆24；

所述主动送料辊21、被动送料辊22和张紧杆24固定在基座11上，所述离型膜23在主动送料辊21带动下，经两个张紧杆24张紧在材料成型区13上方穿过。

实施例中，所述成型台3上装有基板31，所述的基板31通过基板导向轨32与基板传动电机连接，基板31位于材料成型区13正上方，所述的基板传动电机能够带动基板31上下移动，使基板31压在材料成型区13上。

参照图2和图4，实施例中，所述浆料供给装置4包括浆料a供给仓41，浆料b供给仓42，双通道换向阀43以及双通道蠕动泵44；

所述浆料回收装置5包括单通道蠕动泵51，二位四通道换向阀52，浆料a回收罐53，浆料b回收罐54以及废料罐55；

所述浆料a供给仓41和浆料b供给仓42，通过软管依次与双通道换向阀43和双通道蠕动泵44相连，再通过软管与位于材料成型区13上方的浆料供给槽45相连，所述浆料供给槽45左端固定浆料刮刀46，所述的浆料刮刀46与材料成型区13的上表面具有一个叠层式陶瓷材料分层厚度的距离，材料成型区13左上端装有浆料回收槽56，所述单通道蠕动泵51一端通过软管与浆料回收槽56相连，另一端通过软管与二位四通道换向阀52相连，所述二位四通道换向阀52的三个出口通过软管分别与浆料a回收罐53，浆料b回收罐54以及废料罐55相连，所述浆料a回收罐53，浆料b回收罐54分别与浆料a供给仓41，浆料b供给仓42连接。

实施例中，所述的控制装置与uv光源12、主动送料辊21、浆料刮刀46、浆料供给装置4、浆料回收装置5以及基板传动电机相连并控制他们的运作。

实施例中，所述的uv光源12亮度可调，所述的张紧杆24位置可调，所述的浆料刮刀46高度可调。

实施例中，所述离型膜23紧贴材料成型区13上表面运动，浆料刮刀46控制离型膜23位于材料成型区13上表面时有一个叠层式陶瓷材料层厚的浆料，载有浆料的离型膜23经过浆料回收槽56时，多余的浆料会被全部回收至指定的浆料回收装置5。

实施例中，所述叠层式陶瓷成型装置所使用的浆料不限于列出的a、b两种浆料，使用更多种类的浆料时，更换对应的泵以及换向阀，浆料回收槽56中的打印剩余浆料会被泵回对应的浆料供给仓中。

实施例中，所述的控制装置为计算机。

一种基于光固化技术的叠层式陶瓷基复合材料3d打印成型方法，首先将零件三维模型分层切片，然后按照设定的程序控制浆料供给装置4与浆料回收装置5以及送料装置2实现单层陶瓷光固化浆料的铺送，再通过成型基板31上下移动以及uv光源12的照射完成单层固化，之后成型基板31向上抬起以使固化层与离型膜23分离，重复上述过程，并根据切片信息控制浆料供给装置4与浆料回收装置5切换不同种类陶瓷光固化浆料，完成不同种类陶瓷材料的层层堆积，最终实现叠层式陶瓷基复合材料的3d打印成型。包括以下步骤：

步骤一：在计算机上设计3d打印模型并转换成分层路径文件导入3d打印机；

步骤二：在各浆料供给仓中注入特定的不同种类陶瓷基光敏树脂浆料；

步骤三：计算机程序控制浆料刮刀46进行上下运动，使得刮刀下表面与材料成型区13上表面留有一个叠层式陶瓷材料的分层厚度，同时计算机程序控制浆料a供给仓41对应的双通道换向阀43阀门口打开，浆料a被泵送至浆料供给槽45中；

步骤四：计算机程序控制主动送料辊21转动，带动载有浆料a的离型膜23经过材料成型区13，同时计算机程序控制浆料回收装置5的单通道蠕动泵51运作，同时计算机控制二位四通道换向阀52将对应的阀门口打开，将经过材料成型区13后多余的浆料a回收至浆料a回收罐53中；

步骤五：计算机程序控制基板传动电机运作，基板31下降至材料成型区13，并与浆料a贴合，此时，主动送料辊21停止运动，同时，计算机程序控制uv光源12对浆料a进行曝光处理，使浆料a固化在基板31下表面。

步骤六：计算机程序控制基板31上移，将固化后的叠层式陶瓷材料带离材料成型区13，同时，计算机程序控制主动送料辊21运动，将剩余的浆料回收至对应的浆料罐，至此完成了一层叠层式陶瓷材料分层的制备；

步骤七：切换材料时，计算机程序控制浆料b供给仓42对应的阀门口打开，此时浆料b被蠕动泵泵送，依次经过浆料供给槽45，材料成型区13以及浆料回收槽56，此过程浆料b中会混有少量上一步骤残留的浆料a，计算机程序控制主动送料辊21持续工作一定时间，并且二位四通道换向阀52将对应废料罐55的阀门口打开，直至混有少量浆料a的浆料被完全回收至废料罐55后，计算机程序控制浆料b回收罐54对应的阀门口打开，重复步骤四至六，完成另一种材料的单层制备；

步骤八：以下表面固化有叠层式陶瓷材料分层的基板31为基板整体，根据模型中材料的选用，重复步骤二至七中的若干步骤，直至基板31的下表面固化有若干叠层式陶瓷材料分层，完成叠层式陶瓷的制备。

本发明采用的多料仓供料以及薄膜传送带输送浆料的方式保证了粘稠的陶瓷光固化浆料的均匀铺设，能够实现不同陶瓷光固化材料的多层连续打印；浆料供给装置4能够灵活控制打印过程中陶瓷光固化浆料的供给流量，保证了浆料重涂覆的稳定性；浆料回收装置5的设计能够将不同种类浆料分类回收再利用，提高了材料的利用率，减少了打印过程中材料的浪费。本发明结合数字光处理技术以及独特的浆料供给技术实现陶瓷光固化浆料的固化成型，通过电磁阀实现不同浆料的供给，通过蠕动泵实现浆料的回收并实时利用，本发明创新地实现了叠层式陶瓷结构的3d打印成型，并使dlp成型过程中材料利用率大幅提高。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。