一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于快速制造技术领域，更具体地，涉及一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结 快速成形方法。
【背景技术】
[0002] 在陶瓷型精密铸造中，对成形内腔狭窄、形状复杂的精铸件的需求在不断上升。当 获得具有复杂内腔结构的陶瓷壳型时，涂料涂挂和撒砂等工艺难以实施，需借助陶瓷型芯 来完成。陶瓷型芯通常可采用注浆、热压、注射、凝胶注模等工艺成形。而用于成形陶瓷型芯 的芯盒加工难易程度受制于型芯的结构和形状，其加工效率低，成本较高。因此，陶瓷型芯 实现无模化快速精密成形是当前铸造业的发展趋势。
[0003] 快速成形技术是基于离散堆积成形原理，首先通过建模软件（如：Cat ia、 SolidWorks、Pro/Engineer等)在计算机中绘制待成形件的三维模型，然后把模型转化为标 准的STL格式文件。STL格式文件经切片软件按成形方向切片处理后得到一系列二维层面轮 廓数据信息，再由层面数据信息生成数控加工指令，控制设备按照层面轮廓信息逐层选择 性固化原材料并叠加成形，经适当的后处理工艺(去除多余材料、浸渍、烧结、等静压、打磨 或抛光)处理后最终得到所需的三维实体。
[0004] 目前，基于粉末材料的快速成形工艺主要有选择性激光烧结（SLS)和微喷射粘结 技术(3DP)。这两种工艺都是采用分层制造思想，成形过程由计算机全程控制，无需专用夹 具、工具和模具。它们与传统的加工成形工艺相比，具有设计制造一体化、成形过程高度柔 性化和快速化、劳动强度低、材料利用率高、操作简便等优势。而3DP相比较SLS而言，它使用 喷头喷射粘结剂代替激光器，具有设备投资小、运行成本低、环境适应性好等突出优点。因 此，微喷射粘结成形技术更适用于陶瓷型芯的快速成形。
[0005] 微喷射粘结快速成形工艺主要由两部分组成，即铺粉工艺和喷射工艺。首先，粉末 床沿Z轴下降一个层厚，铺粉器将待成形的基体粉末材料铺设于粉末床表面，喷头在粉末层 表面选择性喷射粘结剂，粘结剂喷射量体积与粉末层孔隙体积具有一定的百分比关系，喷 射到粉末层中的粘结剂同时沿水平和垂直方向渗透并逐渐固化而使基体粉末粘结成形，如 此逐层叠加而成形三维实体。
[0006] 由于其工艺特性，现有的陶瓷制件微喷射粘结快速成形工艺存在如下几方面的问 题：
[0007] (1)成形的陶瓷制件致密度低而使坯体强度偏低。
[0008] 采用该工艺获得的制件强度主要由粘结剂包裹或粘结相邻粉末颗粒形成粘结桥 而形成交联网络结构所提供。则制件强度与单个粘结桥强度和单位面积粘结桥数量有关。 由于铺粉过程为无压铺粉，粉末层自身的致密度较低，单位面积的粘结桥数量较少，导致坯 体强度偏低。为了提高制件强度而使制件在后续表面清理、搬运过程中不损坏，通常增加粘 结剂喷射量而达到提尚强度的目的。由于现有的粘结剂材料都是有机尚分子粘结剂的水溶 液或醇溶液，当粘结剂喷射量增加后，在粉末层中的横向和纵向渗透距离增大，又会使制件 精度降低。
[0009] (2)成形的陶瓷制件致密度低导致烧结变形量和线收缩率偏大。
[0010]常用的烧结工艺主要有无压或负压烧结、等静压、浸渗。微喷射粘结成形的陶瓷坯 体致密度在0.2~0.5之间。由于致密度偏低，具有复杂内腔结构的陶瓷制件在无压烧结过 程中容易发生变形和开裂，严重影响烧结性能。而采用等静压烧结工艺处理后，陶瓷制件的 线收缩率可达20 %~35%，使最终尺寸产生较大偏差。高温浸渗工艺可防止制件在烧结过 程中的变形和开裂，且减小烧结收缩率。但成功获得具有复杂内腔结构的致密化产品较难， 这主要是由于过多的浸渗材料难以从成形件的复杂内腔表面剥离，需适时借助打磨和机加 工等手段，当制件有薄壁结构时，容易在剥离过程中发生变形甚至断裂。
[0011]因此，需要开发一种新型的制备陶瓷型芯坯体的方法，以克服现有技术中成形的 陶瓷制件致密度低的问题。
【发明内容】
[0012] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种陶瓷型芯坯体的微喷射 粘结成形方法，其目的在于，采用纳米分散液喷射至陶瓷粉末基体材料中，纳米分散液中的 纳米粉体填充陶瓷粉末基体材料中的孔隙，提高粉末层致密度，增加单位面积粘结桥数量， 由此解决现有微喷射粘结成形陶瓷坯体的强度低，烧结变形和线收缩率较大的技术问题。 此外，纳米分散液中加入纳米粉体会相对减少高分子粘结剂溶液的喷射量，且纳米粉体填 充粉末层孔隙大幅提高了粘结剂溶液在粉末层中的渗透阻力，由此提高了粘结剂喷射量而 使成形精度进一步提尚。
[0013] 为实现上述目的，本发明提供了一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结成形方法，其特 征在于，其包括如下步骤：
[0014] (1)根据待成形的陶瓷型芯的外形尺寸，通过三维制图软件对其进行三维建模，获 得三维模型，采用切片软件对所述三维模型沿Z轴方向进行分层切片，得到所述分层切片的 加工指令；
[0015] (2)根据所述分层切片的加工指令，在粉末床中铺设一层陶瓷粉末基体材料；
[0016] (3)采用喷头在陶瓷粉末基体材料层上方选择性喷射纳米分散液，以粘结陶瓷粉 末基体材料层使之成为当前层轮廓，
[0017] 所述纳米分散液是指待成形的陶瓷型芯组分中的一种或几种纳米级粉末与高分 子粘结剂溶液均匀混合获得的液体；
[0018] (4)待当前层轮廓成形后，粉末床沿Z轴方向下移一个层厚高度；
[0019] (5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到初始陶瓷型芯坯体成形；
[0020] (6)静置使步骤(5)获得的所述初始陶瓷型芯坯体干燥并完全固化后，将其从粉末 床中取出，对其表面进行清理，获得陶瓷型芯坯体。
[0021] 以上发明构思中，陶瓷粉末基体材料和纳米分散液的组分视待成形的陶瓷型芯的 材料组分及性能而定，陶瓷粉末基体材料可为单一组分的陶瓷粉末也可为多组分混合的陶 瓷粉末，纳米分散液可为单一组分纳米陶瓷分散液也可为多组分纳米陶瓷分散液。通过控 制当前层轮廓不同位置的纳米分散液种类及喷射量，可成形任意梯度陶瓷型芯坯体。
[0022] 进一步的，步骤(3)中，所述纳米分散液的粘度小于20mPa · s。
[0023] 进一步的，步骤（3)中，所述纳米分散液中包括去离子水和无水乙醇一种或者多 种。
[0024] 进一步的，所述纳米分散液一次的喷射体积为对应的陶瓷粉末基体材料层的孔隙 体积的50 %~150 %。
[0025] 进一步的，步骤(4)中，所述层厚高度为0.08mm~0.2mm。
[0026]进一步的，步骤(3)中，喷头扫描速度0.2m/s~lm/s。
[0027]进一步的，步骤(2)中，所述陶瓷粉末基体材料的粒径范围为150目~500目。
[0028]进一步的，步骤(2)中，所述陶瓷粉末基体材料的休止角小于35°。
[0029]进一步的，步骤(2)中，粉末床的铺粉速度为0. lm/s~2m/s。
[0030] 进一步的，微喷射粘结成形过程中的成形腔体湿度为5%RH-50%RH。
[0031] 进一步的，所成形的陶瓷型芯坯体包括氧化钙基陶瓷型芯、氧化铝基陶瓷型芯、硅 基陶瓷型芯以及氧化锆基陶瓷型芯。
[0032] 本发明采用纳米分散液作为粘结剂，粘结剂中的纳米陶瓷粉末填充陶瓷粉末基体 材料中的孔隙，大幅提高坯体致密度，解决了陶瓷型芯坯体经快速成形后烧结收缩率高的 问题。同时可避免坯体烧结过程中发生变形、开裂等现象，大幅提高烧结效率。该方法的纳 米分散液组份及喷射量可视陶瓷型芯的物相组分而改变，可实现复杂梯度陶瓷材料及复合 陶瓷材料的快速成形。
[0033] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术