[发明专利]一种陶瓷3D打印机

说明书

本发明公开了一种陶瓷3D打印机，能采用高固相比、高粘度的陶瓷浆料连续可靠地打印陶瓷件。其技术方案为：陶瓷3D打印机包括：激光扫描系统，用激光束固化光敏的陶瓷浆料；加料系统，向台板供给陶瓷浆料；料层铺设与刮平系统，使陶瓷浆料在台板上形成均匀薄层；可升降工作台，承载打印成形的工件，实现打印过程中工件的竖直方向的运动；机身，承载打印机的所有系统与机构；控制系统，控制打印机的各种动作。

技术领域

本发明涉及一种3D打印机，尤其涉及一种可打印高性能陶瓷的3D打印机。

背景技术

随着增材制造技术的迅速发展，近年来出现了多种陶瓷3D打印机，按照这些打印机的原材料适用范围可归纳为两种，其中一种是用于打印传统陶瓷材料，另一种是用于打印高性能陶瓷材料。传统陶瓷以粘土为主要原料，通常用于制作日用品和工艺品，强度较低。高性能陶瓷又称为精细陶瓷，一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料，性能好，用于制作工程器件(例如汽车和飞机的发动机部件)和功能器件(例如传感器)，是现代陶瓷材料的发展方向。

中国发明专利CN 105751348 A提供的打印机是传统陶瓷3D打印机的典型(见图1和图2)，这种打印机的打印头30a由料筒31a、针头32a和气管34a等组成，气管34a与气压控制系统50a相连，气压力通过气管34a将料筒31a中的陶瓷浆料由针头32a挤出至台板40a上。并且，由于打印头30a相对X轴导轨22a和Y轴导轨21a、21b的运动，在台板40a上逐步构成一层层陶瓷件的2D图形，最终叠加成3D陶瓷素坯。这种3D打印机的结构比较简单，但是由于陶瓷浆料的粘度较大，而且又受驱动气压力的限制(通常最大为5～6大气压)，其针头32a的孔径不能太小，否则陶瓷浆料不能顺利地挤出。因此这种用气压力挤出浆料的3D打印机的打印分辨率较低，不可能成形高强度、高精度和具有细小特征的陶瓷件，只能用于一般陶瓷日用品和工艺品的制作，不能用于制作高性能陶瓷件。

目前，打印高性能陶瓷的3D打印机主要有以下3种：

(1)粉末烧结(SLS)式陶瓷3D打印机

图3是采用粉末烧结(SLS)式原理的陶瓷3D打印机，这种打印机采用高分子材料(粘结剂)包裹的陶瓷粉为成形原材料，通过激光熔化高分子材料，使陶瓷粉粘结成陶瓷素坯，然后在加热炉中进行脱脂和高温烧结处理得到陶瓷件。SLS式陶瓷3D打印机由CO₂激光器(或Nd:YAG激光器)3b、X-Y扫描振镜1b、供粉缸9b(2个)和成形缸6b，以及铺粉辊12b等组成。这种打印机的工作过程是：①供粉缸9b中的活塞10b向上移动一小层高度，使活塞上方的陶瓷粉11b高出供粉缸一小层高度。②供粉缸上方的铺粉辊12b沿水平方向自左向右运动，在工作台8b的上方铺一层陶瓷粉。③工作台上方的加热系统(未示出)将工作台上的陶瓷粉预热至低于烧结点的温度。④激光器发出的激光束2b经计算机控制的振镜1b反射后，按照陶瓷件截面轮廓的信息，对工作台上的陶瓷粉进行选区扫描，使陶瓷粉中的高分子粘结剂的温度升至熔化点，使陶瓷粉相互粘结，得到陶瓷件的一层截面片。⑤一层成形完成后，工作台下降一小层高度，再进行下一层的铺粉和烧结，如此循环，得到陶瓷素坯。

上述粉末烧结(SLS)式陶瓷3D打印方法的缺点是成形陶瓷件的致密度较低，仅能达到理论密度的53-65％,因此强度也较低，需要再进行后处理来提高其密度与强度。

(2)粉末熔化(SLM)式陶瓷3D打印机

粉末熔化(SLM)式陶瓷3D打印机的结构类似于图3，不同的是采用纯陶瓷粉(不含高分子粘结剂)为成形原材料，用激光将陶瓷粉加热至熔点(例如，对于氧化钇稳定氧化锆陶瓷为2715℃)，使陶瓷粉粘结成形。这种方法可以得到100％理论密度的陶瓷件，但是表面较粗糙度、尺寸精度较低，而且由于激光功率较大，会产生较大的温度梯度，在陶瓷粉快速熔化和凝固过程中，会在陶瓷件内部产生裂纹和气孔。

(3)光固化(SLA)式陶瓷3D打印机