[发明专利]一种基于热固粘接的陶瓷增材制造方法及设备

说明书

本发明涉及一种基于热固粘接的陶瓷增材制造方法，包括：将需要打印的陶瓷零件模型进行分层，确定每层需要粘结的区域，并生成打印机控制程序；将环氧树脂单体和陶瓷粉末混合均匀，形成流动性较好的浆体，作为A组分浆体，环氧树脂单体和陶瓷粉末的用量比例，在满足流动性的前提下，A组分浆体中的陶瓷粉末比例应尽量高，以实现最终陶瓷成品的高致密性和低收缩率；在工作托盘上铺放一层A组分浆体；使用喷头将环氧树脂的硬化剂作为B组分，根据程序喷在该层需要粘结的区域；使用加热装置加热该层陶瓷粉末；逐层打印，直到形成完整的陶瓷生坯；清洗干净；高温煅烧。本发明同时提供一种实现上述方法的设备，即陶瓷粉末粘结打印机。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料的成型方法，尤其涉及一种基于附加制造技术，即三维物品制造技术的陶瓷材料增材制造方法。并在此基础上，涉及一种应用该成型方法实现陶瓷材料增材制造的设备。

背景技术

陶瓷材料具有低密度、高硬度、高耐热、高耐磨等优点，在广泛的工业领域中具有极好的应用前景，如隔热、耐热材料，陶瓷轴承等。传统的陶瓷材料成型方法，是将陶瓷原材料，一般是粉体或者浆体放入模具进行高温烧结形成毛坯，再使用机械切削、磨削的方法进行精加工，从而获得最终的产品。但是由于陶瓷材料高熔点、硬脆难加工的特性，传统成型方法需要使用昂贵的模具和机加工刀具、磨具，生产工艺复杂，加工周期长。

增材制造技术使用逐层附加制造的思想，将所要制造的零件模型使用计算机程序进行分层处理，得到一层层需要打印的二维图形，再通过3D打印机逐层打印、堆叠这些二维图形，最终形成三维零件实体。这种材料制造技术可以避免使用模具以及后续的机械加工过程，从而实现零件的快速制造。

目前已经有若干公开的陶瓷材料增材制造方法，与本申请涉及的发明具有一定相关性的主要有：

美国专利5,204,055采用预先制备的陶瓷粉末一层层铺在工作台上，并逐层使用喷射头将粘接剂喷射到选定区域，使该区域的粉末粘结，这样逐层堆积，最终形成零件成品。这种技术不包含陶瓷的固相烧结，只靠粘接剂实现材料粉末间的固定，因此最终零件的强度很低。

美国专利US 8,568,649 B1在前者的基础上，使用聚乙烯醇作为粘接剂，并在陶瓷粉末粘结成型后，再将其进行高温烧结。一方面利用高温去除材料中的粘接剂成分；另一方面使陶瓷粉末发生高温固相反应，形成固结的实体，从而相比前者提高零件强度。但是，由于聚乙烯醇分子量很大(该专利优选的分子量为9,000至10,000)，很难渗入微小的陶瓷粉末间隙之中。因此陶瓷粉末粒径必须足够大，以提供充足的间隙使粘接剂能够渗入。这样，最终的材料成品内部含有很多孔隙，相当于材料内部的初始裂纹和集中应力点，降低了材料强度和零件的可靠性。

本课题组前期申请了若干发明专利，目前正在公开实审阶段，公开号为：CA108947494A、CN108724431A等。这些技术公开了一种使用热固性环氧树脂作为粘接剂进行陶瓷粉末粘接，从而实现陶瓷材料增材制造的技术。但这类技术需要将环氧树脂及其硬化剂在喷头内混合，通过喷嘴喷出。因此，喷头需要额外的冷却装置，避免混合其中的环氧树脂在喷嘴出固化。如果温度控制不当，有可能造成喷嘴堵塞，从而影响增材制造的稳定性和可靠性。另外，这类技术对陶瓷粉末的球形度要求较高，只有球形度较好的陶瓷粉末才具有良好的流动性，便于平铺成薄层。而球形陶瓷粉末的制造工艺复杂，成本高昂。另外有研究表明，球形陶瓷粉末烧结形成的陶瓷成品，在力学强度性能方面要差于不规则形状的陶瓷粉末。因此，该类技术的制造成本和成品性能也有待提高。