[發明專利]基于凝膠注模3D打印的纖維增強陶瓷異型件成型方法

在審

• 申請號: 201711360018.2
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN108033802A
• 公開（公告）日: 2018-05-15
• 發明（設計）人: 崔雨瀟;林彬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/14;C04B35/583;C04B35/10;C04B35/48;C04B35/584;C04B35/622;C04B35/624;B33Y10/00;B33Y70/00;B33Y80/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于凝膠注模3D打印的纖維增強陶瓷異型件成型方法，包括：將陶瓷粉體、纖維材料、和助燒劑和聚丙烯酰胺交聯劑溶液充分混合；將陶瓷粉體、纖維材料、和助燒劑和過硫酸銨引發劑溶液充分混合；將上述含有交聯劑和引發劑的陶瓷泥料分別由兩條管路供給混流管充分混合，由3D打印機的打印頭擠出；打印頭按照異型件的截面數據運動，在交聯劑和引發劑的聚合反應作用下，陶瓷漿料凝固成型，獲得陶瓷異型件坯體；在數控加工中心上對陶瓷異型件坯體進行表面修整；進行脫脂和燒結，獲得纖維增強陶瓷異型件。使用該方法可以避免3D打印技術中的光固化或加熱等復雜的復雜工藝，實現表面質量優良，近凈尺寸的纖維增強陶瓷異型件的快速制造。

技術領域

本發明涉及一種纖維增強陶瓷異型件成型方法。特別是涉及一種基于凝膠注模3D打印的纖維增強陶瓷異型件成型方法。

背景技術

工程陶瓷材料由于其優秀的機械性能、透波性能以及生物相容性等，在國防、空天、智能終端以及醫療等領域得到了廣泛應用。然而由于其脆性較大，抗機械和熱沖擊性能不佳，工程陶瓷在上述領域的應用還有待進一步擴展。通過向陶瓷基體中添加纖維，增強陶瓷的強度和韌性，受到了研究人員的廣泛關注。目前，纖維編織體增強陶瓷應用較多，在一定程度上改善了工程陶瓷的抗沖擊性能，然而其纖維編織工藝復雜，制備周期偏長，導致其成本極高。短纖維增強陶瓷無需復雜的纖維編織工藝，制備相對簡單，可望取代纖維編織體增強陶瓷。不僅如此，上述領域應用的工程陶瓷零件外形多為不規則曲面，常規方法制備的陶瓷工件還需要進行去除量很大的磨削修形工作，對工程陶瓷材料造成了很大的浪費。

3D打印技術又稱增材制造技術，是一種新興先進制造技術。3D打印技術以金屬、陶瓷和塑料等為材料，通過材料的逐層打印，可以實現快速成型，無需設計開發模具，因此可以縮短產品的設計和生產周期，大幅降低研制成本。3D打印技術收到世界范圍內的廣泛重視，但是目前打印材料種類有待進一步豐富，并且常規3D打印成型的材料性能較差，打印質量有待進一步提高。陶瓷材料的直接成型技術是3D打印技術的研究熱點和重要發展方向。光固化或熔融沉積成型可以將增強纖維和陶瓷泥料進行打印并制備成陶瓷坯體，但是需要額外的光固化或者加熱裝置，工藝較為復雜。此外，對于工程陶瓷而言，其特定的陶瓷粉體屬于瘠性材料，粘度、塑性和分散性較差，導致其無法直接用于3D打印。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種無需額外光固化或者加熱工藝的基于凝膠注模 3D打印的纖維增強陶瓷異型件成型方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于凝膠注模3D打印的纖維增強陶瓷異型件成型方法，包括如下步驟：

1)將陶瓷粉體材料和增強纖維材料混合后，在球磨機中攪拌混合均勻，得到纖維增強陶瓷材料；

2)配制聚丙烯酰胺溶液，并向聚丙烯酰胺溶液中分別加入潤濕分散劑和消泡劑，然后將獲得的纖維增強陶瓷材料以及助燒劑加入所述的溶液中，在分散機中混合均勻，獲得纖維增強陶瓷交聯劑泥料；

3)配制過硫酸銨溶液，并向過硫酸銨溶液中加入潤濕分散劑和消泡劑，然后將獲得的纖維增強陶瓷材料以及助燒劑加入所述的溶液中，在分散機中混合均勻，獲得纖維增強陶瓷引發劑泥料；

4)使用三維建模軟件設計異型件的3D模型，并將3D模型轉換為分層路徑文件，導入 3D打印機；

5)將步驟2)和步驟3)獲得的纖維增強陶瓷交聯劑泥料和纖維增強陶瓷引發劑泥料由兩條管路供給混流管充分混合，混合后的陶瓷泥料供給打印頭，氣泵通入壓縮氣體，提供均勻壓強，打印頭將混合后的陶瓷泥料均勻擠出；

6)打印頭根據分層路徑文件按照異型件的3D模型當前層的輪廓數據進行平面二維運動，陶瓷泥料在聚丙烯酰胺和過硫酸銨的聚合反應作用下凝固，形成當前輪廓截面；

7)完成異型件的3D模型當前層的輪廓數據后，打印頭上升一個分層的厚度；