[發明專利]一種陶瓷基復合材料3D打印成型裝置和打印成型方法

有效

• 申請號: 202010645690.1
• 申請日: 2020-07-07
• 公開（公告）號: CN111805687B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 熊志偉;廖文和;張凱;劉婷婷;鄒志永;閆志隆;陳丹;顧明飛;陳香媛
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B28B1/00
• 分類號: B28B1/00;B28B11/24;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/20;B33Y50/02;B33Y70/10;D01D5/00
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 陳月菊

1.一種陶瓷基復合材料3D打印成型裝置，其特征在于，所述裝置包括機架、纖維紡絲系統、鋪料系統、固化成型系統和控制單元；

所述固化成型系統包括激光掃描機構、成型平臺、成型缸和Z軸升降機構；所述激光掃描機構位于成型平臺的上方；所述成型平臺安裝在成型缸頂部，與Z軸升降機構連接并可隨Z軸升降機構做間歇性Z軸上下線性運動；

所述纖維紡絲系統包括纖維聚合物料盒、纖維噴頭、滑塊、X-Y平面運動機構和高壓電源；所述聚合物料盒與纖維噴頭互相連接并且均固定在滑塊上，滑塊安裝在X-Y平面運動機構上并可沿X方向滑動；所述高壓電源與控制單元電連接，用于根據控制單元的控制指令在纖維噴頭與成型平臺之間施加高壓電場，使纖維聚合物料盒內的連續纖維材料采用靜電紡絲技術經由纖維噴頭鋪設在成型平臺上；

所述鋪料系統包括相互連接的基體材料料盒和基體材料噴頭；基體材料料盒和基體材料噴頭均安裝在滑塊上與聚合物料盒相鄰位置；所述控制單元與基體材料噴頭連接，通過控制材料進給量，使基體材料料盒內的基體材料經基體材料噴頭鋪設在成型平臺上，并包裹預鋪設的連續纖維材料；

所述聚合物料盒與基體材料料盒中材料的擠出由壓縮空氣或機械傳動驅動；

所述的X-Y平面運動機構、高壓電源、激光掃描機構、成型缸、Z軸升降機構均安裝在機架上；所述控制單元分別通過控制線路控制：(1)纖維噴頭、基體材料噴頭的運動路徑，(2)連續纖維材料和基體材料的擠出速率，(3)高壓電源的供給量，(3)成型平臺的升降路徑，(5)激光掃描機構的掃描固化路徑；

所述激光掃描機構的光源波長范圍為350-460nm。

2.一種基于權利要求1所述的陶瓷基復合材料3D打印成型裝置的打印成型方法，其特征在于，所述打印成型方法包括：

S1，將需要制備的零件三維模型導入切片軟件中，設置包括分層厚度、纖維填充率、掃描速率在內的加工參數，得到零件三維模型的分層數據和對應的切片數據；

所述分層厚度為20-300um；

S2，將成型平臺歸零，設i＝1，零件三維模型的總層數為n；

S3，調取第i個分層的分層數據；

S4，驅使高壓電源在纖維噴頭與成型平臺之間施加高壓電場，同時X-Y平面運動機構帶動纖維噴頭在成型平臺上方按照當前調取的分層數據運動，使纖維聚合物料盒內的連續纖維材料在電場作用下，生成納米連續纖維并鋪設在成型平臺上，形成連續纖維層，連續纖維層的厚度不大于當前分層厚度的3/4；所述連續纖維材料包括高分子連續纖維材料或陶瓷陶瓷纖維材料；

所述連續纖維層的鋪設厚度為20-200um；

S5，驅使X-Y平面運動機構帶動基體材料噴頭在成型平臺上根據當前調取的切片數據運動，同時控制單元控制材料進給量，使基體材料料盒內的基體材料經基體材料噴頭在成型平臺上按照對應的切片數據均勻鋪設，形成包裹步驟S2中預鋪設的連續纖維層的基體層，基體層的厚度為切片厚度；

S6，驅使激光掃描機構按照當前調取的分層數據掃描光固化基體材料，使得基體材料由液態轉化為固態，同時，將預鋪設的連續纖維粘接在基體材料中，完成單層纖維增強復合材料的固化成型；

S7，基板下降一個分層厚度的距離，i＝i+1,重復步驟S3-S6,直至i達到n+1，最終得到連續纖維增強復合材料制件；

S8，對連續纖維增強復合材料制件進行后處理，得到連續纖維增強聚合物制件或陶瓷纖維增強陶瓷基復合材料。

3.根據權利要求2所述的打印成型方法，其特征在于，步驟S8中，所述對連續纖維增強復合材料制件進行后處理的過程包括以下步驟：

對連續纖維增強復合材料制件依次執行清洗、脫脂、燒結工序，其中脫脂溫度不高于800℃，脫脂過程升溫速率為0.1-1℃/min，燒結溫度為1000-1800℃，燒結后連續纖維前驅體轉化為連續陶瓷纖維，陶瓷前驅體轉化為陶瓷基體，最終得到連續纖維增強陶瓷基復合材料。