一種二氧化鋯粉料的3d打印方法、設(shè)備及粘結(jié)劑噴射裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二氧化鋯粉料的3D打印方法，包含以下步驟：(1)將要打印的產(chǎn)品的三維模型進行切片分層，形成多層的輪廓信息；(2)鋪設(shè)一層二氧化鋯粉料，用噴頭按照設(shè)定的程序移動噴射含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，將二氧化鋯粉料粘結(jié)，從而形成一層部件的輪廓；(3)在已成形的輪廓基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層新的二氧化鋯粉末，之后再進行粘結(jié)劑的噴射，以此方式逐層疊加，形成三維的坯體；(4)對坯體進行脫脂燒結(jié)及表面處理獲得最終產(chǎn)品。在此還公開了用于該3D打印方法的粘結(jié)劑噴射裝置以及具有該粘結(jié)劑噴射裝置的3D打印設(shè)備。本發(fā)明有利于得到致密度高的3D打印產(chǎn)品并降低成本。
【專利說明】
一種二氧化鋯粉料的3D打印方法、設(shè)備及粘結(jié)劑噴射裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種二氧化鋯粉料的3D打印方法、設(shè)備及粘結(jié)劑噴射裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鋯是一種重要的陶瓷材料，具有高電阻率、高熔點、高折射率和低熱膨脹系數(shù)等性質(zhì)，已經(jīng)被作為耐高溫材料、陶瓷絕緣材料等得到廣泛應(yīng)用。二氧化鋯這類陶瓷材料也可以通過3D打印技術(shù)來成型，可用于制作具有結(jié)構(gòu)復雜、小批量需求的產(chǎn)品。目前能夠進行陶瓷材料3D打印的技術(shù)主要是陶瓷粉末的噴射粘結(jié)技術(shù)。其主要是利用噴頭噴射粘結(jié)劑，將陶瓷粉末層層粘結(jié)、疊加形成三維的粘結(jié)坯體，然后再進行脫脂燒結(jié)及表面處理以獲得最終陶瓷制件。然而這種工藝也存在著一些問題，主要是松散的粉末是靠粘結(jié)劑來粘結(jié)在一起，粘結(jié)坯體本身的致密度較低，結(jié)構(gòu)松散，強度也較低。這就會導致坯體燒結(jié)過程中收縮率大，精度和致密度不高。因此提高粘結(jié)坯體的致密度對于獲得精度、致密度、強度較尚的廣品至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二氧化鋯粉料的3D打印方法、用于該3D打印方法的粘結(jié)劑噴射裝置以及具有該粘結(jié)劑噴射裝置的3D打印設(shè)備。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]—種二氧化鋯粉料的3D打印方法，包含以下步驟:
[0006](I)將要打印的產(chǎn)品的三維模型進行切片分層，形成多層的輪廓信息；
[0007](2)鋪設(shè)一層二氧化鋯粉料，用噴頭按照設(shè)定的程序移動噴射含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，將二氧化鋯粉料粘結(jié)，從而形成一層部件的輪廓；
[0008](3)在已成形的輪廓基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層新的二氧化鋯粉末，之后再進行粘結(jié)劑的噴射，以此方式逐層疊加，形成三維的坯體；
[0009](4)對坯體進行脫脂燒結(jié)及表面處理獲得最終產(chǎn)品。
[0010]進一步地:
[0011 ]所述氫氧化鋯納米顆粒由鋯鹽水溶液與氨水反應(yīng)獲得并添加到粘結(jié)劑液體中分散均勻，以得到所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體;優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑液體為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液;優(yōu)選地，所述鋯鹽為氧氯化鋯。
[0012]在打印的同時，通過連接所述噴頭的相應(yīng)輸液通道分別添加鋯鹽水溶液、氨水、粘結(jié)劑液體，優(yōu)選還通過相應(yīng)輸液通道進一步添加助劑，使幾種液體最終匯聚于一處，生成所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，并通過所述噴頭噴射。
[0013]還通過攪拌裝置對匯聚在一起的液體施加攪拌。通過攪拌裝置對鋯鹽水溶液、氨水施加攪拌，可加速其發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鋯納米顆粒。匯聚的幾種液體在攪拌裝置的攪拌下，生成所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體。所述氫氧化鋯納米顆粒的粒徑在10-500納米，優(yōu)選50-320納米，所述氫氧化鋯納米顆粒在粘結(jié)劑液體中所占的重量百分比不低于 10% ο
[0014]—種用于所述的3D打印方法的粘結(jié)劑噴射裝置，所述噴射裝置包括噴射裝置主體和噴頭，所述噴射裝置主體上設(shè)置有鋯鹽水溶液輸液通道、氨水輸液通道、主流道以及粘結(jié)劑溶液輸液通道，所述鋯鹽水溶液輸液通道與所述氨水輸液通道交匯于所述主流道的上端，所述粘結(jié)劑溶液輸液通道交匯于所述主流道的中段，所述主流道的下端連接所述噴頭。
[0015]所述噴射裝置主體上還設(shè)置有稀釋液輸液通道，所述稀釋液輸液通道在所述主流道上的交匯口設(shè)置于所述主流道的上端與所述粘結(jié)劑溶液輸液通道在所述主流道上的交匯口之間。
[0016]所述主流道中設(shè)置有攪拌裝置。
[0017]各輸液通道上設(shè)置有流量控制閥，或者各輸液通道上安裝有輸液管，所述輸液管上設(shè)置有流量控制閥。
[0018]一種3D打印設(shè)備，包括所述的粘結(jié)劑噴射裝置。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
[0020]本發(fā)明的3D打印方法中，先鋪設(shè)一層二氧化鋯粉料，然后用噴頭噴射含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，將二氧化鋯粉料粘結(jié)，從而形成一層部件的輪廓;在已成形的輪廓基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層新的二氧化鋯粉末，之后再進行粘結(jié)劑的噴射，以此方式逐層疊加，形成三維的坯體。通過含有氫氧化鋯納米顆粒(其可通過液體化學反應(yīng)方式制備)的粘結(jié)劑液體為載體，使氫氧化鋯納米顆粒作為成型粉料的填充物，相對于其他方法如氣霧化、真空霧化等制備的納米顆粒，具有顯著的低成本優(yōu)勢，適合于規(guī)?；a(chǎn)。在進行噴射粘結(jié)時，氫氧化鋯納米顆粒能夠分散到成型粉料的間隙中起到填充間隙的作用，有利于得到致密度高的坯體。并且，在坯體后續(xù)的燒結(jié)過程中，處于成型粉料間隙中的氫氧化鋯納米顆粒可以分解為二氧化鋯，與成型粉料同相，經(jīng)過燒結(jié)與成型粉料成為一體，填充間隙，有利于得到獲得高致密度的部件。
[0021]采用本發(fā)明的粘結(jié)劑噴射裝置，可實現(xiàn)在打印的過程中同步進行粘結(jié)劑的配置、輸送、噴射，能夠避免常規(guī)含有納米顆粒的液體的顆粒沉降等不穩(wěn)定現(xiàn)象，實現(xiàn)對粘結(jié)劑液體配方的實時控制、改動，從而有利于對3D打印過程的靈活控制。此外還能夠提高3D打印的自動化程度、提高生產(chǎn)效率。具體來說:1、含有納米顆粒的液體通常不太穩(wěn)定，放置后會出現(xiàn)顆粒沉降的現(xiàn)象，進行3D打印時會影響其使用性能。本發(fā)明的裝置可以實現(xiàn)在進行3D打印的同時，同步進行納米分散液粘結(jié)劑的實時配置、輸送、噴射，從而避免了上述問題。2、該噴射裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對粘結(jié)劑液體配方的實時控制、改動，從而有利于對3D打印過程的靈活控制。3、能夠提高3D打印的自動化程度，且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明一種實施例的粘結(jié)劑噴射裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0024]在一種實施例中，一種二氧化鋯粉料的3D打印方法，包含以下步驟:
[0025](I)將要打印的產(chǎn)品的三維模型進行切片分層，形成多層的輪廓信息；
[0026](2)鋪設(shè)一層二氧化鋯粉料，用噴頭按照設(shè)定的程序移動噴射含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，將二氧化鋯粉料粘結(jié)，從而形成一層部件的輪廓；
[0027](3)在已成形的輪廓基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層新的二氧化鋯粉末，之后再進行粘結(jié)劑的噴射，以此方式逐層疊加，形成三維的坯體；
[0028](4)對坯體進行脫脂燒結(jié)及表面處理獲得最終產(chǎn)品。
[0029]在優(yōu)選的實施例中，所述氫氧化鋯納米顆粒由鋯鹽水溶液與氨水反應(yīng)獲得并添加到粘結(jié)劑液體中分散均勻，以得到所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體。
[0030]優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑液體為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液。
[0031]優(yōu)選地，所述鋯鹽為氧氯化鋯。
[0032]在優(yōu)選的實施例中，在打印的同時，通過連接所述噴頭的不同輸液通道添加鋯鹽水溶液、氨水、粘結(jié)劑液體，優(yōu)選還通過輸液通道添加助劑，使幾種液體最終匯聚于一處，生成所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，并通過所述噴頭噴射。在更優(yōu)選的實施例中，還通過攪拌裝置對匯聚在一起的液體施加攪拌。通過攪拌裝置對鋯鹽水溶液、氨水施加攪拌，可加速其發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鋯納米顆粒。匯聚的幾種液體在攪拌裝置的攪拌下高效生成所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，并通過所述噴頭噴射。在優(yōu)選的實施例中，所述氫氧化錯納米顆粒的粒徑在10-500納米，優(yōu)選50-320納米，所述氫氧化錯納米顆粒在粘結(jié)劑液體中所占的重量百分比不低于10%。
[0033]在優(yōu)選的實施例中，噴射成型參數(shù)按照以下配置:層厚設(shè)定為0.1毫米，粘結(jié)劑噴射量(定義為粉末間隙中，溶液所占體積與孔隙體積之比)為80%，噴射掃描速度為0.6m/s，掃描間距為0.4mm。
[0034]如圖1所示，在另一種實施例中，一種用于所述的3D打印方法的粘結(jié)劑噴射裝置，所述噴射裝置包括噴射裝置主體I和噴頭2，所述噴射裝置主體上設(shè)置有主流道3、鋯鹽水溶液輸液通道4、氨水輸液通道5以及粘結(jié)劑溶液輸液通道6，所述錯鹽水溶液輸液通道4與所述氨水輸液通道5交匯于所述主流道3的上端，所述粘結(jié)劑溶液輸液通道6交匯于所述主流道3的中段，所述主流道3的下端連接所述噴頭2。
[0035]所述噴射裝置主體I上還設(shè)置有稀釋液輸液通道7，所述稀釋液輸液通道7在所述主流道3上的交匯口設(shè)置于所述主流道3的上端與所述粘結(jié)劑溶液輸液通道6在所述主流道3上的交匯口之間。
[0036]所述主流道3中設(shè)置有攪拌裝置8。
[0037]各輸液通道上設(shè)置有流量控制閥9，或者各輸液通道上安裝有輸液管10，所述輸液管10上設(shè)置有流量控制閥9。
[0038]在另一種實施例中，一種3D打印設(shè)備，其可包括前述任一實施例的粘結(jié)劑噴射裝置。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，一種二氧化鋯粉料的3D打印方法，包含以下步驟:
[0040]1.將要打印的部件的三維模型進行切片分層，形成多層的輪廓信息。
[0041 ] 2.鋪設(shè)一層二氧化鋯粉料，用噴頭按照設(shè)定的程序移動噴射含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，將二氧化鋯粉料粘結(jié)住，從而形成一層部件的輪廓。氫氧化鋯納米顆粒由鋯鹽水溶液與氨水反應(yīng)獲得，成本較低。其中氫氧化鋯納米顆粒的粒徑在10-500納米范圍內(nèi)，氫氧化鋯納米顆粒在粘結(jié)劑中所占的重量比重不低于10%。
[0042]3.在已成形的輪廓基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層新的二氧化鋯粉末，之后再進行粘結(jié)劑的噴射，以此方式逐層疊加，形成三維的部件粘結(jié)坯體。
[0043]4.對坯體進行脫脂燒結(jié)及表面處理獲得最終產(chǎn)品。打印完成的粘結(jié)坯體燒結(jié)溫度不低于1300°C，以獲得高致密度的燒結(jié)產(chǎn)品。
[0044]含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體可通過以下兩種方式進行制備和噴射:
[0045](I)由錯鹽水溶液與氨水反應(yīng)獲得，過濾清洗后添加到粘結(jié)劑液體中，分散均勻后再添加到噴頭中進行噴射。
[0046]涉及到的反應(yīng)如下:Zr4++40H>Zr(0H)4丄
[0047](2)對噴射裝置進行改造，添加液體輸送管道，可以在打印的同時通過攪拌裝置對鋯鹽水溶液與氨水這兩種液體施加攪拌，以加速其發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鋯納米顆粒。還通過其它輸液通道添加粘結(jié)劑液體，優(yōu)選還添加助劑，使幾種液體最終匯聚于一處，在攪拌裝置的攪拌下生成所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，并通過所述噴頭噴射。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，一種二氧化鋯粉料的3D打印粘結(jié)劑噴射裝置，包含噴射裝置主體、攪拌裝置、主流道、四個輸液通道、帶有流量控制閥的四個輸液管、以及噴頭。四個輸液管安裝在四個輸液通道中。四個輸液通道交匯于主流道，主流道與噴頭相連接。各種反應(yīng)液體、粘結(jié)劑液體通過各個輸液管輸送到輸液管道中，并交匯于主流道中。液體的輸入量可由流量控制閥進行控制。攪拌裝置安裝于主流道中，能夠?qū)ζ渲薪粎R的幾種混合液體進行攪拌。攪拌后的混合液體通過主流道進入噴頭之中，可以由計算機控制進行噴射。
[0049]工作方式:氧氯化鋯水溶液和氨水分別通過各自的輸液管、輸液通道輸送到主流道中發(fā)生交匯，輸入量由流量控制閥控制，兩種液體在攪拌裝置的攪拌下發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鋯納米顆粒沉淀，伴隨液體向下流動。通過稀釋液輸液管輸入純凈水，對上述反應(yīng)液進行稀釋，再通過粘結(jié)劑溶液輸液管輸入高分子粘結(jié)劑溶液，與含有氫氧化鋯納米顆粒的液體進行混合攪拌，形成含有氫氧化鋯納米顆粒的高分子粘結(jié)劑溶液，最后通過噴頭噴射到成型粉料中。納米顆粒起到填充粉料間隙、提高坯體致密度的作用。
[0050]上述噴射裝置可以接入到3D打印機之中，由計算機控制噴射裝置的位移和噴射動作，從而實現(xiàn)精準噴射。
[0051 ] 實例
[0052] 二氧化鋯試樣的3D打印。采用含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑和不含納米顆粒的常規(guī)粘結(jié)劑分別做二氧化錯試樣。試樣的尺寸為I Omm X 5mm X 2mm。
[0053 ]微噴射成型采用的粘結(jié)劑為:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液，PVP型號K30，質(zhì)量分數(shù)為8%。含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑成分與上述粘結(jié)劑相同，氫氧化鋯納米顆粒的質(zhì)量分數(shù)為15%。其中氫氧化鋯納米顆粒采用氧氯化鋯與氨水反應(yīng)，用純凈水洗滌、過濾后加入粘結(jié)劑中，顆粒直徑在50-320納米范圍內(nèi)。
[0054]成型粉料為類球形二氧化鋯，粒徑D50為32微米。
[0055]微噴射成型參數(shù):層厚設(shè)定為0.1毫米，粘結(jié)劑噴射量(定義為粉末間隙中，溶液所占體積與孔隙體積之比)為80%，噴射掃描速度為0.6m/s，掃描間距為0.4mm。
[0056]粘結(jié)坯體的燒結(jié)溫度為1550°C。
[0057]采用兩種粘結(jié)劑噴射成型的試樣燒結(jié)后性質(zhì)對比:
[0058]采用采用常規(guī)粘結(jié)劑的試樣:燒結(jié)致密度為55%，長度方向收縮率為14%。
[0059]采用含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑的試樣:燒結(jié)致密度為62%，長度方向收縮率為11%。
[0060]從以上結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明，即采用含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑進行微噴射成型，可以獲取相對具有更高燒結(jié)致密度和較小收縮率的二氧化鋯產(chǎn)品。
[0061]以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種二氧化鋯粉料的3D打印方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)將要打印的產(chǎn)品的三維模型進行切片分層，形成多層的輪廓信息； (2)鋪設(shè)一層二氧化鋯粉料，用噴頭按照設(shè)定的程序移動噴射含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，將二氧化鋯粉料粘結(jié)，從而形成一層部件的輪廓； (3)在已成形的輪廓基礎(chǔ)上再鋪設(shè)一層新的二氧化鋯粉末，之后再進行粘結(jié)劑的噴射，以此方式逐層疊加，形成三維的坯體； (4)對坯體進行脫脂燒結(jié)及表面處理獲得最終產(chǎn)品。2.如權(quán)利要求1所述的二氧化鋯粉料的3D打印方法，其特征在于，所述氫氧化鋯納米顆粒由鋯鹽水溶液與氨水反應(yīng)獲得并添加到粘結(jié)劑液體中分散均勻，以得到所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體;優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑液體為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液;優(yōu)選地，所述鋯鹽為氧氯化鋯。3.如權(quán)利要求1所述的二氧化鋯粉料的3D打印方法，其特征在于，在打印的同時，通過連接所述噴頭的輸液通道添加鋯鹽水溶液、氨水、粘結(jié)劑液體，優(yōu)選還通過連接所述噴頭的輸液通道添加助劑，使幾種液體最終匯聚于一處，生成所述含有氫氧化鋯納米顆粒的粘結(jié)劑液體，并通過所述噴頭噴射。4.如權(quán)利要求3所述的二氧化鋯粉料的3D打印方法，其特征在于，還通過攪拌裝置對匯聚在一起的液體施加攪拌。5.如權(quán)利要求1至4任一項所述的二氧化鋯粉料的3D打印方法，其特征在于，所述氫氧化錯納米顆粒的粒徑在10-500納米，優(yōu)選50-320納米，所述氫氧化錯納米顆粒在粘結(jié)劑液體中所占的重量百分比不低于10%。6.—種用于如權(quán)利要求1至5任一項所述的3D打印方法的粘結(jié)劑噴射裝置，其特征在于，所述噴射裝置包括噴射裝置主體和噴頭，所述噴射裝置主體上設(shè)置有鋯鹽水溶液輸液通道、氨水輸液通道、主流道以及粘結(jié)劑溶液輸液通道，所述鋯鹽水溶液輸液通道與所述氨水輸液通道交匯于所述主流道的上端，所述粘結(jié)劑溶液輸液通道交匯于所述主流道的中段，所述主流道的下端連接所述噴頭。7.如權(quán)利要求6所述的粘結(jié)劑噴射裝置，其特征在于，所述噴射裝置主體上還設(shè)置有稀釋液輸液通道，所述稀釋液輸液通道在所述主流道上的交匯口設(shè)置于所述主流道的上端與所述粘結(jié)劑溶液輸液通道在所述主流道上的交匯口之間。8.如權(quán)利要求6或7所述的粘結(jié)劑噴射裝置，其特征在于，所述主流道中設(shè)置有攪拌裝置。9.如權(quán)利要求6或7所述的粘結(jié)劑噴射裝置，其特征在于，各輸液通道上設(shè)置有流量控制閥，或者各輸液通道上安裝有輸液管，所述輸液管上設(shè)置有流量控制閥。10.—種3D打印設(shè)備，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至5任一項所述的粘結(jié)劑噴射裝置。
【文檔編號】C04B35/48GK105881695SQ201610364083
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】閆國棟, 王長明
【申請人】東莞勁勝精密組件股份有限公司