本發(fā)明涉及一種用于三維印刷（3DP）工藝快速成型粉體材料的制備方法，屬于快速成型的材料領(lǐng)域，特別涉及一種3DP工藝快速成型YAG透明陶瓷粉體材料的制備方法及3D打印成型。

背景技術(shù)：

YAG，是釔鋁石榴石的簡(jiǎn)稱，化學(xué)式為Y₃Al₅O₁₂，是由Y₂O₃和Al₂O₃反應(yīng)生成的一種復(fù)合氧化物，屬立方晶系，具有石榴石結(jié)構(gòu)。石榴石的晶胞可看作是十二面體、八面體和四面體的鏈接網(wǎng)。自1995 年Ikesue 采用固相反應(yīng)燒結(jié)法制備Nd:YAG 透明陶瓷, 并實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光輸出以來(lái)激光陶瓷以其制備周期短、易實(shí)現(xiàn)均勻和高濃度摻雜和設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)而獲得快速發(fā)展, 將逐步取代單晶成為下一代激光增益材料。各種離子(如Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Ho³⁺、Tm³⁺和Cr⁴⁺等)激活的YAG以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能而成為研究最廣、激光輸出效率最高的材料體系。高光學(xué)質(zhì)量YAG 基透明陶瓷的制備已成為先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

透明陶瓷中殘余氣孔、晶界雜質(zhì)及摻雜偏析是影響其光學(xué)質(zhì)量的主要因素。在固相反應(yīng)燒結(jié)法制備YAG 透明陶瓷過(guò)程中，直接干燥球磨漿料將導(dǎo)致納微米粉體的嚴(yán)重團(tuán)聚和不規(guī)則形狀，干燥粉體流動(dòng)性差，顆粒間摩擦力大，不利于后續(xù)成型過(guò)程，這種現(xiàn)象在制備大尺寸、復(fù)雜形狀和復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)顯得更為嚴(yán)重，并成為陶瓷燒結(jié)體中第二相和剩余氣孔的主要來(lái)源，還可能導(dǎo)致陶瓷坯體的不一致收縮，甚至開(kāi)裂。采用3D打印成型可以克服上述缺點(diǎn)，并使產(chǎn)品的精度提高等優(yōu)點(diǎn)。

3D打印是通過(guò)模型設(shè)計(jì)和打印設(shè)備把材料逐層堆積成型為三維產(chǎn)品的技術(shù)，又稱作增材制造。3D打印融合了數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多前沿領(lǐng)域，是“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)之一。3D打印技術(shù)已在航空航天、生物醫(yī)藥、建筑、工藝品制造等領(lǐng)域逐步拓寬，其方便快捷、提高材料利用率等優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)，不斷推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3D打印材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著3D打印的泛用性，也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸。3D打印材料的種類已從最初的高分子材料（ABS、PLA、PC、PVC、光敏樹(shù)脂）拓展到金屬（各種合金，應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等高端領(lǐng)域）、陶瓷（各種無(wú)機(jī)非金屬材料）等。根據(jù)成型原理，3D打印用材被限定為粉體狀、絲狀、層片狀、液體狀，它們各自的適應(yīng)不同的3D打印方式。3D打印粉體材料適用三維印刷工藝（3DP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS），目前關(guān)于3D打印用粉體材料的制備方法也有相關(guān)報(bào)道，中國(guó)專利201510125390X公開(kāi)一種3D打印二氧化鋯粉體成型材料的制備方法；中國(guó)專利2015101260246公開(kāi)了一種3D打印快速成型鋯鋁碳陶瓷粉體材料的制備，由于無(wú)機(jī)非金屬材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有廣泛應(yīng)用，其在3D打印領(lǐng)域里的需求量會(huì)迅猛增加，因此，選擇性激光燒結(jié)3D打印無(wú)機(jī)非金屬粉體材料實(shí)現(xiàn)商品化具有十分重要意義和廣闊的市場(chǎng)。

三維印刷（3DP）工藝，就是今天的3D打印，是美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請(qǐng)了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的，而是通過(guò)噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理。具體工藝過(guò)程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離（等于層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過(guò)程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。但這種成型工藝也有一定的局限性，膠粘劑的用量大，不好控制，膠粘劑容易堵塞噴頭。

本發(fā)明通過(guò)對(duì)YAG透明陶瓷粉體材料進(jìn)行造粒，將高分子的膠粘劑涂層到造粒YAG透明陶瓷粉體材料表面，得到的涂層后YAG透明陶瓷粉體材料可以直接采用3DP成型。成型過(guò)程中不需要噴灑膠粘劑，只需要噴灑少量的溶劑即可。優(yōu)點(diǎn)是膠粘劑用量大大減少，防止噴頭堵塞，在后續(xù)煅燒過(guò)程中減少環(huán)境污染，產(chǎn)品的品質(zhì)高。本申請(qǐng)的工藝制備的粉體材料粒徑均勻，球形度高，流動(dòng)性好，適合3DP工藝3D打印成型。此外，本專利提供的方法簡(jiǎn)單，成本低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目是提供一種3DP工藝快速成型YAG透明陶瓷粉體材料的制備方法，快速成型粉體在噴灑溶劑可直接三維印刷快速成型；

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種3DP工藝快速成型YAG透明陶瓷粉體材料的制備方法，其特征在于，該方法具有以下工藝步驟：

（1）YAG透明陶瓷粉體預(yù)處理：將YAG透明陶瓷粉體干燥，研磨，過(guò)篩，粒徑控制在0.1~5μm范圍內(nèi)，得到預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體；

（2）造粒YAG透明陶瓷粉體制備：在反應(yīng)器中，按質(zhì)量百分比加入，水：52%~56%，水溶性脲醛樹(shù)脂：0.2%~1.5%，可溶性淀粉： 0.2%~1.5%，加熱溶解，六偏磷酸鈉：0.1%~1.0%，攪拌溶解，再加入預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體：42%~46%，各組分之和為百分之百，強(qiáng)力攪拌、反應(yīng)5~7h，然后噴霧干燥，得到造粒YAG透明陶瓷粉體，其粒徑在40~100μm范圍內(nèi)；

（3）激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的制備：在攪拌機(jī)中，按質(zhì)量百分比加入，造粒YAG透明陶瓷粉體：85%~92%，硬脂酸鋅：0.5%~1.5%，偏苯三酸酐：0.2%~1.0%，開(kāi)啟攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30min，加熱使溫度達(dá)到160~180℃，在攪拌下，加入ABS樹(shù)脂：2%~8%，熱塑性酚醛樹(shù)脂：2%~8%，各組分之和為百分之百，在350轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌至溫度降到室溫，得到激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體，所得到的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的粒徑為40~120μm的范圍內(nèi)。

在步驟（2）中所述的噴霧干燥，進(jìn)風(fēng)口溫度控制在100℃，出風(fēng)口溫度控制在90℃，進(jìn)風(fēng)流量200m³/h。

在步驟（2）中所述的水溶性脲醛樹(shù)脂與可溶性淀粉的質(zhì)量比在1：0.8~1.2之間最優(yōu)。

在步驟（2）中所述的水溶性脲醛樹(shù)脂與六偏磷酸鈉的質(zhì)量比在1：0.09~0.11之間最優(yōu)

在步驟（3）中所述的ABS樹(shù)脂與熱塑性酚醛樹(shù)脂的質(zhì)量比在1：0.9~1.1之間最優(yōu)。

在步驟（3）中所述的熱塑性酚醛樹(shù)脂與偏苯三酸酐的質(zhì)量比在1：0.09~0.11之間最優(yōu)。

本發(fā)明所述的顆粒度測(cè)試方法是采用激光粒度儀測(cè)得的粒度當(dāng)量直徑尺寸。

本發(fā)明的另一目的是提供激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料在3D打印機(jī)上成型的應(yīng)用，特點(diǎn)為：將激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料加入到供粉缸中，噴頭內(nèi)裝入溶劑N,N-二甲基甲酰胺。具體工藝過(guò)程如下：噴頭噴灑N,N-二甲基甲酰胺于激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料上，材料表面的膠粘劑溶解使其粘結(jié)，上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離（等于層厚：0.010～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射溶劑N,N-二甲基甲酰胺建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射N,N-二甲基甲酰胺，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射N,N-二甲基甲酰胺的地方為干粉，在成形過(guò)程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

（1）本發(fā)明獲得的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料，不需要噴灑粘結(jié)劑，噴頭只噴灑溶劑可直接成型，使膠粘劑用量大大降低，提高產(chǎn)品的品質(zhì)高，同時(shí)防止噴頭堵塞。

（2）本發(fā)明獲得的本發(fā)明獲得的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料，顆粒的粒徑均勻，球形度高，流動(dòng)性好，適合3DP工藝3D打印成型；由這種快速成型粉末材料可以制造薄壁模型或微小零部件及工藝品，制造出產(chǎn)品具有表面光澤度高，精度高等特點(diǎn)。

（3）本發(fā)明獲得的本發(fā)明獲得的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單，條件易于控制，生產(chǎn)成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)，又具有低碳環(huán)保和節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

（1）YAG透明陶瓷粉體預(yù)處理：將YAG透明陶瓷粉體干燥，研磨，過(guò)篩，粒徑控制在0.1~5μm范圍內(nèi)，得到預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體；

（2）造粒YAG透明陶瓷粉體制備：在反應(yīng)器中，分別加入，水：5400mL，水溶性脲醛樹(shù)脂：50g，可溶性淀粉： 50g，加熱溶解，六偏磷酸鈉：20g，攪拌溶解，再加入預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體：4500g，強(qiáng)力攪拌、反應(yīng)6h，然后噴霧干燥，得到造粒YAG透明陶瓷粉體，其粒徑在40~100μm范圍內(nèi)；

（3）激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的制備：在攪拌機(jī)中，分別加入，造粒YAG透明陶瓷粉體：880g，硬脂酸鋅：6g，偏苯三酸酐：4g，開(kāi)啟攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30min，加熱使溫度達(dá)到160~180℃，在攪拌下，加入ABS樹(shù)脂：50g，熱塑性酚醛樹(shù)脂：60g，在350轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌至溫度降到室溫，得到激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體，所得到的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的粒徑為40~120μm的范圍內(nèi)。

實(shí)施例2

（1）YAG透明陶瓷粉體預(yù)處理：將YAG透明陶瓷粉體干燥，研磨，過(guò)篩，粒徑控制在0.1~5μm范圍內(nèi)，得到預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體；

（2）造粒YAG透明陶瓷粉體制備：在反應(yīng)器中，分別加入，水：5200mL，水溶性脲醛樹(shù)脂：100g，可溶性淀粉： 100g，加熱溶解，六偏磷酸鈉：40g，攪拌溶解，再加入預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體：4600g，強(qiáng)力攪拌、反應(yīng)5h，然后噴霧干燥，得到造粒YAG透明陶瓷粉體，其粒徑在40~100μm范圍內(nèi)；

（3）激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的制備：在攪拌機(jī)中，分別加入，造粒YAG透明陶瓷粉體：90g，硬脂酸鋅：0.5g，偏苯三酸酐：0.5g，開(kāi)啟攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30min，加熱使溫度達(dá)到160~180℃，在攪拌下，加入ABS樹(shù)脂：4g，熱塑性酚醛樹(shù)脂：5g，在350轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌至溫度降到室溫，得到激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體，所得到的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的粒徑為40~120μm的范圍內(nèi)。

實(shí)施例3

（1）YAG透明陶瓷粉體預(yù)處理：將YAG透明陶瓷粉體干燥，研磨，過(guò)篩，粒徑控制在0.1~5μm范圍內(nèi)，得到預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體；

（2）造粒YAG透明陶瓷粉體制備：在反應(yīng)器中，分別加入，水：5600mL，水溶性脲醛樹(shù)脂：80g，可溶性淀粉： 80g，加熱溶解，六偏磷酸鈉：10g，攪拌溶解，再加入預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體：4300g，強(qiáng)力攪拌、反應(yīng)7h，然后噴霧干燥，得到造粒YAG透明陶瓷粉體，其粒徑在40~100μm范圍內(nèi)；

（3）激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的制備：在攪拌機(jī)中，分別加入，造粒YAG透明陶瓷粉體：170g，硬脂酸鋅：3g，偏苯三酸酐：3g，開(kāi)啟攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30min，加熱使溫度達(dá)到160~180℃，在攪拌下，加入ABS樹(shù)脂：12g，熱塑性酚醛樹(shù)脂：12g，在350轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌至溫度降到室溫，得到激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體，所得到的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的粒徑為40~120μm的范圍內(nèi)。

實(shí)施例4

（1）YAG透明陶瓷粉體預(yù)處理：將YAG透明陶瓷粉體干燥，研磨，過(guò)篩，粒徑控制在0.1~5μm范圍內(nèi)，得到預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體；

（2）造粒YAG透明陶瓷粉體制備：在反應(yīng)器中，分別加入，水：5000mL，水溶性脲醛樹(shù)脂：60g，可溶性淀粉： 60g，加熱溶解，六偏磷酸鈉：60g，攪拌溶解，再加入預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體：4800g，強(qiáng)力攪拌、反應(yīng)6.5h，然后噴霧干燥，得到造粒YAG透明陶瓷粉體，其粒徑在40~100μm范圍內(nèi)；

（3）激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的制備：在攪拌機(jī)中，分別加入，造粒YAG透明陶瓷粉體：860g，硬脂酸鋅：10g，偏苯三酸酐：10g，開(kāi)啟攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30min，加熱使溫度達(dá)到160~180℃，在攪拌下，加入ABS樹(shù)脂：50g，熱塑性酚醛樹(shù)脂：70g，在350轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌至溫度降到室溫，得到激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體，所得到的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的粒徑為40~120μm的范圍內(nèi)。

實(shí)施例5

（1）YAG透明陶瓷粉體預(yù)處理：將YAG透明陶瓷粉體干燥，研磨，過(guò)篩，粒徑控制在0.1~5μm范圍內(nèi)，得到預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體；

（2）造粒YAG透明陶瓷粉體制備：在反應(yīng)器中，分別加入，水：25000mL，水溶性脲醛樹(shù)脂：300g，可溶性淀粉：300g，加熱溶解，六偏磷酸鈉：100g，攪拌溶解，再加入預(yù)處理YAG透明陶瓷粉體：25000g，強(qiáng)力攪拌、反應(yīng)5.5h，然后噴霧干燥，得到造粒YAG透明陶瓷粉體，其粒徑在40~100μm范圍內(nèi)；

（3）激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的制備：在攪拌機(jī)中，分別加入，造粒YAG透明陶瓷粉體：450g，硬脂酸鋅：2.5g，偏苯三酸酐：3.0g，開(kāi)啟攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在300轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌30min，加熱使溫度達(dá)到160~180℃，在攪拌下，加入ABS樹(shù)脂：35g，熱塑性酚醛樹(shù)脂：15g，在350轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌至溫度降到室溫，得到激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體，所得到的激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體的粒徑為40~120μm的范圍內(nèi)。

實(shí)施例6

使用方法：將激光燒結(jié)3D打印成型YAG透明陶瓷粉體材料加入到三維印刷成型3D打印機(jī)的供粉缸中，噴頭中加入N,N-二甲基甲酰胺。具體工藝過(guò)程如下：從噴頭噴射溶劑N,N-二甲基甲酰胺，將粉體材料表面的膠粘劑溶解，使粉體粘結(jié)在一起，上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離（等于層厚：0.010～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射溶劑N,N-二甲基甲酰胺建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射N,N-二甲基甲酰胺，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射N,N-二甲基甲酰胺的地方為干粉，在成形過(guò)程中起支撐作用，且成形結(jié)束后易去除。