本發明涉及3D打印方法和工藝，尤其涉及一種多噴頭協同控制陶瓷粉末3D(3DP)成型方法。

背景技術：

3D打印技術從20世紀80年代出現開始，經過近30年的發展，技術越來越成熟，應用也越來越廣泛，越來越多的被用于模具制造、工業設計，生物醫療和航空航天等領域。3D打印工藝主要有LOM，3DP，SLA，FDM，SLS，SLM，EBM等；材料方面，應用較多的主要是高分子材料和金屬材料。高分子材料的主要有絲材、粉體和液態的光敏材料等，而在工業上應用更廣的是粉體材料，特別是基于熱成型的高能束3D打印，比如SLS采用激光束來燒結蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬等粉末。相比絲材，粉體材料具有打印效率更高，工藝更成熟，應用更廣泛的特點。近年來，更是出現了對陶瓷粉末的快速成型研究。使用快速成型的方法對陶瓷粉末進行成型，能成型許多傳統方法無法成型的形狀復雜、精度要求較高的陶瓷件，在各個行業均有著很大的潛力。

目前已有的陶瓷粉末成型方法主要有注射成型、壓制成型、激光燒結成型與光固化成型等。其中注射成型的可控固化是技術難點；壓制成型的缺點則在于密度分布的不均勻性和致密性低；激光燒結成型對于每一層的燒結要求較高，需要昂貴的高能束發生裝置，且工藝復雜。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種多噴頭協同控制陶瓷粉末3D成型方法。采用3D打印成型與燒結結合工藝，得到致密而力學性能良好的陶瓷件，克服了現有工藝加工的零件強度較低，只能做概念模型，而不能做功能性零件的技術問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種多噴頭協同控制陶瓷粉末3D成型方法，包括如下步驟：

步驟一：陶瓷粉末的配制步驟

陶瓷粉末經過預制，篩選出粒徑為20－50μm的陶瓷粉末顆粒，再按照比例混入粘結劑固體粉末，放入成型腔室中的成型缸內；

步驟二：零件坯體3D打印步驟

通過3D打印機的兩個噴頭噴射粘結劑，將成型室內配制好的陶瓷粉末逐層粘結疊加成型，獲得所需陶瓷零件坯體；

步驟三：浸漬、預燒結、脫脂和再燒結步驟

將步驟二獲得的陶瓷零件坯體進行先進行浸漬處理；

然后再對浸漬處理的陶瓷零件坯體進行預燒結，預燒結將溫度從室溫2h升到200℃并保溫1h，接著2h再升溫到400℃，最后由1h升溫到450℃并保溫2h；預燒結的過程中同時也完成脫脂，即去除了陶瓷零件坯體內部的粘結劑；然后再經過二次燒結，二次燒結由5h升到800℃～1000℃；

由于經過二次燒結處理后的陶瓷零件中仍存在殘留空隙、氣孔，因此再通過高溫燒結，高溫燒結經3小時升溫到900℃保溫1h；再經過2h升溫到1200℃保溫2h；再經過1h升溫到1400℃保溫10h，待冷卻到室溫時出爐，以逐漸去除陶瓷零件內殘留的空隙、氣孔，使得陶瓷零件由疏松變得致密，直至達到所需致密度與強度的陶瓷零件。

上述步驟一所述混入粘結劑固體粉末的比例為10％～15％。

上述步驟一所述粘結劑固體粉末為無機粘結劑、有機粘結劑或者金屬粘結劑；步驟二所述粘結劑成分與粘結劑固體粉末相同。

上述步驟一所述零件坯體3D打印步驟具體如下：

步驟A：完成一次鋪粉后，控制3D打印機的兩個噴頭按照規定的路徑將粘結劑噴射在陶瓷粉層表面，使陶瓷粉末發生固化，以形成一層固化陶瓷粉層；接著，成型缸上升該固化陶瓷粉層四分之一層厚后，鋪粉輥從右向左運動，以對固化陶瓷粉層表面進行平整、壓實處理；

步驟B：鋪粉輥7在對步驟A所述固化陶瓷粉層表面進行平整、壓實處理的過程中，該固化陶瓷粉層表面脫落層的陶瓷粉末及粘結劑的混合物進入廢料收集盒；

步驟C：接著，成型缸下降步驟B所述固化陶瓷粉層的四分之一層厚后，鋪粉輥從左向右運動，在此過程中，裝有陶瓷粉末的料斗同步進行送粉，鋪粉輥一邊做水平鋪粉運動，一邊繞自身軸線轉動，將陶瓷粉末平鋪在該固化陶瓷粉層的表面，并壓實，此過程中，多余的陶瓷粉末則進入粉末回收盒；

步驟D：重復步驟A至步驟C，直至3D打印機加工結束，并形成粘結成型的陶瓷零件毛坯。

上述步驟二所述逐層粘結疊加成型，具體過程是：

其中一個噴頭先對陶瓷零件在該層的外輪廓進行噴涂粘結；

再對陶瓷零件在該層的內輪廓進行噴涂粘結；

最后由另一個噴頭對該層的外輪廓與內輪廓之間區域的粉末進行粘結填充。

所述噴頭對該層的內外輪廓進行噴涂粘結時，是沿著零件截面輪廓方向進行順時針或者逆時針方向運動；也可以是沿著零件截面輪廓單向連續前進。

上述步驟C所述固化陶瓷粉層厚范圍是8um～55um。

上述步驟一所述陶瓷粉末的成分為Al₂O₃或者SiC，陶瓷粉末粒徑為20μm～50μm。

噴頭上具有多個直徑不同的噴嘴，大小分布為0.1mm‐1mm，噴嘴直徑的大小決定了噴出粘結劑量的大小，從而決定了粘結層厚的大小。

陶瓷粉末越細，成品密度越高。在陶瓷粉末中混入一定比例的粘結劑固體粉末，可使其在預燒結階段與陶瓷粉末發生化學反應從而獲得更好的致密組織。

用于粘結陶瓷粉末的粘結劑的成分并不是固定的，可根據陶瓷粉末不同而改變，液體粘結劑和粘結劑固體粉末的成分也可以不一致。主要有無機粘結劑、有機粘結劑和金屬粘結劑，前期能實現粘結并在預燒結階段與陶瓷粉末發生有利的化學反應，后期可被脫脂去除。

浸滲的目的是在去除零件中所含有的有機粘接劑前先滲入溶膠以增加陶瓷顆粒間的作用力，防止潰散。

預燒結的目的有二，一是進一步的使粘結劑固化或與陶瓷顆粒反應生成有利成分，使粘結劑與陶瓷粉末顆粒之間粘結的更加牢固，增加零件的強度，二是使得陶瓷顆粒之間的接觸更加緊密，同時可以減小后面燒結處理時的擴散阻力。

預燒結的同時也完成零件的脫脂。而脫脂的過程是除去殘余的粘結劑。脫脂過程的選擇應依據粘結劑的種類，陶瓷粉末以及零件結構而定。

高溫燒結處理的目的是消除零件內部殘留的氣孔，使零件由疏松變得致密，陶瓷顆粒間結合強度增加，零件機械強度提高。在燒結過程中涉及到陶瓷顆粒的粘滯流動、表面擴散、晶界或晶格擴散，以及塑性變形。

在燒結處理的幾個過程中，可采用逐漸增高溫度的方式進行，當然燒結溫度可根據不同陶瓷材料的燒結溫度曲線進行設置。燒結處理會使得陶瓷零件體積收縮，尺寸減小，這種缺陷可以通過在粘結成型前，對零件進行尺寸補償來改善。

本發明將粘結成型及燒結工藝相結合，去除了零件內部大量的氣孔，使零件由疏松變得致密，得到所需致密度及高強度的零件。克服了現有工藝加工的零件強度較低，只能做概念模型，而不能做功能性陶瓷零件的技術缺陷。

由于粘結成型后的陶瓷粉末之間為點接觸，在多次逐漸升溫燒結處理過程中，高溫的作用使得陶瓷粉末的顆粒間接觸面積的擴大，顆粒聚集，體積收縮。隨著顆粒中心距離的逼近，逐漸形成晶界，在這一過程中氣孔逐漸被壓縮，體積變小，從連通的氣孔逐漸變成孤立的氣孔，以至排除，最終成為致密體。

附圖說明

圖1為本發明多噴頭協同控制陶瓷粉末3D成型工藝流程圖。

圖2為現有金屬粉末3D成型設備結構示意圖；圖中：廢料收集盒1，粉末顆粒2(陶瓷)，基板3，噴頭4、5，陶瓷零件坯體6，鋪粉輥7，料斗8，粉末回收盒9。

圖3為固化粉層工藝示意圖。

圖4為粘結成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖A。

圖5為粘結成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖B。

圖6為粘結成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖C。

圖7為粘結成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖D。

圖8為粘結成型過程中陶瓷零件成型截面分割示意圖E。

圖9為陶瓷粉末顆粒與顆粒之間燒結的致密度變化過程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖1至9及具體實施例，對本發明作進一步具體詳細描述。

如圖1所示，該工藝流程前期為粘結成型，通過采用噴射粘結劑的方法將成型室內的陶瓷粉末粘結成型，獲得具有復雜形狀結構的陶瓷零件坯體。然后為了保證零件坯體具有一定的強度并保持結構完整性，在脫脂處理前，清除零件毛坯表面殘留的粉末顆粒后再進行預燒結。

如圖2所示，陶瓷粉末經過預制，篩選出粒徑為20～50μm的粉末顆粒，混入一定比例(10％～15％)的粘結劑固體粉末，放入成型腔室中的成型缸內。控制兩個噴頭4、5按照規定的路徑將粘結劑噴射在粉層表面，使陶瓷混合粉末發生固化，粘結層厚為T2(即固化陶瓷粉層)，成型缸微微上升，然后鋪粉輥7從右向左運動，在此過程中，鋪粉輥7對固化陶瓷粉層表面進行平整、壓平處理，去除厚度(即脫落層)T3的部分，所得到的實際層厚為T2，見圖3。去除掉的部分進入廢料收集盒1，然后成型缸下降一個實際層厚，鋪粉輥7從左向右運動，在此過程中，料斗8進行送粉，鋪粉輥7一邊做水平運動，一邊繞自身軸線轉動，將陶瓷粉末鋪平并壓實。多余的陶瓷粉末進入粉末回收盒9。上述過程不斷重復，直到加工結束形成粘結成型的陶瓷零件坯體6。

圖4所顯示的是陶瓷零件坯體6所在層的設計圖截面形狀，截面有內外輪廓包圍中間實體部分構成。由于截面可能為不規則的形狀，采用噴頭噴射粘結劑粘結成型，帶動噴頭進行X、Y方向運動的步進電機必須反復啟停，這樣可能對電機造成損害，噴頭不斷的加減速，對噴射工藝的控制也帶來了不便。所以噴頭采用單一方向運動控制。

如圖5所示，理論上來說，由于噴射出來的粘結劑液滴在表面張力的作用下，與陶瓷粉末的作用在兩端會形成圓弧形的粘結道，使得粘結零件表面凹凸起伏。同時由于粘結劑液滴自身形狀的約束，使得實際成型外輪廓比設計輪廓大，實際成型內輪廓比設計輪廓小，并且實際成型輪廓存在比較明顯的形狀誤差。隨著加工層數的增加，這種輪廓誤差和形狀誤差逐漸增大，使得粘結成型的零件表面質量變差，粗糙度很大。

為了改善這種不良的情況，設計出一種新的路徑規劃方法:如圖6所示，將設計圖截面的內外輪廓進行內外偏移，偏移所形成的圓環部分采用噴頭按照沿著圓環方向進行運動噴射粘結劑，這樣輪廓的內外表面可以實現光滑無凹凸起伏，如圖7。

為了使層間粘結更好的結合，通過設置噴頭4沿X、Y軸方向交替移動，實現在層間粘結道正交，如圖8所示，噴頭4的運動軌跡為：第N層沿著Y方向進行噴射，X軸方向的絲桿在水平方向上進行進給運動，第N+1層沿著X方向進行噴射，Y軸方向的絲桿在豎直方向上進行進給運動。這樣實現層間粘結區域正交，大大增強了零件粘結成型的強度。

由于粘結成型后的陶瓷粉末之間為點接觸，在燒結處理過程中，高溫的作用使得顆粒間接觸面積的擴大，顆粒聚集，體積收縮。隨著顆粒中心距離的逼近，逐漸形成晶界，在這一過程中氣孔逐漸被壓縮，體積變小，從連通的氣孔逐漸變成孤立的氣孔，以至排除，最終成為致密體。

圖9展示了燒結過程中陶瓷粉末顆粒聚集，體積縮小，排除氣孔，最后形成無孔多晶體的過程。圖中a過程表示的是晶粒重排，b1表示疏松堆積的顆粒系統中顆粒中心靠近。b2表示緊密堆積的系統中，顆粒中心的靠近。緊密堆積的粉末容易形成更加致密的零件。

如上所述，便可較好地實現本發明。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。