本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)，是根據(jù)所設(shè)計(jì)的3D模型，通過(guò)3D打印設(shè)備逐層增加材料來(lái)制造三維產(chǎn)品的技術(shù)，這種逐層堆積成形技術(shù)又被稱作增材制造。3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。
3D打印材料主要包括塑料、金屬、樹脂、橡膠、陶瓷等。其中，陶瓷材料具有高強(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)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)，使其加工成形尤其困難。與金屬和塑料等材料不同，陶瓷材料無(wú)法在3D成型過(guò)程中，依靠陶瓷粉體的結(jié)合而成型，尤其是瘠性陶瓷粉體，例如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等，粉體本身沒(méi)有塑性，必須通過(guò)粘結(jié)劑來(lái)獲得一定形狀。因此，3D打印用的陶瓷材料，目前通常采用的是陶瓷粉末和某種粘結(jié)劑所組成的混合物，按工藝過(guò)程其3D打印方式分為：
(1)逐層粘結(jié)法，即利用噴嘴向待成型的陶瓷粉床上噴射粘結(jié)劑粉末，利用激光燒結(jié)，將該層需要固化的粉料進(jìn)行加熱、固化；然后再重新鋪上一層粉體，并噴射粘結(jié)劑粉末，如此重復(fù)進(jìn)行，最后除去未噴射粘結(jié)劑的粉料即可得到立體物件。
(2)直接成型法，即首先將陶瓷粉末與粘結(jié)劑混合制備成陶瓷泥漿，3D打印時(shí)通過(guò)擠出堆積而直接形成一定的形狀。
目前，以瘠性陶瓷粉體作為3D打印陶瓷骨料，為使其具有一定的可塑性，現(xiàn)有技術(shù)通常是加入大量的光敏樹脂或者熱塑性樹脂，使粉體的性能類似塑料，并需要通過(guò)熱或者光實(shí)現(xiàn)粉體的流變性轉(zhuǎn)變，才能實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的3D打印成型。
在逐層粘結(jié)法中，陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑粉末份量多，燒結(jié)比較容易，但在后處理過(guò)程中零件收縮比較大，會(huì)影響零件的尺寸精度；粘結(jié)劑粉末份量少，則不易燒結(jié)成形。與逐層粘結(jié)法相比，直接成型法能夠直接打印獲得更為復(fù)雜的形狀，如含閉孔結(jié)構(gòu)(對(duì)于逐層粘結(jié)法，由于中間沒(méi)有固化的粉體無(wú)法取出，因此無(wú)法獲得這種形狀結(jié)構(gòu))。然而，直接成型法所用泥漿需要具有較好的剪稀性能，即在3D打印擠出時(shí)具有較小的粘度；擠出后，粘度快速增加，以便能夠保持樣品具有一定的形狀而不坍塌，從而維持3D打印件的外形。但是，瘠性陶瓷粉體本身是不具備塑性的，因此必須尋求良好的添加劑，使陶瓷漿料直接具有良好的剪稀性能，才能實(shí)現(xiàn)3D陶瓷打印直接成型。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高剪稀性能、可直接成型的3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料，使得其能夠直接應(yīng)用于3D打印機(jī)、采用直接成型法獲得陶瓷器件。本發(fā)明的另一目的在于提供上述直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的制備方法、以及應(yīng)用。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
本發(fā)明提供的一種直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料，按質(zhì)量比組成為：瘠性陶瓷粉體∶復(fù)合觸變劑∶分散劑∶增稠劑∶流平劑∶去離子水＝65～75∶0.2～0.6∶0.9～1.3∶2.0～5.0∶0.5～1.5∶15～30；所述瘠性陶瓷粉體為Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4中的一種或其組合；所述復(fù)合觸變劑為瓜爾豆膠粉末和羧甲基纖維素鈉粉末的復(fù)配混合物，按質(zhì)量比瓜爾豆膠∶羧甲基纖維素鈉＝1～2∶1。
上述方案中，本發(fā)明所述瘠性陶瓷粉體的平均粒徑為0.5～5μm。
進(jìn)一步地，本發(fā)明所述分散劑為D-305、多聚磷酸鈉、粘度300～3000mPa·s的聚丙烯酸銨、DISPERSANT8400AL-G、磷酸鈉、十二烷基硫酸鈉中的一種或其組合。所述增稠劑為聚乙烯醇、粘度3000～300000mPa·s的聚丙烯酸銨、聚乙二醇4000、聚乙二醇6000、聚乙二醇10000中的一種或其組合。所述流平劑為MB-26(日本中京油脂)。
本發(fā)明的另一目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
本發(fā)明提供的上述直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的制備方法，包括以下步驟：
(1)所述分散劑與去離子水混合均勻，得到分散劑溶液；
(2)所述瘠性陶瓷粉體加入到分散劑溶液中混合均勻，得到懸浮液A；
(3)所述復(fù)合觸變劑加入到懸浮液A中，形成懸浮液B；
(4)所述增稠劑、流平劑加入到懸浮液B中，得到直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料，其固含量為67～80％。
本發(fā)明提供的上述直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的應(yīng)用，用于直接成型3D打印陶瓷器件，包括以下步驟：
(1)將所述瘠性陶瓷粉體漿料裝入3D打印設(shè)備的料筒中，抽真空以脫除漿料中的氣泡；
(2)將料筒安裝于3D打印設(shè)備中，并與用于擠出漿料的針筒連接；
(3)將料筒與壓縮空氣裝置連接，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力控制擠出速率；
(4)利用3D打印設(shè)備中的三維立體結(jié)構(gòu)模型，控制漿料的擠出位置，通過(guò)擠出泥條的排列堆積，得到陶瓷器件的生坯；
(5)所述生坯干燥后，經(jīng)煅燒處理，即得到陶瓷器件。
進(jìn)一步地，本發(fā)明應(yīng)用中所述步驟(2)的針筒其針頭的直徑為0.1～1mm。所述步驟(3)中壓縮空氣的壓力調(diào)節(jié)范圍為0～1.5MPa。所述步驟(5)中，生坯的干燥溫度為100～120℃，煅燒溫度為1450～1780℃，并根據(jù)其組成，確定是否需要?dú)夥毡Ｗo(hù)。
本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)本發(fā)明瘠性陶瓷粉體漿料無(wú)需添加光/熱塑性樹脂，而是直接具有較好的剪稀性能，從而避免了通過(guò)光/熱促進(jìn)漿料成型的后期處理，直接擠出后即可保持其形狀而不產(chǎn)生坍塌，適宜于直接成型法3D打印陶瓷器件的制備。
(2)本發(fā)明瘠性陶瓷粉體漿料固含量高(≥67％)，在室溫條件下，漿料就能夠在3D打印過(guò)程中逐漸干燥、固化，無(wú)需特殊的固化條件，就能夠獲得既定的結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)直接成型，可獲得復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的陶瓷器件。
(3)本發(fā)明瘠性陶瓷粉體漿料具有高剪稀性能，在0.2MP壓力的驅(qū)動(dòng)下，能夠通過(guò)直徑為0.35mm的針孔，并且不出現(xiàn)斷裂的情況。擠出后，漿料的粘度急劇增加，不會(huì)存在塌陷的情況，具有較高的打印精度，能夠很好地滿足直接成型的需要。
(4)本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單易行，瘠性陶瓷粉體漿料用于直接成型3D打印，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力和針筒針頭的直徑，協(xié)調(diào)解決打印速率和打印精度之間的矛盾，操控方法簡(jiǎn)單可靠。
附圖說(shuō)明
下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：
圖1是本發(fā)明實(shí)施例一制得的陶瓷器件圖片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一：
1、本實(shí)施例一種直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的制備方法，其步驟如下：
(1)將1.1g D-305溶于20.6g去離子水中混合均勻，得到分散劑溶液；
(2)將65.0gAl2O3粉體(d50＝0.5μm)在高速攪拌條件下(4000rpm)，逐漸加入到分散劑溶液中混合均勻，得到懸浮液A；
(3)將0.2g瓜爾豆膠粉末和0.2g羧甲基纖維素鈉粉末(粘度300～800mPa·s)，同樣在高速攪拌條件下加入懸浮液A中，形成懸浮液B；
(4)將2.4g聚乙烯醇和0.5g流平劑MB-26加入到懸浮液B中，繼續(xù)攪拌60min，得到直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料，其固含量為72.2％。
2、本實(shí)施例一種直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的應(yīng)用，用于直接成型3D打印陶瓷器件，其步驟如下：
(1)將本實(shí)施例上述瘠性陶瓷粉體漿料裝入3D打印設(shè)備的料筒中，抽真空30min以脫除漿料中的氣泡；
(2)將料筒安裝于3D打印設(shè)備中，并與用于擠出漿料的針筒連接，針筒其針頭的直徑為0.35mm；
(3)將料筒與壓縮空氣裝置連接，調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力為0.2MPa；
(4)利用3D打印設(shè)備中的三維立體結(jié)構(gòu)模型，控制漿料的擠出位置，通過(guò)擠出泥條的排列堆積，得到陶瓷器件的生坯；
(5)將生坯置于100～120℃烘箱內(nèi)干燥120min，然后在1550℃溫度下煅燒2h，即得到陶瓷器件，如圖1所示，其壁厚為0.35mm、高度為0.5cm。
實(shí)施例二：
1、本實(shí)施例一種直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的制備方法，其步驟如下：
(1)將1.1g D-305溶于17.0g去離子水中混合均勻，得到分散劑溶液；
(2)將73.1g ZrO2粉體(d50＝0.8μm)在高速攪拌條件下(4000rpm)，逐漸加入到分散劑溶液中混合均勻，得到懸浮液A；
(3)將0.3g瓜爾豆膠粉末和0.2g羧甲基纖維素鈉粉末(粘度300～800mPa·s)，同樣在高速攪拌條件下加入懸浮液A中，形成懸浮液B；
(4)將4.2g聚乙烯醇和0.8g流平劑MB-26加入到懸浮液B中，繼續(xù)攪拌60min，得到直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料，其固含量為75.6％。
2、本實(shí)施例一種直接成型3D陶瓷打印用瘠性陶瓷粉體漿料的應(yīng)用，用于直接成型3D打印陶瓷器件，其步驟如下：
(1)將本實(shí)施例上述瘠性陶瓷粉體漿料裝入3D打印設(shè)備的料筒中，抽真空30min以脫除漿料中的氣泡；
(2)將料筒安裝于3D打印設(shè)備中，并與用于擠出漿料的針筒連接，針筒其針頭的直徑為0.5mm；
(3)將料筒與壓縮空氣裝置連接，調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力為0.2MPa；
(4)利用3D打印設(shè)備中的三維立體結(jié)構(gòu)模型，控制漿料的擠出位置，通過(guò)擠出泥條的排列堆積，得到陶瓷器件的生坯；
(5)將生坯置于100～120℃烘箱內(nèi)干燥120min，然后在1500℃溫度下煅燒2h，即得到陶瓷器件。