紫外光束同步固化辅助直写3d打印制备陶瓷材料的方法
技术领域
本发明涉及陶瓷成型工艺
技术领域
，更具体地说，涉及一种紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法。背景技术
随着现代高新技术产业的发展，许多工业领域对材料性能提出了更高的要求。先进陶瓷作为新材料的一个重要组成部分，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。先进陶瓷，又称为高性能陶瓷，是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料，通过组成和结构设计并采用精确的化学计量和新型制备技术制成的具有优异性能的陶瓷。高硬度、高强度和高耐磨是陶瓷材料的本质特征，凭借优良的物理性能，陶瓷材料在航空航天、电子信息以及生物工程等领域得到了快速发展和广泛应用。
同时也是由于陶瓷材料的高硬度、高脆性，给陶瓷零件的制造加工带来了很大不便，在制造过程中容易产生缺陷，很难通过后续处理进行弥补，特别是复杂结构陶瓷零件更加难于成形和加工。此时，陶瓷增材制造技术便应运而生。
陶瓷增材制造实际上是利用增材制造设备对陶瓷粉体或浆料等进行直接或间接
成型的技术。直接加工技术包括采用高能束(如激光)直接选择性熔化陶瓷粉末实现逐层成
型即激光选区熔融和陶瓷浆料经立体光固化或自由挤出成型素坯等。直接加工工艺的效率
较高。间接加工工艺可采用的增材制造工艺方法较多,例如激光选区烧结(SLS)、无模直写(DIW)、立体光固化(SLA)、自由挤出成型(EFF)、数字光处理(DLP)等,分别以粉末、浆料、泥坯等形态的原材料制造出陶瓷素坯,经后续烧结工艺实现陶瓷零件的制造。其中直写成型作为一种新型的固体无模成型技术，采用了3D打印的“分层制造”思想，通过材料的堆积完成三维零件的加工制造，最大优势便是不受传统模具的限制，成型较为简便快捷，且能够制造多孔或其他复杂结构的陶瓷坯体，在此基础上若采用紫外光固化辅助成型又可有效缩短成型零件的固化时间，提高成型精度，减小固化收缩率，而在紫外光辅助直写成型过程中，若在打印的同时进行跟踪曝光处理，则非常容易出现因为各部分的曝光程度不均而发生固化不均匀，打印断丝，以及局部过度曝光等问题，而若单采用点光源进行随点同步固化，则现有的小型紫外点光源功率不足而难以完全固化，更为严重的是，整体打印过程中，累积性的问题如结构塌陷、翘边等，可能直接导致成型失败，进而造成时间、成本上的浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法，可以解决光辅助直写成型工艺中固化不均匀，打印断丝，局部过度曝光，累积性缺陷等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种紫外光束同步固化辅助直写3D打印的复杂结构陶瓷材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1，建立适当的三维模型并将三维模型切片处理；
步骤2，预先准备盛装浆料的点胶机针筒与针头，利用气泵推动气体挤出浆料；
步骤3，打印开始前，调整打印机移动平台上紫外灯激光照射位置，使照射点与打浆料挤出位置重合，打印时，点光源随着打印针头同步移动，在打印时同步进行初始固化定型，单次打印完成后，打印机即暂停打印，针头归位，关闭紫外灯点光源，并打开大功率紫外灯进行面曝光至完全固化，曝光时间取决于陶瓷浆料的固相含量；
步骤4，打印机根据具体打印层的高度调整高度参数，在已固化的打印层上继续打印一至两层并曝光，如此循环操作直至打印完成。在打印完成后，为保证固化效果，也可选择进行一段时间的整体曝光处理。
步骤5，对打印成型的陶瓷坯体按照烧成制度进行脱脂烧结。
上述方法中，步骤1中各打印层设置参数为挤出气压0.3-0.6MPa，打印速度4-10mm/s。
上述方法中，步骤1所述的层高应根据所选择的针头直径所确定，层高可选择针头直径的0.6-1.2倍，避免曝光不均以及打印拖料的问题。
上述方法中，步骤1所述的各打印层的填充图案、层高、填充率可以不完全一致。
上述方法中，步骤4中，单次打印后，可以检查该打印层的缺陷部分，并酌情修补，曝光后进一步打印时，打印高度参数应根据单次打印层数上调0.9-1.2个层高值，防止划料和拖料现象。
上述方法中，不同种类陶瓷坯体应按照其对应烧成制度进行脱脂烧结。
实施本发明的紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用逐点逐层复合照射模式的紫外光同步固化辅助直写3D打印陶瓷，便可解决现有无模直写和紫外光辅助直写成型工艺中固化不均匀，打印断丝，局部过度曝光，小型点光源功率不足以及整体打印出现的累积性缺陷等问题。同时也能更简便、快捷、精确地成型各打印层参数如形状、填充图案，填充密度等不同的梯度材料。
2、本发明提供的方法步骤简单，对打印材料的粘度、流动性等适用性强，且无需昂贵的成型设备，制备出的陶瓷坯体固化快且均匀，定型性好，固化收缩率小，单次打印层局部缺陷相对容易修补，不会出现跟踪打印时的断丝问题及整体打印时的坍塌、翘边等累积性缺陷。此外结合直写打印的优势，可快速简便地制备结构、材料等按预定设计具有复杂结构、个性化结构、多材料等的陶瓷材料，易于推广，且应用前景广阔。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法的流程图；
图2是本发明紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法使用的打印装置的示意图；
图3是本发明可畏增材制造的填充密度不同的梯度材料的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法如下：
步骤1，建立一简单的立方体三维模型，将三维模型切片处理，得到一系列二维截面切片，设置层高0.8mm，填充图案为grid网格结构，填充率80％；
步骤2，预先准备盛装浆料的点胶机针筒与针头，针头直径0.8mm，浆料组成为BTO陶瓷基料约80wt％，PEGDA光敏树脂约20wt％，光引发剂TPO约0.6wt％，曲拉通约1.6wt％；
步骤3，根据步骤1中设置，打开移动点光源，点光源随着打印针头同步移动，在打印时同步进行初始固化定型，单次打印单层网格结构，打印完成后即暂停打印，打印机针头归位后改用大功率紫外灯进行面曝光，持续1分钟使打印层固化；
步骤4，根据步骤1中设置，打印机调整高度参数，高度方向上调1.0mm，在已固化的打印层上继续打印单层网格结构并曝光，如此循环直至打印完成，打印完成后可选择整体曝光3分钟；
步骤5，将坯体在氮气气氛下的排胶过程设置为升温速率0.5℃/min，期间在300、400、450、500、600与700℃各保温1h，使有机物充分转变为碳，随炉冷却后移入空气气氛中以1℃/min升温，期间在400、600和800℃分别保温2h，将碳去除。最后以3℃/min升温到1330℃烧结2h，制成陶瓷构件。
实施例2
本实施例紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法如下：
步骤1，建立一简单的立方体三维模型；将三维模型切片处理，得到一系列二维截面切片，设置层高0.4mm，填充图案为grid网格结构，填充率100％；
步骤2，预先准备盛装浆料的点胶机针筒与针头，针头直径0.8mm，浆料组成为BTO陶瓷基料约80wt％，PEGDA光敏树脂约20wt％，光引发剂TPO约0.6wt％，曲拉通约1.6wt％；
步骤3，根据步骤1中设置，打开点光源，点光源随着打印针头同步移动，在打印时同步进行初始固化定型，单次打印单层网格结构，打印完成后即暂停打印，打印机针头归位后开始紫外曝光，持续2分钟使打印层固化；
步骤4，根据步骤1中设置，打印机调整高度参数，高度方向上调0.5mm，在已固化的打印层上继续打印单层网格结构并曝光，如此循环直至打印完成，打印完成后可选择整体曝光3分钟；
步骤5，将坯体在氮气气氛下的排胶过程设置为升温速率0.5℃/min，期间在300、400、450、500、600与700℃各保温1h，使有机物充分转变为碳，随炉冷却后移入空气气氛中以1℃/min升温，期间在400、600和800℃分别保温2h，将碳去除。最后以3℃/min升温到1330℃烧结2h，制成陶瓷构件。
实施例3
本实施例紫外光束同步固化辅助直写3D打印制备陶瓷材料的方法如下：
步骤1，建立简单的立方体三维模型，将三维模型切片处理，得到一系列二维截面切片，设置层高0.8mm，填充图案为zigzag锯齿形，填充率50％；
步骤2，预先准备盛装浆料的点胶机针筒与针头，针头直径0.8mm，浆料组成为BTO陶瓷基料约80wt％，PEGDA光敏树脂约20wt％，光引发剂TPO约0.6wt％，曲拉通约1.6wt％；
步骤3，根据步骤1中设置，打开移动点光源，点光源随着打印针头同步移动，在打印时同步进行初始固化定型，单次打印双层交叉锯齿结构，打印完成后即暂停打印，打印机针头归位后开始紫外曝光，持续3分钟使打印层固化；
步骤4，根据步骤1中设置，打印机调整高度参数，高度方向上调1.7mm，在已固化的打印层上继续打印单层网格结构并曝光，如此循环直至打印完成，打印完成后可选择整体曝光3分钟；
步骤5，将坯体在氮气气氛下的排胶过程设置为升温速率0.5℃/min，期间在300、400、450、500、600与700℃各保温1h，使有机物充分转变为碳，随炉冷却后移入空气气氛中以1℃/min升温，期间在400、600和800℃分别保温2h，将碳去除。最后以3℃/min升温到1330℃烧结2h，制成陶瓷构件。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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