本實(shí)用新型屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光固化陶瓷胚體的快速成型設(shè)備。
背景技術(shù)：
陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、航天等領(lǐng)域。陶瓷的生產(chǎn)工藝通常包括陶瓷坯的制備和高溫?zé)Y(jié)兩個(gè)步驟。上述步驟的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)相應(yīng)的成型設(shè)備。傳統(tǒng)的制坯工藝包括可塑成型、注漿成型、壓制成型等工藝，其中可塑成型是將陶泥人工加工成坯體的工藝，該工藝費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而精度不高；而注漿成型、壓制成型是將陶瓷漿料注入模具內(nèi)部，待漿料定型后，開(kāi)啟模具而獲得陶瓷坯體。該成型工藝精度較高，但產(chǎn)品致密度較低、模具成本較高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，并且該制坯工藝只能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)規(guī)則、脫模方便的陶瓷制品，難以滿足形狀復(fù)雜陶瓷制品的生產(chǎn)。90年代初美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了針對(duì)陶瓷坯體的凝膠注模成型工藝，將有機(jī)單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、催化劑加入到陶瓷料漿內(nèi)，配制成粘度較低、陶瓷粉體含量較高的漿料，通過(guò)高壓注射成型設(shè)備，把料漿注入封閉的模具腔體內(nèi)，通過(guò)對(duì)模具進(jìn)行加熱，利用溫度引發(fā)有機(jī)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，固化形成陶瓷坯體。該陶瓷坯體具有成型精度好、致密度高、制品的缺陷較少、生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，但該成型工藝所需的注射成型設(shè)備及成型模具的成本較高，并且采用該工藝只能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)規(guī)則，方便脫模的陶瓷制品，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷仍難以制備。
中國(guó)專利CN104493952 A報(bào)道了一種采用凝膠柱模3D打印技術(shù)制備陶瓷梯度材料的方法，該方法采用計(jì)算機(jī)控制的滑臺(tái)帶動(dòng)擠出頭，在樣品臺(tái)表面運(yùn)動(dòng)，將光敏陶瓷漿料在樣品臺(tái)表面沉積，漿料中樹(shù)脂在固化劑的作用下迅速發(fā)生固化反應(yīng)，使料坯快速定型。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷制品的制備，但成型速度較慢、制品精度較低。
國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)的周偉召開(kāi)發(fā)了一種基于光固化的直接陶瓷成型工藝，采用亞甲基雙丙烯酰胺、二氧化硅、分散劑及光引發(fā)劑等制備光固化光敏陶瓷漿料，系統(tǒng)的研究了分散劑用量、陶瓷粉粒徑、陶瓷粉體積含量等參數(shù)，對(duì)陶瓷工件SLA光固化成型工藝的影響規(guī)律。該成型設(shè)備的樣品臺(tái)位于陶瓷漿料內(nèi)，利用振鏡驅(qū)動(dòng)的激光束在陶瓷樣品表面進(jìn)行快速掃描，完成一個(gè)切面的成型后，樣品臺(tái)往陶瓷漿料內(nèi)部下沉一個(gè)切片厚度，后由刮板將表面的陶瓷漿料刮平，然后繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)切面的成型。該設(shè)備只適合粘度較小、固含量較低的陶瓷漿料的快速成型，而對(duì)于固含量較高、漿料粘度大、流動(dòng)性差的陶瓷漿料，在樣品臺(tái)下沉過(guò)程和刮板刮膠過(guò)程，容易造成局部缺膠或模型發(fā)生損壞，采用該工藝料漿中陶瓷粉體積含量最高為55％，粉體含量較低對(duì)最終陶瓷工件致密度、強(qiáng)度帶來(lái)影響。因而該成型設(shè)備也不能滿足高質(zhì)量陶瓷坯體的制造需求。
中國(guó)專利CN104387105A報(bào)道了一種3D打印結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備多孔氧化鋁陶瓷材料的方法，該方法采用3DP快速成型工藝，在氧化鋁陶瓷粉末表面噴涂一定形狀的粘結(jié)劑，然后用紫外光照射的方法快速實(shí)現(xiàn)模型切片的快速成型，但采用該工藝所制備的陶瓷材料孔隙率高對(duì)陶瓷的力學(xué)性能影響較大，并且利用噴墨打印機(jī)在粉體表面進(jìn)行噴涂粘接劑的速度較慢，生產(chǎn)效率較低。該裝置制備的陶瓷坯體也同樣存在孔隙率高的問(wèn)題，此外該裝置所采用的大功率激光器價(jià)格昂貴，使陶瓷坯體生產(chǎn)成本增加。
因而，開(kāi)發(fā)一種方便可行的陶瓷坯料成型設(shè)備，成為提高陶瓷制品質(zhì)量，拓寬陶瓷制品應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型以彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足為目的，提供了一種光固化陶瓷胚體的快速成型設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷漿料的輸送、刮平、快速固化，并最終實(shí)現(xiàn)陶瓷坯體模型的快速成型。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案：一種光固化陶瓷胚體的快速成型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括光學(xué)掃描裝置(1)、光敏陶瓷漿料供料裝置(4)、成型腔體(3)、余料回收裝置(2)及刮料裝置(8)。所述光學(xué)掃描裝置(1)位于成型腔體(3)的上方；所述光敏陶瓷漿料供料裝置(4)與成型腔體(3)平行排列；所述余料回收裝置(2)與成型腔體(3)連接，成型腔體(3)內(nèi)部設(shè)有樣品升降臺(tái)，樣品升降臺(tái)包括密封圈(5)、金屬上面板(6)、金屬下面板(7)及直線運(yùn)動(dòng)單元(10)，上述各部構(gòu)成一個(gè)活塞，可在成型腔體(3)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)樣品升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)樣品(9)向下運(yùn)動(dòng)；所述光敏陶瓷漿料供料裝置(4)為一個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，其由密封圈A(13)、金屬上面板A(11)、金屬下面板A(12)及直線運(yùn)動(dòng)單元A(14)構(gòu)成密封活塞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可帶動(dòng)腔體中的升降臺(tái)來(lái)推動(dòng)裝有儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)的光敏陶瓷漿料向上運(yùn)動(dòng)。
打印過(guò)程中，樣品升降臺(tái)下降模型層厚的高度，光敏陶瓷漿料供料裝置將光固化光敏陶瓷漿料輸送至刮料裝置前方，刮料裝置向著成型腔體方向運(yùn)動(dòng)把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在樣品臺(tái)上，并將多余的光敏陶瓷漿料輸送至余料回收裝置，隨后計(jì)算機(jī)控制的光學(xué)掃描裝置發(fā)出光線在樣品臺(tái)上進(jìn)行快速掃描，使光敏陶瓷漿料發(fā)生固化并粘接到樣品臺(tái)表面，完成模型的一個(gè)切面形狀的成型，設(shè)備依次循環(huán)上述的操作直至完成整個(gè)模型的成型。
進(jìn)一步的刮料裝置(8)位于光敏陶瓷漿料供料裝置(4)的儲(chǔ)料倉(cāng)上方，與儲(chǔ)料倉(cāng)上端面緊密接觸，并可沿儲(chǔ)料倉(cāng)上端面由儲(chǔ)料倉(cāng)一側(cè)向著成型腔體(3)方向運(yùn)動(dòng)至余料回收裝置(2)處；所述光敏陶瓷漿料供料裝置(4)的密封活塞嵌于儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)部，并與儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)壁緊密接觸；所述升降臺(tái)位于密封活塞下部，并與密封活塞下表面相連接。工作時(shí)，光敏陶瓷料漿儲(chǔ)存在上述儲(chǔ)料倉(cāng)中，升降臺(tái)推動(dòng)密封活塞向上運(yùn)動(dòng)，將儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)部的光敏陶瓷料漿推出儲(chǔ)料倉(cāng)，隨后刮料裝置(8)向著成型腔體(3)的方向運(yùn)動(dòng)，把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在成型腔體(3)內(nèi)的樣品臺(tái)上。
本實(shí)用新型的工作方法：
(1)將打印工件進(jìn)行切片，獲得各工件的剖面信息，切片層厚為0.01-1mm；
(2)樣品升降臺(tái)下降一個(gè)切片層厚的高度；
(3)光敏陶瓷漿料供料裝置將光固化光敏陶瓷漿料輸送至刮料裝置前方；
(4)刮料裝置向著成型腔體方向運(yùn)動(dòng)把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在樣品臺(tái)上，并將多余的光敏陶瓷漿料輸送至余料回收裝置；
(5)計(jì)算機(jī)控制的光學(xué)掃描裝置發(fā)出光線在樣品臺(tái)上進(jìn)行快速掃描，使光敏陶瓷漿料發(fā)生固化并粘接到樣品臺(tái)表面，完成模型的一個(gè)切面形狀的成型；
(6)設(shè)備依次重復(fù)上述(2)、(3)、(4)和(5)步驟的操作，直至完成整個(gè)模型的成型；
將所成型的陶瓷置于100-1700攝氏度的陶瓷燒結(jié)爐中燒結(jié)，最終獲得陶瓷樣件。
特點(diǎn)及有益效果：本實(shí)用新型旨在提供一種光固化陶瓷胚體的快速成型設(shè)備。其有益效果在于采用該設(shè)備可以快速制造出各種形狀的陶瓷坯料，實(shí)現(xiàn)陶瓷坯料的無(wú)?？焖俪尚停浣Y(jié)構(gòu)合理，制備的產(chǎn)品精度高，具有良好的推廣前景。
附圖說(shuō)明
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
參照?qǐng)D1，一種光固化陶瓷胚體的快速成型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括光學(xué)掃描裝置1、光敏陶瓷漿料供料裝置4、成型腔體3、余料回收裝置2及刮料裝置8。所述光學(xué)掃描裝置1位于成型腔體3的上方；所述光敏陶瓷漿料供料裝置4與成型腔體3平行排列；所述余料回收裝置2與成型腔體3連接，成型腔體3內(nèi)部設(shè)有樣品升降臺(tái)，樣品升降臺(tái)包括密封圈5、金屬上面板6、金屬下面板7及直線運(yùn)動(dòng)單元10，上述各部構(gòu)成一個(gè)活塞，可在成型腔體3內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)樣品升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)樣品9向下運(yùn)動(dòng)；所述光敏陶瓷漿料供料裝置4為一個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，其由密封圈A13、金屬上面板A11、金屬下面板A12及直線運(yùn)動(dòng)單元A14構(gòu)成密封活塞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可帶動(dòng)腔體中的升降臺(tái)來(lái)推動(dòng)裝有儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)的光敏陶瓷漿料向上運(yùn)動(dòng)。
工作過(guò)程中，樣品升降臺(tái)下降模型層厚的高度，光敏陶瓷漿料供料裝置將光固化光敏陶瓷漿料輸送至刮料裝置前方，刮料裝置向著成型腔體方向運(yùn)動(dòng)把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在樣品臺(tái)上，并將多余的光敏陶瓷漿料輸送至余料回收裝置，隨后計(jì)算機(jī)控制的光學(xué)掃描裝置發(fā)出光線在樣品臺(tái)上進(jìn)行快速掃描，使光敏陶瓷漿料發(fā)生固化并粘接到樣品臺(tái)表面，完成模型的一個(gè)切面形狀的成型，設(shè)備依次循環(huán)上述的操作直至完成整個(gè)模型的成型。
進(jìn)一步的光學(xué)掃描裝置為激光振鏡掃描系統(tǒng)或投影儀，若采用激光振鏡掃描系統(tǒng)對(duì)光敏陶瓷漿料進(jìn)行掃描，選用的激光器波長(zhǎng)為100nm-1050nm，優(yōu)選355nm和405nm；若采用投影儀，則光源采用高壓汞燈、氙燈、波長(zhǎng)為100nm-800nm的激光二極管或波長(zhǎng)為100nm-800nm的發(fā)光二極管。
進(jìn)一步的樣品升降臺(tái)的金屬上面板6和密封圈5及金屬下面板7通過(guò)螺栓固定在一起，密封圈5位于金屬上面板6、金屬下面板7之間，金屬下面板7固定于可升降的直線運(yùn)動(dòng)單元10的頂部，以實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)的升降操作。
進(jìn)一步的成型腔體3為中空結(jié)構(gòu)，空心區(qū)域?yàn)榱⒎襟w或圓柱體形狀，可升降樣品臺(tái)安裝在成型腔體3內(nèi)部，通過(guò)樣品升降臺(tái)上的密封圈與成型腔體3內(nèi)壁緊密接觸，避免光敏陶瓷漿料的流失。
進(jìn)一步的余料回收裝置2為中空結(jié)構(gòu)，空心區(qū)域?yàn)榱⒎襟w或圓柱體形狀，位于成型腔體3一側(cè)，其功能用于收集打印過(guò)程的多余光敏陶瓷漿料。
進(jìn)一步的刮料裝置8位于光敏陶瓷漿料供料裝置4的儲(chǔ)料倉(cāng)上方，與儲(chǔ)料倉(cāng)上端面緊密接觸，并可沿儲(chǔ)料倉(cāng)上端面由儲(chǔ)料倉(cāng)一側(cè)向著成型腔體3方向運(yùn)動(dòng)至余料回收裝置2處；所述光敏陶瓷漿料供料裝置4的密封活塞嵌于儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)部，并與儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)壁緊密接觸；所述升降臺(tái)位于密封活塞下部，并與密封活塞下表面相連接。工作時(shí)，光敏陶瓷料漿儲(chǔ)存在上述儲(chǔ)料倉(cāng)中，升降臺(tái)推動(dòng)密封活塞向上運(yùn)動(dòng)，將儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)部的光敏陶瓷料漿推出儲(chǔ)料倉(cāng)，隨后刮料裝置8向著成型腔體3的方向運(yùn)動(dòng)，把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在成型腔體3內(nèi)的樣品臺(tái)上。
本實(shí)用新型的工作方法：
(1)將打印工件進(jìn)行切片，獲得各工件的剖面信息，切片層厚為0.01-1mm；
(2)樣品升降臺(tái)下降一個(gè)切片層厚的高度；
(3)光敏陶瓷漿料供料裝置將光固化光敏陶瓷漿料輸送至刮料裝置前方；
(4)刮料裝置向著成型腔體方向運(yùn)動(dòng)把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在樣品臺(tái)上，并將多余的光敏陶瓷漿料輸送至余料回收裝置；
(5)計(jì)算機(jī)控制的光學(xué)掃描裝置發(fā)出光線在樣品臺(tái)上進(jìn)行快速掃描，使光敏陶瓷漿料發(fā)生固化并粘接到樣品臺(tái)表面，完成模型的一個(gè)切面形狀的成型；
(6)設(shè)備依次重復(fù)上述(2)、(3)、(4)和(5)步驟的操作，直至完成整個(gè)模型的成型；
將所成型的陶瓷置于100-1700攝氏度的陶瓷燒結(jié)爐中燒結(jié)，最終獲得陶瓷樣件。
上述的打印工件：
(1)建立模型，采用CAD、Pro-E、UG、CATIA等三維設(shè)計(jì)軟件，建立陶瓷工件的三維模型，對(duì)模型按照層厚為0.1mm的高度對(duì)模型進(jìn)行切片，獲得模型各剖面的切片形狀。
(2)陶瓷坯體的打印
計(jì)算機(jī)控制成型腔體內(nèi)部的直線運(yùn)動(dòng)單元推動(dòng)樣品升降臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)0.1mm，同時(shí)下儲(chǔ)料倉(cāng)底部的直線運(yùn)動(dòng)單元帶動(dòng)密封活塞向上運(yùn)動(dòng)0.1mm，將陶瓷料漿推出，刮膠裝置向著成型腔體方向運(yùn)動(dòng)，把光敏陶瓷漿料均勻的涂抹在成型腔體內(nèi)的樣品臺(tái)上。光學(xué)掃描系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下按模型的切片形狀，在陶瓷料漿表面進(jìn)行掃描，使光敏陶瓷漿料迅速凝固，實(shí)現(xiàn)模型切片形狀的成型。重復(fù)上述步驟操作，直至完成所有模型切片形狀的成型。
(3)陶瓷模型的燒結(jié)
打印結(jié)束后，計(jì)算機(jī)控制成型腔體內(nèi)部的直線運(yùn)動(dòng)單元推動(dòng)樣品升降臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)，將樣品臺(tái)提升取出成型的工件，并將所成型的陶瓷燒結(jié)，最終獲得陶瓷樣件。