本發(fā)明涉及一種陶瓷用的3d打印設(shè)備以及利用該設(shè)備進(jìn)行陶瓷3d打印的方法，特別是一種高致密度、高精度的陶瓷工藝品或陶瓷零件的3d打印設(shè)備及方法。

背景技術(shù)：

目前，漿料擠出方式的陶瓷3d打印多采用大直徑簡單料倉供料或者料泵供料，擠出壓力較小，導(dǎo)致擠出孔直徑較大且流量不穩(wěn)定，導(dǎo)致陶瓷坯料精度較低。常規(guī)陶瓷漿料成分，燒結(jié)后變形較大。常規(guī)熱塑性粘結(jié)劑在坯料成型時有較高的便捷性，但陶瓷燒結(jié)過程中，熱塑性材料軟化，易導(dǎo)致坯料變形，對打印形狀、尺寸有較多限制。而光固化陶瓷3d打印能實現(xiàn)較高的精度，但設(shè)備成本有顯著提升，且漿料液相成分較高，且含有較多大分子量光固化基團，在燒結(jié)后不能成為陶瓷有效成分，從而影響陶瓷零件的致密度，影響工作進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對背景技術(shù)中提及的技術(shù)缺陷，一是提供一種擠出式陶瓷產(chǎn)品3d打印裝置；二是提供一種利用上述裝置進(jìn)行陶瓷產(chǎn)品3d打印的方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種擠出式陶瓷產(chǎn)品3d打印裝置，包括由支架和底座構(gòu)成的基礎(chǔ)架，基礎(chǔ)架上設(shè)置有三軸運動機構(gòu)和擠出機構(gòu)，

所述三軸運動機構(gòu)包括設(shè)置在兩支架上的前后運動機構(gòu)、跨設(shè)在兩支架上的水平運動機構(gòu)和掛設(shè)在水平運動機構(gòu)上的升降運動機構(gòu)；所述的三軸運動機構(gòu)中，均包括活動梁和與其連接控制的運動電機；

所述擠出機構(gòu)設(shè)置在升降運動機構(gòu)的下面；擠出機構(gòu)包括料倉、擠出頭和輸料管，輸料管設(shè)置在擠出頭的外圍，且與設(shè)置在擠出頭內(nèi)部的料倉連通；所述擠出頭內(nèi)部的料倉底部設(shè)置有出料通道，出料通道下部裝有活動設(shè)置的堵頭；所述擠出頭的底部外圍套裝有環(huán)形的加熱輻射源。

所述的三軸運動機構(gòu)中：

前后運動機構(gòu)包括前后梁、前后運動電機和前后運動限位板；前后梁設(shè)置在支架上，前后梁的前端套裝有前后運動限位板，前后梁的后端設(shè)置有前后運動座，前后梁與前后運動座之間為滑動配合；

水平運動機構(gòu)包括水平梁、水平運動電機和水平運動限位板；前后梁跨設(shè)在所述的前后運動座上面，水平梁的一端安裝有水平運動電機，且水平梁的兩端部分別套裝有水平運動限位板，水平運動座設(shè)置在水平梁上，且與水平梁之間為滑動配合；

升降運動機構(gòu)包括升降梁、升降運動電機和傳動機構(gòu)；升降運動電機和傳動機構(gòu)均安裝在水平運動座上；所述傳動機構(gòu)包括至少兩組相互嚙合傳動的蝸輪蝸桿組合，每組蝸輪蝸桿組合中的輸入端分別匹配一升降運動電機，其輸出端均插裝在擠出頭內(nèi)的料倉中。

擠出頭內(nèi)部的料倉為中空圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，料倉與外圍的輸料管連通；料倉底面的一側(cè)設(shè)置有出料通道。

出料通道的下方設(shè)置有堵頭；所述的堵頭為圓錐形柱體，其小徑端活動插裝在出料通道的底部。

堵頭的下面設(shè)置有一連座，該連座與堵頭的下表面固定連接，連座的中部設(shè)置有一支桿，該支桿與連座在同一水平面內(nèi)垂直設(shè)置，支桿的兩端插裝在擠出頭內(nèi)壁上與其相對應(yīng)的支點槽內(nèi)；兩堵頭以支桿為中心交替上下擺動。

升降運動機構(gòu)中，升降梁的下端固定安裝有一水平設(shè)置的相對平臺，該相對平臺底面上安裝有熱源。

出料孔的周圍、加熱輻射源的外圍分別包圍有循環(huán)水冷卻管路，所述循環(huán)水冷卻管路與加熱輻射源間有隔熱材料層。

應(yīng)用擠出式陶瓷產(chǎn)品3d打印裝置進(jìn)行3d打印的方法如下：

a、準(zhǔn)備原料：用有機硅聚合物與陶瓷粉為主要成分，其中聚合物與陶瓷粉比重根據(jù)陶瓷漿料流動性和粘度需求控制，二者總重量所占比重為30-60%，配制成熱固性高粘度陶瓷漿料；

b、漿料由輸料管送至料倉中，兩料倉壓差作用下，出料通道內(nèi)的堵頭繞支桿自由活動，完成換向擠出漿料；

c、漿料擠出后，隨3d打印裝置的三軸運動在相對平臺上逐層堆積成零件，擠出過程中，出料孔上的加熱輻射源和相對平臺上的熱源同時對漿料和零件進(jìn)行加熱，擠出孔周圍的冷卻裝置為漿料降溫；

d、擠出完成后，降溫至室溫，送入無氧環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)，零件完成。

所述漿料包含有機硅粘結(jié)劑、有機硅交聯(lián)劑、催化劑、陶瓷粉以及增粘劑、抑制劑，為多組分高粘度流體漿料。

粘結(jié)劑與交聯(lián)劑為可熱交聯(lián)的低粘度有機硅聚合物；

增粘劑為可與交聯(lián)劑發(fā)生熱交聯(lián)的高粘度有機硅聚合物；

陶瓷粉主要成分為含有活性填料及惰性填料的煅燒高嶺土。

陶瓷粉主要成分為含有活性填料及惰性填料的煅燒高嶺土，其中活性填料及惰性填料的比重為2-3.5%。

燒結(jié)過程是在氮氣、氨氣或其他還原氣氛環(huán)境下完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所公開的這種打印裝置和方法，利用有機硅聚合物與陶瓷粉為主要成分，配制成熱固性高粘度陶瓷漿料，在具有柱塞擠出裝置的陶瓷3d打印裝置上實現(xiàn)坯料的成型，再通過無氧氣氛高溫?zé)Y(jié)，制成3d打印的陶瓷零件模型，結(jié)構(gòu)簡單，定位精準(zhǔn)，可操控性強，產(chǎn)品燒結(jié)后變形小，投入成本低，產(chǎn)品質(zhì)量好，加工效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工藝流程框圖。

圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1的俯視圖。

圖4為本發(fā)明中擠出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明中擠出頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明中堵頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明中擠出頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：底座1，支架2，前后運動電機3，前后運動限位板4，水平梁5，水平運動限位板6，背板7，水平運動座8，擠出機構(gòu)9，水平運動電機10，相對平臺11，控制器12，升降梁13，前后梁14，升降運動電機15，傳動機構(gòu)16，推桿17，料倉18，輸料管19，加熱輻射源20，擠出頭21，出料通道22，堵頭23，支點槽24，出料孔25，連座26，支桿27，前后運動座28，循環(huán)水冷卻管路29。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

參見附圖1-7，本發(fā)明所公開的這種技術(shù)方案，是利用有機硅聚合物與陶瓷粉為主要成分，配制成熱固性高粘度陶瓷漿料，在具有柱塞擠出裝置的陶瓷3d打印裝置上實現(xiàn)坯料的成型，再通過無氧氣氛高溫?zé)Y(jié)，制成3d打印的陶瓷零件模型。該技術(shù)方案所公開的裝置包括底座1、支架2、前后運動電機3、前后運動限位板4、水平梁5、水平運動限位板6、背板7、水平運動座8、擠出機構(gòu)9、水平運動電機10、相對平臺11、控制器12、升降梁13、前后梁14、升降運動電機15、傳動機構(gòu)16、推桿17、料倉18、輸料管19、加熱輻射源20、擠出頭21、出料通道22、堵頭23、支點槽24、出料孔25、連座26、支桿27、前后運動座28。

這種擠出式陶瓷產(chǎn)品3d打印裝置，包括由支架和底座構(gòu)成的基礎(chǔ)架，基礎(chǔ)架上設(shè)置有三軸運動機構(gòu)和擠出機構(gòu)。呈十字設(shè)置的背板設(shè)置在整個底座的后面。

所述三軸運動機構(gòu)包括設(shè)置在兩支架上的前后運動機構(gòu)、跨設(shè)在兩支架上的水平運動機構(gòu)和掛設(shè)在水平運動機構(gòu)上的升降運動機構(gòu)；所述的三軸運動機構(gòu)中，均包括活動梁和與其連接控制的運動電機。

三軸運動機構(gòu)中：

前后運動機構(gòu)包括前后梁、前后運動電機和前后運動限位板；前后梁設(shè)置在支架上，前后梁的前端套裝有前后運動限位板，前后梁的后端設(shè)置有前后運動座，前后梁與前后運動座之間為滑動配合。

水平運動機構(gòu)包括水平梁、水平運動電機和水平運動限位板；前后梁跨設(shè)在所述的前后運動座上面，水平梁的一端安裝有水平運動電機，且水平梁的兩端部分別套裝有水平運動限位板，水平運動座設(shè)置在水平梁上，且與水平梁之間為滑動配合。

前后運動機構(gòu)和水平運動機構(gòu)主要是帶動整個擠出機構(gòu)實現(xiàn)平面內(nèi)水平和前后方向的運動。前后運動限位板設(shè)置在擠出機構(gòu)前后運動的極限位置，水平運動限位板設(shè)置在前后運動座的內(nèi)側(cè)。

升降運動機構(gòu)包括升降梁、升降運動電機和傳動機構(gòu)；升降運動電機和傳動機構(gòu)均安裝在水平運動座上；所述傳動機構(gòu)包括至少兩組相互嚙合傳動的蝸輪蝸桿組合，每組蝸輪蝸桿組合中的輸入端分別匹配一升降運動電機，其輸出端均插裝在擠出頭內(nèi)的料倉中。擠出機構(gòu)設(shè)置在升降運動機構(gòu)的下面，螺桿輸出端插裝在擠出頭的料倉內(nèi)，并對料倉內(nèi)的漿料進(jìn)行擠壓，升降運動機構(gòu)主要是為螺桿輸出端提供向下的壓力。蝸輪蝸桿組合中的蝸桿的輸出端插裝在料倉中并做上下的擠壓運動，構(gòu)成了柱塞式結(jié)構(gòu)，每個升降運動電機傳遞出的扭矩通過蝸輪蝸桿組合中的齒輪及螺桿的減速和變相，轉(zhuǎn)為對柱塞的推力，分別為料倉施壓壓力。

各運動機構(gòu)的電機分別與設(shè)置在底座上的控制器連接受控。

擠出機構(gòu)包括料倉、擠出頭和輸料管，輸料管設(shè)置在擠出頭的外圍，且與設(shè)置在擠出頭內(nèi)部的料倉連通。擠出頭內(nèi)部的料倉底部設(shè)置有出料通道，出料通道下部裝有活動設(shè)置的堵頭。擠出頭的底部外圍套裝有環(huán)形的加熱輻射源。

擠出頭內(nèi)部的料倉為中空圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，料倉與外圍的輸料管連通；料倉底面的一側(cè)設(shè)置有出料通道。升降運動機構(gòu)中，包括至少兩組用于提供壓力的蝸輪蝸桿組合。

出料通道的下方設(shè)置有堵頭；堵頭為圓錐形柱體，其小徑端活動插裝在出料通道的底部。堵頭的下面設(shè)置有一連座，該連座與堵頭的下表面固定連接，連座的中部設(shè)置有一支桿，該支桿與連座在同一水平面內(nèi)垂直設(shè)置，支桿的兩端插裝在擠出頭內(nèi)壁上與其相對應(yīng)的支點槽內(nèi)；兩堵頭以支桿為中心交替上下擺動。本實施例中，擠出頭內(nèi)設(shè)置有兩個料倉，也就設(shè)置有兩個與其匹配的堵頭。連座可在兩料倉壓差作用下自由活動，也可由電機控制，保證在任何時刻，一個堵頭閉合另一個堵頭打開。

升降運動機構(gòu)中，升降梁的下端固定安裝有一水平設(shè)置的相對平臺，該相對平臺底面上安裝有熱源。出料孔的周圍、加熱輻射源的外圍分別包圍有循環(huán)水冷卻管路29，作為優(yōu)選，循環(huán)水冷卻管路與加熱輻射源間有隔熱材料層。

出料頭可拆卸，標(biāo)準(zhǔn)化接頭，可與常規(guī)fdm打印機擠出頭通用，孔徑可換，擠出孔周圍噴涂疏油涂層。

應(yīng)用擠出式陶瓷產(chǎn)品3d打印裝置進(jìn)行3d打印的方法如下：

a、準(zhǔn)備原料：用有機硅聚合物與陶瓷粉為主要成分，其中聚合物與陶瓷粉比重根據(jù)陶瓷漿料流動性和粘度需求控制，二者總重量所占比重為30-60%，配制成熱固性高粘度陶瓷漿料。

b、漿料由輸料管送至料倉中，兩料倉壓差作用下，出料通道內(nèi)的堵頭繞支桿自由活動，完成換向擠出漿料。

c、漿料擠出后，隨3d打印裝置的三軸運動在相對平臺上逐層堆積成零件，擠出過程中，出料孔上的加熱輻射源和相對平臺上的熱源同時對漿料和零件進(jìn)行加熱，擠出孔周圍的冷卻裝置為漿料降溫，該冷卻裝置為循環(huán)冷卻水，出料孔的周圍、加熱輻射源的外圍分別包圍有循環(huán)水冷卻管路，作為優(yōu)選，循環(huán)水冷卻管路與加熱輻射源間有隔熱材料層。

d、擠出完成后，降溫至室溫，送入無氧環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)，零件完成。

漿料包含有機硅粘結(jié)劑、有機硅交聯(lián)劑、催化劑、陶瓷粉以及增粘劑、消泡劑、抑制劑，為多組分高粘度流體漿料。上述添加劑的具體選用產(chǎn)品為：有機硅粘結(jié)劑選用聚甲基乙烯基硅氧烷，有機硅交聯(lián)劑選用聚甲基氫硅氧烷，castor催化劑、煅燒高嶺土粉、活性填料均選用鈦粉，增粘劑選用高粘度聚甲基乙烯基硅氧烷，抑制劑選用甲基丁炔醇；上述添加劑中，有機硅粘結(jié)劑、有機硅交聯(lián)劑、催化劑、陶瓷粉以及增粘劑、消泡劑、抑制劑的依次添加比例為（重量份計）：1-2:30-40:1.2:50-65:1-3:1-3:0.5-2。

粘結(jié)劑與交聯(lián)劑為可熱交聯(lián)的低粘度有機硅聚合物；增粘劑為可與交聯(lián)劑發(fā)生熱交聯(lián)的高粘度有機硅聚合物；陶瓷粉主要成分為含有活性填料及惰性填料的煅燒高嶺土，其中活性填料及惰性填料的比重為2-3.5%。

燒結(jié)過程是在氮氣、氨氣或其他還原氣氛環(huán)境下完成。

坯料在燒結(jié)前可根據(jù)表面精度需求，可在不同粘度的粘結(jié)劑、交聯(lián)劑、催化劑的混合液中進(jìn)行浸漬處理。

如圖1所示，陶瓷3d打印整體工藝流程：

1.配置陶瓷漿料，調(diào)節(jié)漿料粘度、流變性，使之符合陶瓷3d打印裝置的要求，并在真空攪拌設(shè)備尚排泡后通過熟料管送入陶瓷3d打印機料倉；

2.構(gòu)建零件3d模型，在分層切片軟件上生成g代碼，并對g0運動環(huán)節(jié)的增加z軸運動，之后通過數(shù)據(jù)接口輸入陶瓷3d打印裝置的控制系統(tǒng)；

3.由陶瓷3d打印裝置實現(xiàn)打印同時加熱固化成型，形成陶瓷坯件；

4.如有必要可對坯料進(jìn)行表面修型或浸漬，之后至于氣氛爐中進(jìn)行燒結(jié)成型。

漿料配置以乙烯基硅氧烷為粘結(jié)劑并加入5~15%的甲基氫硅氧烷交聯(lián)劑，配置成雙組份粘結(jié)劑；1~3%的催化劑與抑制劑配置成雙組份催化劑；將粘結(jié)劑、催化劑、高粘度乙烯基硅氧烷混入煅燒高嶺土粉及鋁、鈦、硅活性填料固相成分，最終配置成熱固性陶瓷漿料，可通過較低溫度加熱實現(xiàn)固化成型，并能在高溫?zé)Y(jié)中保持零件形態(tài)。

運動控制方面對切片程序進(jìn)行改進(jìn)，在g代碼的g0運動前后分別加入z軸的上下運動，避免擠出頭與打印層的沖突。

由輸料管獲取漿料，可以對漿料的流量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，并能實現(xiàn)連續(xù)供料的擠出裝置。傳動機構(gòu)中，對電機輸出的扭矩實現(xiàn)減速、變向，轉(zhuǎn)化為對柱塞較大的推力?？蔀榱蟼}提供較大的壓強，從而減小出料孔所允許的最小直徑并提高出料穩(wěn)定性。

料倉、擠出頭、出料孔、加熱輻射源、升降運動電機、傳動機構(gòu)組成雙柱塞式擠出結(jié)構(gòu)，任意時刻，其中一個擠出頭實現(xiàn)擠出動作，另一個擠出頭實現(xiàn)進(jìn)料動作或靜止，以確保連續(xù)供料，同時能實現(xiàn)減小料倉體積、減輕三維運動機構(gòu)負(fù)載的效果。

作為優(yōu)選，出料通道與料倉連通，當(dāng)其中一個電機為料倉施加壓力時，另一個點擊反轉(zhuǎn)，形成負(fù)壓，堵頭在壓差和漿料粘性的作用下，自動或由電機輔助使堵頭變向，打開高壓口、關(guān)閉低壓口，以實現(xiàn)高壓口打開出料，低壓口關(guān)閉并由熟料管進(jìn)料。柱塞運動到限位開關(guān)位置時，電機反轉(zhuǎn)，同時堵頭換向，重復(fù)上述動作，從而實現(xiàn)連續(xù)供料。

擠出頭端部安裝向下的環(huán)形的加熱輻射源，對已打印出的漿料絲進(jìn)行高溫加熱，以實現(xiàn)漿料的熱固化成型，熱輻射源由溫控器控制調(diào)節(jié)輸出功率。擠出頭冷卻裝置在環(huán)形熱輻射源內(nèi)徑與擠出頭之間，通過循環(huán)水冷卻隔絕熱源對擠出頭的印象，避免漿料在擠出頭內(nèi)固化。