一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法及装置制造方法及图纸

一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法。采用3D打印技术、纤维增强复合材料技术实现了陶瓷浆料的3D打印及成形。首先在打印开始前，配制好含催化剂、树脂、单体、交联剂的陶瓷浆料和一定浓度的引发剂，分别供给到主、副两个打印头中，并打开紫外光源。打印时，主、副打印头按截面数据运动，陶瓷浆料和增强纤维从主打印头挤出，同时，引发剂从副打印头喷出，覆盖到陶瓷浆料表面，陶瓷浆料在紫外光照射和引发剂的双重作用下凝固成形，由此完成打印，得到陶瓷坯体，再经过脱脂、烧结得到陶瓷零件。使用该方法可以得到具有良好韧性、高强度、高精度的陶瓷基复合材料零件，可实现具有复杂结构的纤维增强陶瓷基复合材料零件的快速制造。

Fiber reinforced ceramic matrix composite forming method and device based on 3D printing technology

Fiber reinforced ceramic matrix composite forming method based on 3D printing technology. 3D printing and forming of ceramic slurry were realized by using 3D printing technology and fiber reinforced composite technology. Firstly, the ceramic slurry containing catalyst, resin, monomer, crosslinking agent and a certain amount of initiator are prepared before the printing process, and then they are respectively supplied to the main and secondary two printing heads, and the ultraviolet light source is opened. When printing, the print head movement by the section data of ceramic slurry and fiber extrusion, at the same time, from the main printing head from the print head from the initiator side, covering the surface of ceramic slurry and ceramic slurry under UV irradiation and coagulation initiated under the dual role of forming agent, printing by the ceramic body then, the ceramic parts obtained by degreasing and sintering. With this method, ceramic matrix composite parts with good toughness, high strength and high precision can be obtained, and the rapid manufacture of fiber reinforced ceramic matrix composite parts with complex structure can be realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法及装置
本专利技术属于3D打印技术和陶瓷烧结
，具体涉及一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法及装置。
技术介绍
3D打印技术是20世纪80年代后期发展起来的一项先进制造技术，可以直接根据产品设计数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，大大缩短产品加工周期，降低了研制的成本，对促进企业产品创新、提高产品竞争力有积极的推动作用。现代陶瓷由于其优越的光、电、热、磁、力学性能以及耐高温、抗腐蚀、耐辐射、高强度、高模量、高硬度、密度小、热膨胀系数小等特性而得到广泛应用。目前，陶瓷材料的直接成型已经成为快速成型技术的研究热点和重要发展方向之一。现有制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法有化学气相沉积法、先驱体转化法、熔融金属直接氧化法。但上述方法只能制成二维零件或是必须制造纤维预制体。纤维坯体的制备往往比较困难。目前较为先进的树脂基长纤维增强复合材料零件制造的方式多采用复合材料纤维铺放技术，即按零件结构所确定的铺层方向和铺层厚度要求，采用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束或窄带自动铺放在模具表面。所以，采用纤维预制体进行纤维增强陶瓷复合材料的制造工艺存在纤维敷设困难、成形方法单一、不能精确成形，且需要预先处理完成的纤维预浸料以及模具成本极高的等问题，无法实现复杂结构陶瓷复合材料零件的制备。在已有的技术中，连续纤维增强复合材料3D打印技术可以很好的弥补上述不足，该方法将增强纤维和加热熔融的热塑性树脂混合成的复合丝材打印成形，打印过程可以精确地控制增强纤维在复合材料零件中纤维的取向，能够实现具有特定机械、电和热性能的具有复杂结构复合材料零件的快速制造，且无需预先定制模具以及预先处理过的纤维预浸带，从而大大地减少了制造成本和生产周期。但目前该方法主要以普通热塑性树脂为原材料进行打印，未考虑采用陶瓷浆料进行打印从而直接制成陶瓷坯体零件的制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法及装置，可以得到具有良好的韧性、高强度的纤维增强陶瓷零件，且不需要设计、制造模具，从而大大地减少了成本和制造时间。为了达到上述目的，一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法，包括以下步骤：步骤一，在计算机上设计3D模型并转换成分层路径文件导入3D打印机；步骤二，制备假塑性陶瓷浆料，并供给到浆料入口B；步骤三，制备引发剂；步骤四，打开紫外光光源；步骤五，连续增强纤维持续供给到主打印头；同时，陶瓷浆料通过浆料入口B供给到主打印头；压缩气体从A入口通入，提供均匀压强；步骤六，当进行零件3D打印工作时，程序控制二维运动平台，带动打印头在工作台上按照当前层模型的截面数据运动；步骤七，主打印头喷嘴处的陶瓷浆料包裹住连续纤维并在压缩气体的压力作用下从喷嘴出口被挤出；步骤八，引发剂从引发剂喷头口喷射出，以雾状形态喷洒到打印出的陶瓷浆料上，陶瓷浆料在紫外光照射和引发剂的双重作用下凝固，由此打印出当前截面；步骤九，当完成模型当前一层的截面后，升降装置将带着工作台一起下降一个分层厚度；步骤十，重复步骤五至步骤九，直至零件完成；步骤十一，将打印完成的零件置于紫外光下照射2～3h，使其完全固化；步骤十二，对固化后的零件进行脱脂和高温烧结，即完成基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料的成形。所述步骤二中，陶瓷浆料的制备方法如下：第一步，将质量比为24：1：7：(40～60)的丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸钠和光固化树脂混合后，加入树丁醇或乙二醇溶剂中，搅拌均匀，配制成浓度为40～60％的树脂基预混液；第二步，按待打印的零件要求配制陶瓷粉料；第三步，将四甲基乙二胺与去离子水混合搅拌均匀，配置成浓度为60～75％的催化剂；第四步，将粉料加入到预混液中，并加入催化剂，充分搅拌、分散，制得粘度为1～5Pa.s的陶瓷浆料；第五步，加入质量分数0～2％作为增稠剂的黄原胶，得到陶瓷浆料。所述第二步中，陶瓷粉料采用2μm、5μm、40μm、100μm的陶瓷粉末根据零件性能所需，按不同比例混合而成。所述第二步中，陶瓷粉末采用氧化铝、氧化硅或碳化硅粉末，并加入质量分数1～5％的烧结助剂。所述烧结助剂采用氧化镁或氧化钇。所述步骤三中，引发剂的制备方法如下，将过硫酸铵与去离子水混合搅拌均匀，配置成浓度为65～80％的引发剂；所述步骤五中，连续增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚芳酰胺纤维和智能纤维中一种或多种复合在一起的纤维束。所述步骤十二中，氧化铝和氧化硅陶瓷采用常压或热压烧结，碳化硅陶瓷采用反应烧结、渗碳处理或进行化学气相渗透处理。一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形的装置，包括置于工作台上的零件支撑，零件支撑上放置有打印样件，打印样件上方并排设置有引发剂喷头和紫外光发射头，引发剂喷头和紫外光发射头间设置有纤维/陶瓷浆料喷头和粘流态陶瓷浆料，连续增强纤维通过纤维/陶瓷浆料喷头和粘流态陶瓷浆料间供给打印样件。所述紫外光发射头连接紫外光光源。与现有技术相比，本专利技术以连续增强纤维和陶瓷浆料为原料，先打印出高固相含量树脂基陶瓷浆料，随即喷射引发剂并施加紫外光照使得浆料快速凝固成形的陶瓷成形方法，实现了纤维增强陶瓷基复合材料的3D打印成型，本专利技术在3D打印方式上加以创新，打印材料的塑形方法采用双组分固化，通过在打印过程中喷射引发剂并加以紫外光照射，树脂基陶瓷浆料得以快速固化成型，并且在打印时加入连续增强纤维，使得打印的陶瓷零件坯体有纤维增强的特性；在打印完成后通过进一步紫外光照射的后处理过程，陶瓷零件坯体形状能够良好保持；最后通过脱脂，高温烧结后制得的陶瓷零件具有良好韧性、高强度和高精度。除此之外，该方法适用于不同成分的陶瓷材料的3D打印，具有多样性，使用该方法容易得到具有定制化力学性能的陶瓷零件，可实现具有复杂结构的纤维增强陶瓷基复合材料零件的快速制造。本专利技术的装置的连续增强纤维通过打印头内的通道向喷嘴处供应，均匀压强的压缩气体从打印头上方通入，陶瓷浆料包裹住连续纤维在压缩气体的推动从下方喷嘴中挤出，紫外光源在打印工作开始前开启，以保证陶瓷浆料中的树脂成分从喷头挤出后在光照下快速凝聚成型，本装置的引发剂喷头、紫外光发射头与陶瓷浆料打印头并排，并排方向与打印方向一致，引发剂喷头在左，紫外光发射头在右，陶瓷浆料从喷嘴挤出后能够立即被引发剂喷头喷射出的高浓度引发剂覆盖，同时，在右侧紫外光照射下，光明树脂固化。陶瓷浆料即在引发剂和紫外光作用下双组分固化，形成当前打印形状。附图说明图1为本专利技术所采用装置的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。参见图1，一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形的装置，包括置于工作台上的零件支撑7，零件支撑7上放置有打印样件1，打印样件1上方并排设置有引发剂喷头2和紫外光发射头6，引发剂喷头2和紫外光发射头6间设置有纤维/陶瓷浆料喷头3和粘流态陶瓷浆料4，连续增强纤维5通过纤维/陶瓷浆料喷头3和粘流态陶瓷浆料4间供给打印样件1，紫外光发射头6连接紫外光光源9。实施例1：1)、在计算机上设计3D模型并转换成分层路径文件导入3D打印机；2)、将质量比为24：1：7：4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在计算机上设计3D模型并转换成分层路径文件导入3D打印机；步骤二，制备假塑性陶瓷浆料，并供给到浆料入口B；步骤三，制备引发剂；步骤四，打开紫外光光源；步骤五，连续增强纤维持续供给到主打印头；同时，陶瓷浆料通过浆料入口B供给到主打印头；压缩气体从A入口通入，提供均匀压强；步骤六，当进行零件3D打印工作时，程序控制二维运动平台，带动打印头在工作台上按照当前层模型的截面数据运动；步骤七，主打印头喷嘴处的陶瓷浆料包裹住连续纤维并在压缩气体的压力作用下从喷嘴出口被挤出；步骤八，引发剂从引发剂喷头口喷射出，以雾状形态喷洒到打印出的陶瓷浆料上，陶瓷浆料在紫外光照射和引发剂的双重作用下凝固，由此打印出当前截面；步骤九，当完成模型当前一层的截面后，升降装置将带着工作台一起下降一个分层厚度；步骤十，重复步骤五至步骤九，直至零件完成；步骤十一，将打印完成的零件置于紫外光下照射2～3h，使其完全固化；步骤十二，对固化后的零件进行脱脂和高温烧结，即完成基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料的成形。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在计算机上设计3D模型并转换成分层路径文件导入3D打印机；步骤二，制备假塑性陶瓷浆料，并供给到浆料入口B；步骤三，制备引发剂；步骤四，打开紫外光光源；步骤五，连续增强纤维持续供给到主打印头；同时，陶瓷浆料通过浆料入口B供给到主打印头；压缩气体从A入口通入，提供均匀压强；步骤六，当进行零件3D打印工作时，程序控制二维运动平台，带动打印头在工作台上按照当前层模型的截面数据运动；步骤七，主打印头喷嘴处的陶瓷浆料包裹住连续纤维并在压缩气体的压力作用下从喷嘴出口被挤出；步骤八，引发剂从引发剂喷头口喷射出，以雾状形态喷洒到打印出的陶瓷浆料上，陶瓷浆料在紫外光照射和引发剂的双重作用下凝固，由此打印出当前截面；步骤九，当完成模型当前一层的截面后，升降装置将带着工作台一起下降一个分层厚度；步骤十，重复步骤五至步骤九，直至零件完成；步骤十一，将打印完成的零件置于紫外光下照射2～3h，使其完全固化；步骤十二，对固化后的零件进行脱脂和高温烧结，即完成基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料的成形。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的纤维增强陶瓷基复合材料成形方法，其特征在于，所述步骤二中，陶瓷浆料的制备方法如下：第一步，将质量比为24：1：7：(40～60)的丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸钠和光固化树脂混合后，加入树丁醇或乙二醇溶剂中，搅拌均匀，配制成浓度为40～60％的树脂基预混液；第二步，按待打印的零件要求配制陶瓷粉料；第三步，将四甲基乙二胺与去离子水混合搅拌均匀，配置成浓度为60～75％的催化剂；第四步，将粉料加入到预混液中，并加入催化剂，充分搅拌、分散，制得粘度为1～5Pa.s的陶瓷浆料；第五步，加入质量分数0～2％作为增稠剂的黄原胶，得到陶瓷浆料。3.根据权利要求2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，夏园林，曹继伟，卢秉恒，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61