[发明专利]一种陶瓷构件的3D冷冻打印方法

说明书

本发明涉及一种陶瓷构件的3D冷冻打印方法。所述方法包括如下步骤：(1)将陶瓷粉体、硅溶胶、聚乙二醇和聚乙烯醇进行球磨，得到陶瓷料浆；(2)将3D打印装置的打印空腔冷却至零下10℃到零下60℃，然后采用陶瓷料浆进行打印，从喷嘴挤出的湿泥料粘接在打印底板上，形成第一层泥料；持续进行打印，从喷嘴挤出的湿泥料在第一层泥料上继续形成第二层泥料、第三层泥料，······，第N层泥料；形成的泥料层逐渐融合，当打印至4‑10层时，泥料层内部以及层间逐渐冷冻固化，得到生坯；(3)将生坯进行冷冻干燥，再进行加热、烧结，得到所述陶瓷构件。本发明提供的方法有利于实现打印陶瓷的整体性，提高层间结合强度。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种陶瓷构件的3D冷冻打印方法。

背景技术

近些年，3D打印技术发展迅速，在有机、金属类材料制备上已行成初步的产业链。相对而言，陶瓷3D打印技术发展缓慢，还处于现有打印技术基础上的打印应用阶段。目前，现有陶瓷3D打印技术在陶瓷制备中存在产品密度低、烧结收缩大、力学性能不足、环境不友好等问题，新的陶瓷3D打印途径亟待研发。

水基陶瓷料浆在陶瓷生坯成型、干燥、烧结等整个工艺过程都不存在环境污染，是一种绿色、环保的陶瓷原料。将水基浆料用于固体自由成型式3D打印，陶瓷“墨水”的组分搭配不受限制，易于技术拓展应用。因此，水基陶瓷浆料用于3D打印，是新一代陶瓷3D打印技术。但是，陶瓷料浆在3D打印技术应用中难以通过自身强度支撑获得复杂结构样件，冷冻是实现水基浆料固化最简单和有效的途径。冷冻成型作为常见的陶瓷制备技术，主要的工艺步骤是将陶瓷浆料在低温下先行冻结至共晶点以下，使浆料中的水变成固态冰，然后在适当的真空环境下，使冰直接升华为水蒸汽而除去，从而获得具有一定强度的陶瓷坯体。

但是目前这方面的研究较少，层间强度还很难满足实际需求，冷冻过程如何使得层间克服冰晶膨胀应力，实现高强度层间结合成为待解决的技术问题。

发明内容

针对现有的陶瓷产品3D打印工艺存在的层间结合强度不高，冷冻过程层间难以克服冰晶膨胀应力以实现高强度层间结合的技术问题，本发明提供了一种新的层间打印的3D打印方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种陶瓷构件的3D冷冻打印方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将陶瓷粉体、硅溶胶、聚乙二醇和聚乙烯醇进行球磨，得到陶瓷料浆；

(2)将3D打印装置的打印空腔冷却至零下10℃到零下60℃，然后采用步骤(1)得到的陶瓷料浆进行打印，从喷嘴挤出的湿泥料粘接在打印底板上，形成第一层泥料；持续进行打印，从喷嘴挤出的湿泥料在第一层泥料上继续形成第二层泥料、第三层泥料，······，第N层泥料；形成的泥料层逐渐融合，当打印至4-10层时，泥料层内部以及层间逐渐冷冻固化，得到生坯；

(3)将步骤(2)打印后得到的生坯进行冷冻干燥，再进行加热、烧结，得到所述陶瓷构件。

优选地，所述陶瓷粉体选自氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化锆、碳化硅中的任一种或多种；优选地，所述陶瓷粉体的粒径具有如下的级配：小于200nm的粉体占3-5％，200nm-1.0μm的粉体占10-15％，1-10μm的粉体占30-40％，10-30μm的粉体占20-30％，大于30μm的粉体占10-20％。

优选地，所述硅溶胶为固含量为15-30％的酸性硅溶胶；优选地，所述硅溶胶的质量为所述陶瓷粉体的质量的25-50％。

优选地，所述聚乙二醇的质量为所述陶瓷粉体质量的0.2-3％。

优选地，所述聚乙烯醇的质量为所述陶瓷粉体质量的0.5-3％。

优选地，所述陶瓷料浆为固含量55-75％的陶瓷料浆。

优选地，通过液氮制冷对打印空腔进行冷却。