[发明专利]一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置和打印成型方法

权利要求书

1.一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置，其特征在于，所述装置包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元；

所述固化成型系统包括激光扫描机构、成型平台、成型缸和Z轴升降机构；所述激光扫描机构位于成型平台的上方；所述成型平台安装在成型缸顶部，与Z轴升降机构连接并可随Z轴升降机构做间歇性Z轴上下线性运动；

所述纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒、纤维喷头、滑块、X-Y平面运动机构和高压电源；所述聚合物料盒与纤维喷头互相连接并且均固定在滑块上，滑块安装在X-Y平面运动机构上并可沿X方向滑动；所述高压电源与控制单元电连接，用于根据控制单元的控制指令在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料采用静电纺丝技术经由纤维喷头铺设在成型平台上；

所述铺料系统包括相互连接的基体材料料盒和基体材料喷头；基体材料料盒和基体材料喷头均安装在滑块上与聚合物料盒相邻位置；所述控制单元与基体材料喷头连接，通过控制材料进给量，使基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头铺设在成型平台上，并包裹预铺设的连续纤维材料；

所述聚合物料盒与基体材料料盒中材料的挤出由压缩空气或机械传动驱动；

所述的X-Y平面运动机构、高压电源、激光扫描机构、成型缸、Z轴升降机构均安装在机架上；所述控制单元分别通过控制线路控制：(1)纤维喷头、基体材料喷头的运动路径，(2)连续纤维材料和基体材料的挤出速率，(3)高压电源的供给量，(3)成型平台的升降路径，(5)激光扫描机构的扫描固化路径；

所述激光扫描机构的光源波长范围为350-460nm。

2.一种基于权利要求1所述的陶瓷基复合材料3D打印成型装置的打印成型方法，其特征在于，所述打印成型方法包括：

S1，将需要制备的零件三维模型导入切片软件中，设置包括分层厚度、纤维填充率、扫描速率在内的加工参数，得到零件三维模型的分层数据和对应的切片数据；

所述分层厚度为20-300um；

S2，将成型平台归零，设i＝1，零件三维模型的总层数为n；

S3，调取第i个分层的分层数据；

S4，驱使高压电源在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，同时X-Y平面运动机构带动纤维喷头在成型平台上方按照当前调取的分层数据运动，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料在电场作用下，生成纳米连续纤维并铺设在成型平台上，形成连续纤维层，连续纤维层的厚度不大于当前分层厚度的3/4；所述连续纤维材料包括高分子连续纤维材料或陶瓷陶瓷纤维材料；

所述连续纤维层的铺设厚度为20-200um；

S5，驱使X-Y平面运动机构带动基体材料喷头在成型平台上根据当前调取的切片数据运动，同时控制单元控制材料进给量，使基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头在成型平台上按照对应的切片数据均匀铺设，形成包裹步骤S2中预铺设的连续纤维层的基体层，基体层的厚度为切片厚度；

S6，驱使激光扫描机构按照当前调取的分层数据扫描光固化基体材料，使得基体材料由液态转化为固态，同时，将预铺设的连续纤维粘接在基体材料中，完成单层纤维增强复合材料的固化成型；

S7，基板下降一个分层厚度的距离，i＝i+1,重复步骤S3-S6,直至i达到n+1，最终得到连续纤维增强复合材料制件；

S8，对连续纤维增强复合材料制件进行后处理，得到连续纤维增强聚合物制件或陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料。

3.根据权利要求2所述的打印成型方法，其特征在于，步骤S8中，所述对连续纤维增强复合材料制件进行后处理的过程包括以下步骤：

对连续纤维增强复合材料制件依次执行清洗、脱脂、烧结工序，其中脱脂温度不高于800℃，脱脂过程升温速率为0.1-1℃/min，烧结温度为1000-1800℃，烧结后连续纤维前驱体转化为连续陶瓷纤维，陶瓷前驱体转化为陶瓷基体，最终得到连续纤维增强陶瓷基复合材料。