陶瓷增材制造光固化多材料成形装置及方法

1.本发明属于3d打印领域，特别是涉及一种陶瓷增材制造光固化多材料成形装置及方法。


背景技术：

2.航空发动机和重型燃气轮机正朝着高推重比和大功率的方向发展，要求提高发动机涡轮前温度。为了提高涡前温度，现有技术从原来的多晶叶片发展到现在的单晶叶片、从实心叶片向复杂空心内腔叶片发展，目的就是为了不断提高发动机叶片的耐温能力，从而提升发动机的涡前温度。由于受金属熔点的限制，合金材料耐温能力的提升遇到了瓶颈，而叶片的复杂气冷内腔结构则成为提升叶片耐温能力的重要途径。陶瓷型芯是形成叶片复杂气冷内腔结构的关键，因此，陶瓷型芯的性能和质量直接影响叶片的合格率。对于陶瓷型芯而言，其较为关键的几个指标包括抗弯强度、开孔隙率、烧成收缩率、高温抗蠕变性能。随着陶瓷型芯的复杂程度越来越高，传统热压注的制备工艺已经难以制备更复杂结构的陶瓷型芯。
3.陶瓷以其较高的机械强度和硬度、良好的化学稳定性以及优异的声光电磁热等特性，被广泛应用于化工、机械、电子、航空航天和生物医学等领域。然而，这些传统制造工艺大多需要事先制造模具，使得整体生产周期较长，且无法成形具有高度复杂结构的陶瓷零件。此外，由于陶瓷具有极高硬度和脆性，使得其加工异常困难。一方面切削刀具容易磨损，另一方面也可能在加工过程中导致样件的开裂等缺陷的产生。而光固化3d打印陶瓷技术的出现，由于无需模具，为更复杂陶瓷型芯的制备提供了一种可靠的制备方式。对于光固化3d打印陶瓷型芯而言，由于陶瓷型芯要求较高的开孔隙率，在脱脂、烧结的过程中，陶瓷颗粒之间的粘接部分(烧结颈)是有限的，使得陶瓷型芯的强度低。因此，亟需一种工艺来强化光固化3d打印陶瓷型芯的烧结颈，提高增材陶瓷型芯的强度。
4.光固化3d打印技术是基于光敏材料的一类新型3d打印技术，具有精度高、成形快等特点，光固化成形工艺主要分为两大类：立体光刻（sl）与数字光处理（dlp）均是基于光聚合原理的3d打印，一般立体光刻工艺由位于成形平台上方的激光器提供紫外光束，而数字光处理技术则由位于成形平台下方的led提供紫外能量。在精密铸造过程中，为了满足实际功能需求，需采用多材料增材制造精密铸造方式，强化部分结构的力学性能，对部分结构替换特种陶瓷材料，但目前光固化工艺的多材料打印仍有空白。目前纵向的光固化多材料打印已有多种实现方式，但单层多材料的光固化打印仍难以解决。尽管目前通过多个料槽盛放多种材料进行切换打印的方式，一定程度上实现了同一层内光固化的多材料打印，但打印过程中，多个料槽材料互相污染的情况，仍难以避免。所以，对于光固化工艺受限制，只能使用单种材料的情况，多材料模型制造难以实现。
5.直写工艺是3d打印工艺的一种，可以直接对目标件进行打印，基于直写工艺的3d打印具有精度高、速度快的特点，但对墨水的粘度及固化速度要求高，难以实现大型模型的制造。
6.为了解决光固化工艺仅能使用单种材料的问题，本发明提出了一种光固化工艺与直写喷头协作的复合工艺3d打印系统及打印方法。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明公开了多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，解决了光固化工艺仅能使用单种材料的问题。
8.多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，包括数字光处理光源、直写式打印喷头、x轴、喷头架、打印平台和料槽；其中数字光处理光源位于打印平台的上方；打印平台位于料槽内且通过料槽底部的z轴电机控制打印平台的升降；x轴安装在料槽的x轴导轨上，两个x轴之间连接有y轴滑块，沿x轴的正向运动为机基准，所述y轴滑块上依次设有直写式打印喷头和刮刀；打印平台与料槽的底面平行，采用网格状结构。
9.进一步的，所述直写式打印喷头按装有温控装置，料槽用于盛放液态的光敏陶瓷材料且两侧有控温装置加热片，正面有温控屏幕。
10.料槽上的料槽底板设有开孔，使得z轴电机可通过螺杆结构控制打印平台的升降，同时孔于螺杆的接触面贴合，防止光敏陶瓷材料漏出。
11.进一步的，所述直写式打印喷头的底部设有喷嘴且顶部连接有进料管；其中加热片设置在所述直写式打印喷头的表面；所述直写式打印喷头的反面设有喷头架孔和铁片；未在工作状态的直写式喷头通过喷头架孔针孔对应的结构被悬挂在喷头架上。电磁铁通电以后吸着铁片，才能把喷头固定.进一步的，所述打印平台上设有网格且中间端设有第零层固化面。
12.料槽由槽和打印平台两个部分构成，槽被固定在打印设备的z轴上，用于承载液态的陶瓷打印材料。打印平台用于承载打印模型，呈细网格状，打印时液态光敏陶瓷材料的流动性不受网格面影响。打印平台经z轴电机的控制，上下移动。在打印前，需要确保料槽底面与水平面平行，防止光固化打印过程中产生的误差，避免模型打印失败。在首层的打印过程中，打印平台上升至与槽上水平面齐平，固化一定区域，区域内网格间空隙被固化的陶瓷材料填充，共同构成一个平面，作为打印模型的基底。在一个中间层的打印流程中，前一层打印结束后，刮刀抹平本层表面，打印平台沿z轴向下移动一个层厚的距离，打印平台的细网格能够令液态的陶瓷材料穿过，等待上料进行下一层打印。在打印结束后，打印平台在上位机控制z轴电机带动下，上升至行程最高点，此时模型从液态的陶瓷材料中升出，人工取模后，去除基底，并进行表面处理及烧结等后处理工艺，完成陶瓷模型的最终制造。
13.固化光源是数字光处理工艺常见的紫外光源，能够照射特定波长、指定图案的远程紫外光，对目标件的每层切片，以图案的形式进行照射，以固化光敏陶瓷打印材料，完成本层切片的模型制造。光源照射的图案是由数字微镜器件实现的，数字微镜器件是在半导体芯片上布置一个由微镜片（精密、微型的反射镜）所组成的矩阵，每一个微镜片控制投影画面中的一个像素。微镜片的数量与投影画面的分辨率相符，800
×
600、1024
×
768、1280
×
720和1920 x 1080（hdtv）是一些常见的数字微镜器件的尺寸，能够实现光固化陶瓷材料的高精度成形。
14.打印喷头安装在x轴的滑块上，经由上位机控制x轴电机，实现打印喷头在x轴上的运动。打印喷头采用喷头工艺，能够在高精度打印的同时，实现更高的效率。直写式喷头的
材料挤出工艺实现，可由多种方式完成，常见的有气动工艺挤出、螺杆挤出等，在打印材料不断挤出的同时，在滑块的带动下打印出切片图案。在打印过程中，打印喷头与滑块实质构成了三轴打印系统的y轴。x轴侧面固定了刮刀，在每层切片打印结束后，x轴正向运动的工作过程中，刮刀在x轴带动下，刮蹭模型表面，去除多余的打印材料。
15.陶瓷增材制造光固化多材料成形方法，包含以下步骤：步骤一：打印开始前，手动为料槽上料，直至陶瓷光敏材料的液面与料槽上水平面平齐，打印平台上升至行程最高点，同样与料槽的上水平面平齐，由于打印平台是网格状结构，因此光敏陶瓷材料能够从网格中流过，最终打印平台上表面与液面平齐的同时，沉浸在光敏陶瓷材料中；步骤二：打印开始时，首先进行模型基底的打印，根据上位机软件的切片图片处理，对模型的第零层进行打印，基底固化后，固化的光敏陶瓷材料填充在网格间，在打印平台的部分区域形成一个平面。
16.步骤三：依据上位机软件的切片及支撑处理结果，逐层进行打印；切片及支撑处理基于以下原则：根据设定的层厚对模型进行初步切片，对于某层无法对下一层提供有效支撑的情况，均采用额外固化本层一部分区域并用细长结构连接本层切片图案的方式处理。
17.步骤四：以料槽内光敏陶瓷材料为打印材料a，打印喷头内光敏陶瓷材料为打印材料b，仅有两种打印材料的模型为例；对非第零层的任意层，打印流程遵循以下原则：首先通过x轴滑块的电磁铁吸附对应喷头并抽出，对打印材料b在上一层切片图案与支撑的固化面上进行直写式打印，打印结束后，x轴归位，同时数字光处理光源对直写打印区域固化，如本层无打印材料b区域则略过；z轴带动打印平台下降一个层厚的距离，打印材料a流过网格状的打印平台，在数字化光处理光源的工作下，固化切片图案区域以及为下一层打印材料b准备的支撑区域，x轴正向运动带动刮刀刮去多余的打印材料。
18.步骤五：基于步骤四中对于层打印的原则，层层堆积，最终打印系统完成，实现多种液态光敏陶瓷材料的模型制造。
19.本发明的有益效果：1、能够实现光固化工艺的多材料高精度、高速成型，在单层中进行多材料的打印，满足陶瓷型芯部分结构采用多种材料提升性能的需求。
20.2、对比过去的多材料光固化打印，能够避免多料槽打印导致的材料污染；能够通过打印喷头与支撑配合，实现多材料打印过程的近净成形，减少不必要的材料损耗；能够改变光固化打印仅能在z轴完成多材料打印的现状，实现光固化单层的多材料打印，再由单层拓展至模型整体多材料打印。
附图说明
21.图1为本发明多材料陶瓷增材制造梯度温度调控复合成形装置示意图。其中有
ꢀ“
数字光处理光源1”、“直写式打印喷头2”、“x轴3”、“喷头架4”、“打印平台5”、“料槽6”、“控温装置加热片7”、“刮刀8”。
22.图2为本发明打印平台结构的截面示意图。其中有“打印平台5”、“料槽底板9”、“升降螺杆10”。
23.图3为打印喷头正反面细节图。其中有“进料管201”、“喷头架孔202”、“加热片
203”、“喷嘴204”、“铁片205”。
24.图4为第零层示意图。其中有
ꢀ“
打印平台5”、“网格501”、“第零层固化面502”。
25.图5为具体实施方式案例切片示意图（（a）第x层；（b）第x+1层；（c）第x+2层）。
26.图6为与图4切片对应的具体实施方式打印案例图（（a）第x层打印结束；（b）第x+1层打印材料b打印结束；（c）第x+1层打印材料a打印结束；（d）第x+2层打印材料b打印结束；（e）第x+2层打印材料a打印结束）。
实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
28.以两种打印材料的模型为例：打印开始前，先手动为料槽上料，将料槽中的陶瓷光敏材料称为打印材料a，打印喷头中的陶瓷光敏材料称为打印材料b，后文中均引用此描述方式。
29.上料后，上传切片模型，打印系统的三轴回归零位，准备开始第0层的打印，也就是模型基底的打印。z轴在电机带动下上升至与料槽上水平面平齐，且表面沉浸在打印材料a中，在固化光源的照射下，陶瓷光敏材料在打印平台的部分网格中被固化行成第零层固化面502，与打印平台共同构成一个平面，作为后续打印的基底。基底固化后，刮刀伴随x轴的正向运动，刮去基底表面多余的打印材料a，结束第0层的打印。
30.如图4所示，展示了模型切片的第x层、第x+1层和第x+2层。下面详细介绍从第x层至第x+2层的打印过程：如图4所示，第x层仅由打印材料a构成，在第x-1层打印结束后，z轴下降一个层厚的距离，在固化光源依据上位机控制的指定照射下，陶瓷光敏材料在第x-1层表面按切片图案形状固化，形成第x层的模型。第x层固化后，x轴在电机的带动下，正向运功。此时，与x轴正向的同向上，刮刀在前，打印喷头在后，刮刀刮去第x层表面，多余打印材料a的同时，打印喷头在上位机控制下，先将直写式打印喷头2吸附并抓取，对第x+1层的打印材料b切片区域进行喷射打印。当x轴正向运动至行程最大位置后，第x+1层的打印材料b切片以未固化形态打印完成，固化光源对其进行照射，由于打印材料b是打印喷头喷射进行初步打印，因此喷射量由板卡严格控制，光照后喷射量几乎完全固化，不会因后续z轴的沉降导致打印材料的互相污染。
31.同时，喷射的打印材料b被固化后，x轴反向运动回归至零位，z轴下降一个层厚的距离，准备第x+1层的打印材料a区域的打印。在固化光源的照射下，第x+1层的打印材料a切片区域被固化。由于第x+2层存在打印材料b的区域缺少打印平面，因此，在第x+1层的切片中，包含了对第x+2层的支撑打印，支撑切片由上位机软件自动生成，为下一层缺少打印平面的情况提供支撑。当第x+1层被完全固化后，在电机的带动下，x轴正向运动，刮刀刮去第x+1层表面的多余打印材料a，同时对第x+2层的打印材料b区域进行喷射打印。x轴正向运动过程结束后，固化光源在固化第x+2层打印材料b区域的同时，x轴回归零位，z轴下降一个层厚的距离，对第x+2层的打印材料a区域进行固化。
32.综上，第x层展示了本层仅有打印材料a，且下一层无需支撑的情况；第x+1层展示了本层有两种打印材料，且下一层需要支撑的情况；第x+2层展示了本层有两种打印材料，且下一层无需支撑的情况，支撑采用细长型的结构，便于取模后处理过程的去除。根据以上的各种情况，不断重复单层的打印过程，层层堆积两种打印材料在单层的制造，最终完成目标件。
33.通过以上的方式，就可以在避免多种打印材料相互污染的前提下，实现多种液态陶瓷光敏材料在同一层内的打印，并最终层层堆积完成目标件的一体化打印成形。
34.在打印过程中，直写式打印喷头和料槽侧面的梯度温控装置始终保持加热工作状态，避免两个片层结构固化，难以连接的情况。
35.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

技术特征：
1.多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，其特征在于：包括数字光处理光源（1）、直写式打印喷头（2）、x轴（3）、喷头架（4）、打印平台（5）和料槽（6）；其中数字光处理光源（1）位于打印平台（5）的上方；打印平台（5）位于料槽（6）内且通过料槽（6）底部的z轴电机控制打印平台（5）的升降；x轴（3）安装在料槽（6）的x轴导轨上，两个x轴（3）之间连接有y轴滑块，沿x轴（3）的正向运动为机基准，所述y轴滑块上依次设有直写式打印喷头（2）和刮刀（8）；打印平台（5）与料槽（6）的底面平行，采用网格状结构。2.根据权利要求1所述的多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，其特征在于：所述直写式打印喷头（2）按装有温控装置，料槽（6）用于盛放液态的光敏陶瓷材料且两侧有控温装置加热片（7），正面有温控屏幕。3.根据权利要求1所述的多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，其特征在于：其中料槽（6）的料槽底板（9）上设有开孔，使得z轴电机（10）可通过螺杆结构控制打印平台（5）的升降，同时孔于螺杆的接触面贴合，防止光敏陶瓷材料漏出。4.根据权利要求1所述的多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，其特征在于：所述直写式打印喷头（2）的底部设有喷嘴（204）且顶部连接有进料管（201）；其中加热片（203）设置在所述直写式打印喷头（2）的表面；所述直写式打印喷头（2）的反面设有喷头架孔（202）和铁片（205）；未在工作状态的直写式喷头（2）通过喷头架孔（202）针孔对应的结构被悬挂在喷头架（4）上。5.根据权利要求1所述的多材料陶瓷结构增材制造复合成形装置，其特征在于：所述打印平台（5）上设有网格（501）。6.陶瓷增材制造光固化多材料成形方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：打印开始前，手动为料槽（6）上料，直至陶瓷光敏材料的液面与料槽（6）上水平面平齐，打印平台（5）上升至行程最高点，同样与料槽（6）的上水平面平齐，由于打印平台（5）是网格状结构，因此光敏陶瓷材料能够从网格中流过，最终打印平台上表面与液面平齐的同时，沉浸在光敏陶瓷材料中；步骤二：打印开始时，首先进行模型基底的打印，根据上位机软件的切片图片处理，对模型的第零层进行打印，基底固化后，固化的光敏陶瓷材料填充在网格间，在打印平台的部分区域形成一个平面；步骤三：依据上位机软件的切片及支撑处理结果，逐层进行打印；切片及支撑处理基于以下原则：根据设定的层厚对模型进行初步切片，对于某层无法对下一层提供有效支撑的情况，均采用额外固化本层一部分区域并用细长结构连接本层切片图案的方式处理；步骤四：以料槽（6）内光敏陶瓷材料为打印材料a，打印喷头内光敏陶瓷材料为打印材料b，仅有两种打印材料的模型为例；对非第零层的任意层，打印流程遵循以下原则：首先通过x轴滑块的电磁铁吸附对应喷头并抽出，对打印材料b在上一层切片图案与支撑的固化面上进行直写式打印，打印结束后，x轴归位，同时数字光处理光源对直写打印区域固化，如本层无打印材料b区域则略过；z轴带动打印平台下降一个层厚的距离，打印材料a流过网格状的打印平台，在数字化光处理光源的工作下，固化切片图案区域以及为下一层打印材料b准备的支撑区域，x轴正向运动带动刮刀刮去多余的打印材料；步骤五：基于步骤四中对于层打印的原则，层层堆积，最终打印系统完成，实现多种液态光敏陶瓷材料的模型制造。

技术总结
本发明公开了陶瓷增材制造光固化多材料成形装置及方法，能够克服光固化陶瓷多材料打印过程中，材料互相污染，或仅能在纵向实现多材料光固化打印的缺点。采用新协同复合成形策略，配合梯度温控装置保持材料打印过程中的流动性，能够实现液态光敏陶瓷材料的高精度、高效率多材料成形。本发明采用三轴运动的机械结构，在单层陶瓷浆料打印中，基于上位机软件的切片算法和支撑处理，以数字光处理光源实现目标件主要陶瓷材料切片及下一层支撑的打印，同时配合X轴上的直写式打印喷头，定点、定量挤出其他材料，结合光源的二次固化，实现光固化工艺的单层多材料打印，最终层层堆积，完成目标件的高质量、一体化成形。一体化成形。一体化成形。


技术研发人员：杨浩秦 单忠德 黄睿涛
受保护的技术使用者：南京航空航天大学无锡研究院
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/1