高性能陶瓷3D打印成型工艺及调控机理
近年来高性能陶瓷在各个领域的需求量都在逐渐增大。陶瓷材料3D打印技术是近几年异军突起的一种新型制造技术，目前常用的几种方式分别为光固化成形技术(SLA)、浆料直写成型技术(DIW)、激光选区熔化技术(SLM)、熔融沉积成型技术(FDM)等，3D打印制造陶瓷的新型技术相比于传统制造方法有其独特的优越性，可以轻易制造出形状复杂的零件且实现批量生产，但是陶瓷特有的脆性问题也成为了制约其发展的重要因素之一。本课题将针对现今3D打印制造陶瓷制品的不足，提出一种以聚合物熔体微分为基础，并结合FDM的3D打印技术，其具有制造成本低廉、打印需求较少、精度高以及强度足以应用在工业用途等优点。 本课题将从陶瓷浆料的制备、3D打印平台的搭建与改良、成型工艺、脱脂工艺及烧结工艺几方面进行研究，下面将介绍本课题的主要研究内容与成果: (1)在材料方面选用球形碳化硅陶瓷粉末，粘结剂使用浓度为10％的聚乙烯醇水溶液。先进行理论计算分析固相与液相组分的大致比例，再通过实验进行进一步的确认，最终得到碳化硅陶瓷与聚乙烯醇水溶液的最佳比例为3∶2，按此比例配置出的浆料可以稳定挤出，不会对喷头进行堵塞，且有着保证挤出情况下最大的粉末装载量，为其他陶瓷浆料的配置奠定了理论基础。 (2)3D打印机的机身支撑使用普通钢架，通过控制机头来保证打印时的X-Y轴平面运动，传动装置使用皮带，能保证传动的稳定性及精确性;控制基板来保证打印时的Z轴运动，使用螺杆传动机构，能保证有足够的力控制基板上下运动，所有的动力都由步进电机提供。机头采用亚克力板切割制成，好处是重量轻、成本低且容易观察到打印的具体情况。后续考虑到料筒的强度不足，可能会影响到成品的精度，因此又利用3D打印技术制造了支撑结构来保证料筒的强度，并对亚克力板进行重新切割，加强其承重力减少变形。 (3)通过大量实验对喷头直径、挤出压力、打印速度、层高、打印间距等参数的研究，分析其彼此间的联系及对最终成型质量和精度的影响。最终确定最优参数为:喷头直径:1.00mm;挤出压力:30psi;挤出倍率:0.02;挤出线宽:0.50mm;层高:0.40mm;默认打印速度:600mm/min;打印间距:0.50mm，在此参数下能够打印出质量合格的样件。 (4)对打印出的碳化硅陶瓷制品进行脱脂后处理，并通过大量实验确定其最佳工艺。首先通过对碳化硅进行热重分析，得到其曲线，并由此确定脱脂基本步骤，再进行脱脂温度与保温时间对制品脱脂率、体积收缩的影响的实验，拟合出最优的脱脂工艺曲线，并由此获得最佳脱脂制品，最终的脱脂率达到0.95;随后通过电镜观察其微观形貌下的脱脂效果。 (5)脱脂完成后由于粘结剂的脱除，制品内部充满孔隙，强度极低，因此需要进行高温烧结工艺来增加样品的致密度，从而提高其机械性能。从烧结温度、升温速率、保温时间三个参数研究了其对最终成品质量的影响，通过大量实验对比最终确定最优烧结工艺曲线:从室温开始以5℃/min的升温速率升至250℃并保温半小时，以3℃/min的升温速率升至400℃并保温半小时，随后以10℃/min的升温速率升至950℃并保温3小时，最后以5℃/min的升温速率升至1450℃并保温2小时。以此曲线加工成的制品形貌完好且尺寸可控，最终密度为2.343g/cm3，抗弯强度为125.67Mpa，收缩率约为12.6％。
陶瓷材料;3D打印;工艺参数;机械性能
北京化工大学
硕士
机械工程
丁玉梅;陈守君
2020
中文
TQ174.6
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）