專利名稱：復雜形狀陶瓷件的疊層制備法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用計算機完成復雜形狀陶瓷件的疊層制備方法。
背景技術：
隨著中國經濟的迅猛發展，在高技術、國防、機械、電子等工業領域，對 工程陶瓷產品的需求量不斷加大，需求品種不斷增多。今后陶瓷材料和產品的 需求趨勢是品種多，批量小；研制、生產周期縮短。而陶瓷材料自身，尤其 是復雜形狀的陶瓷零件，也存在難成形、難加工、成本高等問題。解決以上問 題的關鍵是開發低成本、高效率陶瓷產品生產技術。快速成形技術(Rapid Prototyping and Manufacturing)是八十年代中期發 展起來的一種造型新技術，由于快速成形技術無需機械加工或任何模具，直接 從CAD模型生成復雜形狀的制件，因而產品研制周期縮短，生產率提高，生產 成本降低。分層實體造型(Laminated Object Manufacturing,簡稱LOM)是將 薄膜材料逐層激光切割成所需形狀，然后疊加在一起的造型方法。分層實體造 型技術在陶瓷領域中的應用包括，Dayton大學的Donald A. Klosterman等應 用分層實體造型技術制備了陶瓷件、陶瓷基復合材料。Lone Peak工程公司的 E. Alair Griffin等w采用分層實體造型技術制備了Zr02和AlA陶瓷件。該公 司的Curtis Griffin^等采用L0M技術制備了 AIA試樣和零件。Case Western Reserve大學的 James D. Cawley 等采用 CAM-LEM (Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials)技術制作陶瓷件，其 成形原理與分層實體造型技術相同。
發明內容
本發明的目的是提供一種采用疊層法制備復雜形狀陶瓷件。 上述的目的通過以下的技術方案實現復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其組成包括設計零件、備料、混料、片 層設計、片層粘結、陶瓷零件的燒結，所述的備料包括選擇三氧化二鋁粉體和 確定陶瓷粒度的尺度范圍及顆粒的純度，所述的片層設計是首先使用三維造型軟件將所需要制備的零件的三維圖形輸入到計算機中，然后在計算機上對零件進行分層，片材厚度被確定為0.3 1.0mm，生成單層零件的加工指令，然后再 通過數控設備加工零件單層。所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，所述的備料是選定粒徑在1 15 Mm， 平均為2拜的三氧化二鋁粉末，根據零件的設計要求確定陶瓷粒度為粒徑在l 15 |um，平均為2 ^n。所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，所述的混料是先將需要量110% 130%的三氧化二鋁粉體倒入混料容器中，再將粘結劑加入其中，用大功率攪拌 機進行3~5小時同向攪拌，使三氧化二鋁粉體與粘結劑充分混合。所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，所述的片層粘結是將用數控設備產 生的零件片層用專用粘結劑均勻地涂在片層表面，在涂抹粘結劑的時候要注意 使每一個部件都要涂到，不可有遺漏的地方。所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，所述的陶瓷零件的燒結是在進行燒 結之前，要對陶瓷零件，進行預燒，60 80攝氏度的環境下燒烤1 2小時，以使 片層間粘結劑充分固化，將粘結在一起的片層轉移至燒結爐中并升溫，升溫速 度控制在10'C左右。當溫度在240 52(TC區間時，升溫速度要控制在5。C/分鐘， 以對片層進行脫脂。溫度達到1580'C時保溫30分鐘。這個技術方案有以下有益效果1、 本發明可以制備出各種形狀的零件，例如一些中空的零件的制備，可以 將該零件分割為許多小片，最后通過本發明所使用的粘結方法將它們聯合在一 起。而像這樣的零件，用一般設備來加工非常困難的或者無法完成。大大降低 了零件的加工難度；2、 本發明制作各種形狀的零件均可不用制作模具，從而在一定程度上降低 了生產成本；3、 本發明對制作單件或小批量且對強度要求不高的零件具有較高的實用價 值。對于一些實驗性的零件，只要通過本發明中的方法可以比較容易地制造出 想要的零件；4、 作為成型工藝，分層實體造型工藝在制備一維梯度功能材料具有優勢，由于膜厚均勻致密，成分易于控制，并且可以做一定程度的變形，對比其它成 分分布控制手段，分層實體造型工藝更靈活而有效。5、由于快速成形技術無需機械加工或任何模具，直接從CAD模型生成復雜 形狀的制件，因而產品研制周期縮短，生產率提高，生產成本降低。
附圖1是本發明零件分割示意圖。本發明的
具體實施例方式實施例l:復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其組成包括設計零件、備料、混料、片 層設計、片層粘結、陶瓷零件的燒結，所述的備料包括選擇三氧化二鋁粉體和 確定陶瓷粒度的尺度范圍及顆粒的純度，所述的片層設計是首先使用三維造型 軟件將所需要制備的零件的三維圖形輸入到計算機中，然后在計算機上對零件 進行分層，生成單層零件的加工指令，然后再通過數控設備加工零件單層。所述的備料是選定粒徑在1 15拜，平均為2 pin的三氧化二鋁粉末，根 據零件的設計要求確定陶瓷粒度為粒徑在1 15 nm,平均為2 nm。所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，所述的混料是先將需要量110% 130%的三氧化二鋁粉體倒入混料容器中，再將粘結劑加入其中，用大功率攪拌 機進行3~5小時同向攪拌，使三氧化二鋁粉體與粘結劑充分混合。所述的片層粘結是將用數控設備產生的零件片層用專用粘結劑均勻地涂在 片層表面，在涂抹粘結劑的時候要注意使每一個部件都要涂到，不可有遺漏的 地方。所述的陶瓷零件的燒結是在進行燒結之前，要對陶瓷零件進行預燒，60 80攝氏度的環境下燒烤1 2小時，以使片層間粘結劑充分固化，將粘結在一起 的片層轉移至燒結爐中并升溫，升溫速度控制在IO'C左右。當溫度在240 52C 。C區間時，升溫速度要控制在5'C/分鐘，以對片層進行脫脂。溫度達到1580'C 時保溫30分鐘后即可切斷燒結爐電源，使坯體隨爐冷卻至室溫。實施例2:根據使用要求，我們設計出如下了如附圖所示的零件，其外觀尺寸為200X 200 X 400mm3的零件。為了使成本與質量之間達到最佳結合點，在本實施例中，我們采用的三氧 化二鋁的純度為96%，其平均粒度分布在1 15 ^m,平均為2 mjd。將稱量好的三氧化二鋁粉體倒入混料用的容器內，并倒入適量的質量濃度 為796的PVB，使用大功率攪拌機進行3小時的同方向攪拌；在攪拌的同時，使用M-RPMS-II多功能快速成型系統對零件進行分層實體 造型。將所設計的零件的三維圖形用Pro/Engineer Wildfire 3輸入到計算機 內，生成STL文件，根據STL文件進行工藝規劃。然后對STL文件進行分層(如 附圖1)，生成單層的控制指令，通過數控卡控制硬件的各種動作，加工零件。 片材厚度被確定為0.7 mm。在本實施例中，首先加工出底面方向的片層，最后 再加工頂面方向的片層。將已經生產出來的片層按片層加工的先后順序擺放。為減少片層搬運次數， 可在上一個片層完全被粘結好再進行下一層的粘結，也不可同時對多個片層涂 粘結劑。但可將這些片層分成若干組，每一組可按上面的原則進行粘結，以提 高效率。在所有的片層被粘結在一起后，可在80攝氏度的環境下燒烤2小時，以使 粘結劑充分固化。然后將粘結在一起的片層轉移至燒結爐中并升溫，升溫速度 控制在1(TC左右。當溫度在240 52(TC區間時，升溫速度要控制在5XV分鐘， 這樣可以對片層進行脫脂。溫度達到1580。C時保溫30分鐘后即可切斷燒結爐電 源，使坯體隨爐冷卻至室溫。
權利要求
1.一種復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其組成包括設計零件、備料、混料、片層設計、片層粘結、陶瓷零件的燒結，其特征是所述的備料包括選擇三氧化二鋁粉體和確定陶瓷粒度的尺度范圍及顆粒的純度，所述的片層設計是首先使用三維造型軟件將所需要制備的零件的三維圖形輸入到計算機中，然后在計算機上對零件進行分層，片材厚度被確定為0.3～1.0mm，生成單層零件的加工指令，然后再通過數控設備加工零件單層。
2. 根據權利要求1所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是所述 的備料是選定粒徑在1 15 平均為2 ^rn的三氧化二鋁粉末，根據零件的 設計要求確定陶瓷粒度為粒徑在1 15拜，平均為2 Mm。
3. 根據權利要求1或2所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是 所述的混料是先將需要量110% 130%的三氧化二鋁粉體倒入混料容器中，再將 粘結劑加入其中，用大功率攪拌機進行3 5小時同向攪拌，使三氧化二鋁粉體 與粘結劑充分混合。
4. 根據權利要求1或2所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是所述的片層粘結是將用數控設備產生的零件片層用專用粘結劑均勻地涂在片層 表面，在涂抹粘結劑的時候要注意使每一個部件都要涂到，不可有遺漏的地方。
5. 根據權利要求3所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是所述的片層粘結是將用數控設備產生的零件片層用專用粘結劑均勻地涂在片層表 面，在涂抹粘結劑的時候要注意使每一個部件都要涂到，不可有遺漏的地方。
6.根據權利要求4所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是所 述的片層粘結是將用數控設備產生的零件片層用專用粘結劑均勻地涂在片層表 面，在涂抹粘結劑的時候要注意使每一個部件都要涂到，不可有遺漏的地方。
7.根據權利要求1或2或5或6所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其 特征是所述的陶瓷零件的燒結是在進行燒結之前，要對陶瓷零件進行預燒， 60 80攝氏度的環境下燒烤1 2小時，以使片層間粘結劑充分固化，將粘結在 一起的片層轉移至燒結爐中并升溫，升溫速度控制在l(TC左右。當溫度在240 520'C區間時，升溫速度要控制在5'C/分鐘，以對片層進行脫脂。溫度達到1580 。C時保溫30分鐘。
8. 根據權利要求3所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是所述 的陶瓷零件的燒結是在進行燒結之前，要對陶瓷零件進行預燒，60 80攝氏度 的環境下燒烤1 2小時，以使片層間粘結劑充分固化，將粘結在一起的片層轉 移至燒結爐中并升溫，升溫速度控制在l(TC左右。當溫度在240 520'C區間時， 升溫速度要控制在5XV分鐘，以對片層進行脫脂。溫度達到158(TC時保溫30 分鐘。
9. 根據權利要求4所述的復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，其特征是所述 的陶瓷零件的燒結是在進行燒結之前，要對陶瓷零件進行預燒，60 80攝氏度 的環境下燒烤1 2小時，以使片層間粘結劑充分固化，將粘結在一起的片層轉 移至燒結爐中并升溫，升溫速度控制在l(TC左右。當溫度在240 52(TC區間時， 升溫速度要控制在5XV分鐘，以對片層進行脫脂。溫度達到158(TC時保溫30 分鐘。
全文摘要
復雜形狀陶瓷件的疊層制備法，快速成形技術是八十年代中期發展起來的一種造型新技術，由于快速成形技術無需機械加工或任何模具，直接從CAD模型生成復雜形狀的制件。分層實體造型是將薄膜材料逐層激光切割成所需形狀，然后疊加在一起的造型方法。本發明組成包括設計零件、備料、混料、片層設計、片層粘結、陶瓷零件的燒結，所述的備料包括選擇三氧化二鋁粉體和確定陶瓷粒度的尺度范圍及顆粒的純度，所述的片層設計是首先使用三維造型軟件將所需要制備的零件的三維圖形輸入到計算機中，然后在計算機上對零件進行分層，片材厚度被確定為0.7mm，生成單層零件的加工指令，然后再通過數控設備加工零件單層。本發明涉及材料領域。
文檔編號C04B37/00GK101333115SQ200710072420
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月29日 優先權日2007年6月29日
發明者周玉鋒, 孟松鶴, 左洪波, 張宇民, 杜善義, 赫曉東, 韓杰才 申請人:哈爾濱工業大學