專利名稱：一種復(fù)雜陶瓷零件的快速制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜陶瓷零件的快速制造方法。
背景技術(shù)：
陶瓷作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等 優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。然而，陶瓷硬而脆的特點(diǎn)給陶瓷件的成 形、加工帶來了很多困難。尤其是形狀復(fù)雜的陶瓷件，通常需要通過復(fù)雜的模 具來實(shí)現(xiàn)。而復(fù)雜模具需要較高的制作成本和較長的制作周期，從而制約了原 形件和小批量的陶瓷零件生產(chǎn)。在市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新速度日益加快 的今天，這種生產(chǎn)狀況已經(jīng)越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)生存和發(fā)展的需要。
薄材疊層制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)是快速成形技術(shù) (RapidPrototyping, RP)的一種，該技術(shù)采用背面涂有熱敏性粘接劑的薄膜 材料為原料，先由CAD三維造型軟件設(shè)計出所需零件的計算機(jī)三維實(shí)體模型， 然后按工藝要求將其按一定厚度分解成一系列二維截面，即把原來的三維立體 信息變成二維平面信息。根據(jù)這些數(shù)據(jù)用激光將薄膜依次切成零件的各層形狀 并疊加起來成為實(shí)體件，層與層間的粘結(jié)靠加熱和加壓來實(shí)現(xiàn)。LOM可以快 速成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維模型或零件。
目前，已經(jīng)有利用LOM技術(shù)制造陶瓷零件的相關(guān)研究，其基本的步驟為 用LOM技術(shù)成形陶瓷零件初坯；對零件初坯進(jìn)行脫脂處理和高溫?zé)Y(jié)后得到 具有一定強(qiáng)度、形狀的陶瓷零件。然而，這種工藝步驟可能存在以下的問題 由于坯體致密度很低，粉末顆粒間距離過大，常常導(dǎo)致在高溫?zé)Y(jié)過程中無法 致密化，因而零件的機(jī)械性能較低。
冷等靜壓(ColdIsostaticPressing, CIP)技術(shù)通過均勻施加外來壓力，使
粉末顆粒發(fā)生位移、變形或碎裂，縮短顆粒間的距離，擴(kuò)大粉末顆粒間的接觸 面積，增強(qiáng)顆粒間機(jī)械嚙合的程度，具有壓坯均勻性好、可以成形復(fù)雜形狀的
壓坯、機(jī)加工量少、節(jié)省原料等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明將冷等靜壓技術(shù)引入LOM陶瓷 形坯的后處理，可以顯著提高陶瓷形坯的致密度，對后續(xù)的燒結(jié)工藝以及零件 的最終性能都能起到顯著的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜陶瓷零件的快速制造方法，該方法工藝簡 單，生產(chǎn)成本相對較低，所制備的陶瓷零件具有較高的致密度和機(jī)械性能，并 且可以在較短時問內(nèi)生產(chǎn)出形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷零件。
本發(fā)明提供的復(fù)雜陶瓷零件的快速制造方法，其步驟包括-
(1) 采用三維造型軟件設(shè)計出零件三維CAD模型，然后由切片軟件處理 后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息傳送到薄材疊層制造快速成形系統(tǒng)；
(2) 以涂有高分子粘接劑的陶瓷薄膜為原料，在薄材疊層制造快速成形系 統(tǒng)上成形三維的陶瓷零件初坯；
(3) 將陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等靜壓爐，進(jìn)行加壓處理； 覆包套的方法為將端羥基聚丁二烯和甲苯二異氰酸酯按質(zhì)量比12: l
14: l均勻混合，其中端羥基聚丁二烯的羥值在0.8 0.95mmol/g;將陶瓷零件 初坯浸入上述混合樹脂中，在制件表面均勻附著一層樹脂；將制件在75 85 'C下烘干4 7h，使液體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜；
冷等靜壓的工藝過程為以2 4MPa/s的速度，將壓力從0MPa升至l」250 300MPa，保壓后再以2 4MPa/s將壓力升高至!]600 650MPa，保壓后卸壓；
(4) 對冷等靜壓后的陶瓷零件坯體進(jìn)行脫脂處理，除去其中的高分子粘結(jié)
劑；
(5) 對脫脂后的陶瓷零件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，使陶瓷零件進(jìn)一步致密化；
(6)對陶瓷零件進(jìn)行后續(xù)加工，使最終的零件產(chǎn)品滿足幾何尺寸和形狀，
以及表面精度的要求。
本發(fā)明將LOM技術(shù)與冷等靜壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，能夠低成本快速制造 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密度高的陶瓷零件，這種復(fù)合方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 采用LOM成形陶瓷零件初坯，保證了零件極低的內(nèi)應(yīng)力，從而避免 了初坯成形過程中的扭曲，收縮和變形，保證了后續(xù)工藝的順利進(jìn)行和最終的 產(chǎn)品質(zhì)量。
(2) 克服了單純采用LOM技術(shù)成形陶瓷零件初坯，在燒結(jié)過程中由于無 法致密化容易產(chǎn)生零件缺陷的缺點(diǎn)，大幅提高陶瓷零件的致密度，從而使陶瓷 零件的機(jī)械性能得到提高。
(3) 克服了單純產(chǎn)用冷等靜壓工藝成形陶瓷零件初坯需要復(fù)雜的包套設(shè) 計，無法成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷零件的缺點(diǎn)，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，使生產(chǎn) 過程更具有柔性。
(4) 能夠快速無模制造出形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密度高的陶瓷零件。
(5) 工藝簡單，低成本，低能耗，高效率。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明的具體過程作進(jìn)一步詳細(xì)的闡述
(1) 采用三維造型軟件設(shè)計出零件三維CAD模型，然后由切片軟件處理 后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息傳送至IJLOM快速成形系統(tǒng)。使用三 維造型軟件設(shè)計產(chǎn)品零件，具有高效，簡單，可視化的優(yōu)點(diǎn)，并且可以將數(shù)據(jù) 信息傳入數(shù)控設(shè)備直接進(jìn)行加工。
(2) 以涂有高分子粘接劑的陶瓷薄膜為原料，在LOM系統(tǒng)上成形三維的 陶瓷零件初坯。利用快速成形系統(tǒng)可以無?？焖俪尚涡螤罱Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維實(shí)體 零件坯體，從而無需復(fù)雜的模具設(shè)計或包套設(shè)計。
(3)將陶瓷零件初坯覆上橡膠包套后，放入冷等靜壓爐，進(jìn)行加壓處理。 冷等靜壓的工藝過程為以2 4MPa/s的速度，將壓力從0MPa升到250 300MPa，保壓1 2 min;接著再以2 4 MPa/s將壓力升高到600 650 MPa，保壓2 4 min后卸壓。對陶瓷零件初坯進(jìn)行冷等靜壓的目的是，增大燒結(jié)前坯體的致 密度，縮短顆粒間的距離，促進(jìn)陶瓷零件在高溫?zé)Y(jié)過程中的致密化。
包套的設(shè)計方法如下將制件浸入包套溶液中，在制件表面均勻附著一層 液體后，對制件進(jìn)行加熱烘干處理，使液體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜，在 冷等靜壓時起包套的作用。這里的液體材料需要具有如下特點(diǎn)a)與陶瓷有一 定的潤濕性，可以附著在制件表面，且經(jīng)加熱烘干可以固化形成封閉的保護(hù)膜；
b)形成的保護(hù)膜具有很好的彈性和抗撕裂性，在冷等靜壓過程中不會破裂。
覆包套的方法如下將端羥基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二異氰酸酯(TDI) 按質(zhì)量比12: 1 14; l均勻混合，其中HTPB的羥值在0.8 0.95 mmol/g;將LOM 初始形坯浸入上述混合樹脂中，在制件表面均勻附著一層樹脂；將制件在75 85'C下烘干4 7h，使液體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜。
(4)對冷等靜壓后的陶瓷零件坯體進(jìn)行脫脂處理，除去其中的高分子粘結(jié)劑。
.(5)對脫脂后的陶瓷零件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，使陶瓷零件致密化。 (6)對陶瓷零件進(jìn)行后續(xù)加工，使最終的零件產(chǎn)品滿足幾何尺寸和形狀，
以及表面精度的要求。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是將冷等靜壓與LOM快速成形工藝有機(jī)結(jié)合起來，對LOM
快速成形的陶瓷零件初坯進(jìn)行冷等靜壓，提高其坯體致密度，有利于后續(xù)的燒 結(jié)和致密化過程。本發(fā)明結(jié)合了LOM工藝與冷等靜壓工藝的優(yōu)點(diǎn)，避免了復(fù) 雜的模具設(shè)計或包套設(shè)計，提高了燒結(jié)零件的質(zhì)量，適合于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶 瓷零件的原形件制造和小批量生產(chǎn)。
實(shí)例l
(1) 根據(jù)LOM成形的陶瓷零件的初坯密度以及冷等靜壓后可能出現(xiàn)的尺 寸變化，由最終的零件尺寸計算出初坯的零件尺寸，并留有一定的加工余量。
(2) 采用三維造型軟件(如UG、 ProE)根據(jù)計算出的初坯尺寸繪制出零
件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù) 據(jù)信息傳送到LOM快速成形系統(tǒng)。
(3) 使用厚度為0.5mm的Al2O3陶瓷薄膜為原料，在LOM系統(tǒng)上成形三維 的陶瓷零件初坯。
(4) 將陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等靜壓爐，進(jìn)行加壓處理。 覆包套的方法如下將端羥基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二異氰酸酯(TDI)
按質(zhì)量比14t l均勻混合，其中HTPB的羥值在0.8mmol/g;將陶瓷初坯浸入上 述混合樹脂中，在制件表面均勻附著一層樹脂；將制件在85'C下烘干4h，使液 體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜。
冷等靜壓的工藝過程為以3 MPa/s的速度，將壓力從0 MPa升到300 MPa， 保壓2min;接著再以3 MPa/s將壓力升高到600 MPa，保壓4min后卸壓。
(5) 將冷等靜壓后的陶瓷零件轉(zhuǎn)移到真空脫脂爐中，由室溫以5'C/min升 溫到240。C，保溫3小時，再以rC/min升溫到52(TC，保溫3小時，最后以rC/min 冷卻至室溫，出爐。
(6) 將脫脂后的陶瓷零件轉(zhuǎn)移到高溫?zé)Y(jié)爐中，由室溫以5'C/min升溫到 24(TC，再以3。C/min升溫到1580'C，保溫1小時，最后以rC/min冷卻至室溫， 出爐。
(7) 對陶瓷零件進(jìn)行后續(xù)加工，使最終的零件產(chǎn)品滿足幾何尺寸和形狀， 以及表面精度的要求。
實(shí)例2
(1) 根據(jù)LOM成形的陶瓷零件的初坯密度以及冷等靜壓后可能出現(xiàn)的尺 寸變化，由最終的零件尺寸計算出初坯的零件尺寸，并留有一定的加工余量。
(2) 采用三維造型軟件(如UG、 ProE)根據(jù)計算出的初坯尺寸繪制出零 件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù) 據(jù)信息傳送到LOM快速成形系統(tǒng)。
(3) 使用厚度為0.3mm的SiC陶瓷薄膜為原料，在LOM系統(tǒng)上成形三維的
陶瓷零件初坯。
(4) 將陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等靜壓爐，進(jìn)行加壓處理。 覆包套的方法如下將端羥基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二異氰酸酯(TDI)
按質(zhì)量比13: l均勻混合，其中HTPB的羥值在0.9mmol/g;將陶瓷初坯浸入上 述混合樹脂中，在制件表面均勻附著一層樹脂；將制件進(jìn)行在80 r下烘干6h， 使液體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜。
冷等靜壓的工藝過程為以2 MPa/s的速度，將壓力從0 MPa升至lJ280 MPa， 保壓lmin;接著再以2 MPa/s將壓力升高到650 MPa，保壓2min后卸壓。
(5) 將冷等靜壓后的陶瓷零件轉(zhuǎn)移到真空脫脂爐中，由室溫以5tVmin升 溫到28(TC，保溫3小時，再以rC/min升溫至!j600。C，保溫3小時，最后以l。C/min 冷卻至室溫，出爐。
(6) 將脫脂后的陶瓷零件轉(zhuǎn)移到真空高溫?zé)Y(jié)爐中，由室溫以5X:/min升 溫到280。C，再以3。C/min升溫到2000。C，保溫1小時，最后以l。C/min冷卻至室 溫，出爐。
(7) 對陶瓷零件進(jìn)行后續(xù)加工，使最終的零件產(chǎn)品滿足幾何尺寸和形狀， 以及表面精度的要求。
實(shí)例3
(1) 根據(jù)LOM成形的陶瓷零件的初坯密度以及冷等靜壓后可能出現(xiàn)的尺 寸變化，由最終的零件尺寸計算出初坯的零件尺寸，并留有一定的加工余量。
(2) 采用三維造型軟件(如UG、 ProE)根據(jù)計算出的初坯尺寸繪制出零 件的三維CAD模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù) 據(jù)信息傳送到LOM快速成形系統(tǒng)。
(3) 使用厚度為0.2mm的AlN陶瓷薄膜為原料，在LOM系統(tǒng)上成形三維 的陶瓷零件初坯。
(4) 將陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等靜壓爐，進(jìn)行加壓處理。 覆包套的方法如下將端羥基聚丁二烯(HTPB)和甲苯二異氰酸酯(TDI)
按M量比12: l均勻混合，其中HTPB的羥值在0.95 mmol/g;將陶瓷初坯浸入 上述混合樹脂中，在制件表面均勻附著一層樹脂；將制件進(jìn)行在75 。C下烘干5 h,使液體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜。
冷等靜壓的工藝過程為以4 MPa/s的速度，將壓力從0 MPa升到250 MPa， 保壓2min;接著再以4MPa/s將壓力升高到650MPa，保壓4min后卸壓。
(5) 將冷等靜壓后的陶瓷零件轉(zhuǎn)移到真空脫脂爐中，由室溫以5'C/min升 溫到28(TC，保溫3小時，再以rC/min升溫到600'C，保溫3小時，最后以rC/min 冷卻至室溫，出爐。
(6) 將脫脂后的陶瓷零件轉(zhuǎn)移到高溫真空燒結(jié)爐中，由室溫以5'C/min升 溫到28(TC，再以3X7min升溫到180(TC,保溫1小時，最后以rC/min冷卻至室 溫，出爐。
(7) 對陶瓷零件進(jìn)行后續(xù)加工，使最終的零件產(chǎn)品滿足幾何尺寸和形狀， 以及表面精度的要求。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)雜陶瓷零件的快速制造方法，其步驟包括(1)采用三維造型軟件設(shè)計出零件三維CAD模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息傳送到薄材疊層制造快速成形系統(tǒng)；(2)以涂有高分子粘接劑的陶瓷薄膜為原料，在薄材疊層制造快速成形系統(tǒng)上成形三維的陶瓷零件初坯；(3)將陶瓷零件初坯覆上包套后，放入冷等靜壓爐，進(jìn)行加壓處理；覆包套的方法為將端羥基聚丁二烯和甲苯二異氰酸酯按質(zhì)量比121～141均勻混合，其中端羥基聚丁二烯的羥值在0.8～0.95mmol/g；將陶瓷零件初坯浸入上述混合樹脂中，在制件表面均勻附著一層樹脂；將制件在75～85℃下烘干4～7h，使液體在制件表面形成封閉的保護(hù)膜；冷等靜壓的工藝過程為以2～4MPa/s的速度，將壓力從0MPa升到250～300MPa，保壓后再以2～4MPa/s將壓力升高到600～650MPa，保壓后卸壓；(4)對冷等靜壓后的陶瓷零件坯體進(jìn)行脫脂處理，除去其中的高分子粘結(jié)劑；(5)對脫脂后的陶瓷零件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，使陶瓷零件進(jìn)一步致密化；(6)對陶瓷零件進(jìn)行后續(xù)加工，使最終的零件產(chǎn)品滿足幾何尺寸和形狀，以及表面精度的要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)雜陶瓷零件的快速制造工藝。首先利用薄材疊層制造(LOM)技術(shù)，以陶瓷薄膜為原料，制成陶瓷零件的初坯；將陶瓷零件初坯覆上包套，放入冷等靜壓爐中進(jìn)行加壓處理；對壓制后的陶瓷零件坯體進(jìn)行脫脂處理和高溫?zé)Y(jié)；最后根據(jù)零件幾何尺寸和形狀的精度要求，對近凈成形的零件進(jìn)行少量的后續(xù)加工。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是將冷等靜壓與LOM快速成形工藝有機(jī)結(jié)合起來，對LOM快速成形的陶瓷零件初坯進(jìn)行冷等靜壓，提高其坯體致密度，有利于后續(xù)的燒結(jié)和致密化過程。本發(fā)明結(jié)合了LOM工藝與冷等靜壓工藝的優(yōu)點(diǎn)，避免了復(fù)雜的模具設(shè)計或包套設(shè)計，提高了最終陶瓷零件的性能，適合于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷零件的制造和小批量生產(chǎn)。
文檔編號C04B35/622GK101391896SQ20081019722
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者史玉升, 林 徐, 蔡道生, 閆春澤 申請人:華中科技大學(xué)