一种面向大尺寸和大悬空跨度陶瓷零件的光固化3D打印和桥接成型方法

本发明属于陶瓷材料增材制造的，尤其涉及一种面向大尺寸和大悬空跨度陶瓷零件的光固化3d打印和桥接成型方法。

背景技术：

1、结构与功能陶瓷材料在近二十年来得到广泛的应用和研究，成为未来航空航天、生物医学、芯片、新能源、核电站、军事等领域发展的重要材料。传统陶瓷制备工艺已经不能满足现代工业应用对陶瓷结构和功能提出的要求。然而，陶瓷增材制造技术的出现突破了自由制造复杂形状、多孔隙、曲面异形的陶瓷材料技术瓶颈，实现了传统工艺无法制备成型的结构目标。陶瓷光固化增材制造技术已然成为现在较为成熟的陶瓷零件制备工艺，主要用于氧化硅、氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石等低折射率指数的陶瓷材料制备。其制备的陶瓷生坯通过脱脂和高温烧结后形成致密度高达99.98％的陶瓷零件。因此，它备受陶瓷材料增材制造界的关注。同时，随着产品的升级和高速迭代，使得光固化陶瓷增材制造也存在一些结构和尺寸上的技术瓶颈。

2、陶瓷光聚合增材制造技术原理是利用紫外激光诱导光引发剂生成自由基促进树脂单体固化成玻璃态的聚合物，从而将陶瓷粉末包裹在其中形成陶瓷生坯。根据这一原理，在制备光敏性陶瓷树脂浆料时，长时间的打印会引起陶瓷颗粒沉积，不利于均匀固化成型。这对于需要长时间打印的大尺寸陶瓷零件来说具有较大的影响。同时，增材制造成型的平台尺寸有限，进一步限制了大尺寸陶瓷零件的3d打印。树脂单体在光固化形成聚合物时会因为原子距离的缩减而产生固化收缩。因此，成型尺寸越大，光聚合收缩变形程度和风险系数越大。此外，大悬空跨度的陶瓷结构零件在打印过程中容易打印坍塌，无法3d打印制备成型。总而言之，大悬空跨度和大尺寸零件存在很多方面的阻碍，包括打印坍塌、浆料沉积、平台尺寸受限制、工艺不稳定、固化收缩变形等问题。为此，本发明提出一种面向大尺寸和大悬空跨度陶瓷零件的光固化3d打印和桥接成型方法，能够有效的避免上述尺寸和结构的限制。

技术实现思路

1、本发明提供了一种面向大尺寸和大悬空跨度陶瓷零件的光固化3d打印和桥接成型方法，能够有效地解决大尺寸和大悬空宽度的陶瓷结构零件带来的光固化成型难题，从成型技术和结构设计的源头上解决打印坍塌、浆料沉积、固化收缩、成型尺寸受限制的缺点。

2、本发明的一种面向大尺寸和大悬空跨度陶瓷零件的光固化3d打印和桥接成型方法，包括以下步骤：

3、步骤一、均匀混合微米级陶瓷粉末和光敏树脂溶剂制备高固体含量的浆料；

4、步骤二、利用三维切片软件将大尺寸和大悬空跨度零件切分成有限的小尺寸和无悬空跨度的零件；并在切割处形成可相互桥接的接口；

5、步骤三、采用光固化成型技术制备小尺寸和无悬空跨度的零件桥接基体；

6、步骤四、将光固化3d打印成型的陶瓷生坯在超声波下清洗表面未固化的浆料，以准备桥接基体；

7、步骤五、将桥接基体的桥接口与被桥接口均匀涂抹浆料后，按设计精度和形状进行配合，随后原位光交联固化涂抹的浆料；

8、步骤六、将光诱导交联固化桥接的陶瓷零件放入电炉中在170～250℃下进行二次固化桥接；

9、步骤七、对光固化3d打印和桥接后的陶瓷生坯零件进行高温烧结成型，达到大尺寸和大悬空跨度零件制备的目的；

10、步骤八、对高温烧结成型后零件桥接界面和基体的气孔和裂纹缺陷进行渗透和二次烧结工艺处理，以填补缺陷，提高力学性能。

11、作为优选，所述步骤一中，所述的微米级陶瓷粉体包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、磷灰石；微米级陶瓷粉体的尺寸范围为1～50微米，进一步优选微米级陶瓷粉体的尺寸范围为2～10微米。进一步优选，以分散剂对微米级陶瓷粉体进行表面改性，分散剂为柠檬酸铵、byk系列分散剂、活性聚合物分散剂和聚丙氧基季铵盐中的任意一种或多种，分散剂占微米级陶瓷粉末质量的2～5wt％。

12、作为优选，所述步骤一中，所述的光敏树脂溶剂是树脂单体、光引发剂、低聚物和塑化剂在磁力搅拌机中均匀混合制得的产品。其中，树脂单体是二丙二醇二丙稀酸酯(dpgda)、1,6-己二醇双丙烯酸酯(hdda)、二缩三丙二醇二丙烯酸酯(tpgda)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)中的任意一种或多种；光引发剂是1-羟基环已基苯酮(irgacure184/819/1173)、三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(tpo)和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的任意一种或多种，光引发剂质量占光敏树脂溶剂总质量的0.5～3.5wt％，进一步优选光引发剂质量占光敏树脂溶剂总质量的0.5～1.5wt％；低聚物是二官能团、四官能团和六官能团脂肪族聚氨酯丙烯酸酯和酚醛树脂的任意一种或多种，低聚物总质量与树脂单体总质量的比例为(0.1～3):(10～5)，进一步优选低聚物总质量与树脂单体总质量的比例为(1～2):(9～7)；塑化剂是1,2-苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇的任意一种，塑化剂质量与低聚物和树脂单体的总质量之比为1:(10～40)，进一步优选塑化剂质量与低聚物和树脂单体的总质量之比为1:(20～30)。上述成分通过磁力搅拌机在40～60℃下搅拌5～24h得到搅拌均匀的光敏树脂溶剂。

13、作为优选，所述步骤一中，混合微米级陶瓷粉末和光敏树脂溶剂的球磨混合时间为24～72h，搅拌转速为150～800r/min。

14、作为优选，所述步骤二中，所述的可相互桥接的接口界面形状包括平面、曲面、棱台、棱柱、棱锥及矩形的凹凸面。

15、作为优选，所述步骤三中，光固化成型技术是点/线/层扫描成型的立体光刻成型工艺(stereolithography,sl)和逐层曝光成型的数字光处理技术成型工艺(digitallight process,dlp)中的任意一种。

16、作为优选，所述步骤四中，超声波清洗时间为1～15min。

17、作为优选，所述步骤五中，所述的原位光交联固化所用的光源为紫外光源，其波长为355～405nm，固化时长为0.5～10min。

18、作为优选，所述步骤六中，将光诱导交联固化桥接的陶瓷零件放入电炉中在170～250℃下进行二次固化桥接的升温速率为0.1～20℃/min，驻温时长为1～30min，降温速率为随炉冷却速率或以1～10℃/min速率冷却至室温。

19、作为优选，所述步骤七中，所述的高温烧结成型工艺包括脱脂和高温烧结两个步骤：

20、脱脂烧结程序设置如下：25～150℃以0.1～2℃/min的速率升温，保温0.5～2h；150～300℃以0.1～1.5℃/min的速率升温，保温0.5～2.5h；300～550℃以0.1～1℃/min的速率升温，保温0.5～3h；550～1150℃以1～5℃/min的速率升温，保温0.5～1h；1150～25℃以2～4℃/min的速率降温；热解气氛为氩气、氮气和氦气中的任意一种；

21、高温烧结程序设置如下：25～150℃以1～5℃/min的速率升温，保温0.5～2h；150～300℃以2～6℃/min的速率升温，保温0.5～2.5h；300～550℃以5～10℃/min的速率升温，保温0.5～3h；550～(1500～1700)℃以6～15℃/min的速率升温，保温0.5～1h；(1500～1700)～25℃以10～20℃/min的速率降温；热解气氛为氩气、氮气和氦气中的任意一种。

22、作为优选，所述步骤八中，所述的渗透工艺是化学气相沉积工艺和聚合物浸渍裂解工艺(pip渗透工艺)中任意一种。

23、作为优选，所述步骤八中，所述的二次烧结工艺程序设置如下：25～800℃以速率0.1～5℃/min升温，保温1～2h；800～(1500～1700)℃以速率2～10℃/min升温，保温0.5～2h；(1500～1700)～25℃以速率5～10℃/min降温；热解气氛为氩气、氮气和氦气中的任意一种。

24、与现有技术相比，本发明具有以下功能：

25、本发明提出一种基于光敏性浆料的光固化3d打印成型有限切割后的陶瓷零件桥接基体，随后通过切割设计可配合的桥接口进行光交联固化和热交联固化的桥接工艺。通过制备高体积分数的陶瓷树脂浆料来3d打印成型生坯基体，有限减少固化收缩带来的变形；将大尺寸和大悬空跨度的陶瓷零件结构进行无悬空结构的切割，得到有限个小尺寸零件，避免悬空零件在打印过程中的坍塌行为；小尺寸零件可以同时多个打印成型，减少了大尺寸悬空零件的空间尺寸，有效的减少了打印成型时间和长时间打印的颗粒沉积现象，能够在有限的成型平台里面制造出大于成型平台尺寸的大型零件；3d打印模型在模块化切割后能够通过桥接的方式，重构出原有的设计模型，甚至重构出任意规律的图形和结构零件；光交联固化和热交联固化能够控制桥接后生坯在烧结过程中的相对位置，保持原有的形状。最后，通过渗透工艺和粒子烧结颈生长的高温烧结来致密化烧结，达到目标强度设计。