技术领域
[0001] 本
发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的
3D打印机及方法，3D打印成形后的陶瓷坯体经过
烧结后即可获得高强度的具有复杂结构的陶瓷零件。
背景技术
[0002] 陶瓷材料凭借其机械强度优良、
生物相容性好、高温性能稳定等特点，被广泛应用于
机械加工、生物医学、航空航天等领域。但是，目前传统的制造工艺已经无法满足实际生产过程中对复杂形状陶瓷零件的需求。同时陶瓷材料固有的脆性、硬度高等特征又导致其难以如金属般进行精密、高效的减材加工。而基于光
固化原理(StereoLithographyAppearance,SLA)的陶瓷3D打印技术有望克服以上困难，实现复杂形状陶瓷零件的制备成型。光固化陶瓷3D打印以光敏特性陶瓷浆料为原料，以紫外
激光器为触发
光源，层层固化浆料制作胚体；然后胚体经过
脱脂、烧结等工艺得到所需的陶瓷零件。
[0003] 基于光固化原理的陶瓷3D打印技术以层层
叠加的模式完成零件胚体的制造，因此层厚的大小与均匀性对零件的精密性起到重要作用。比如，以3D打印技术制做球面形貌，铺层厚度越小就会使球面梯度现象越弱，从而大大提高其表面成型
精度。但是，光敏特性陶瓷浆料较高的
粘度特性(～3000mPa·s)，导致浆料每层涂铺的过程难以保证液面的均匀一致性，尤其在要求层厚极小(10μm～500μm)的精密
制造过程中。粘性浆料涂铺的不均匀性会大大降低陶瓷胚体的成形的精度，进而降低烧结后陶瓷零件的精密性。
[0004]
现有技术中有3D打印机，但是其原料均仅限于低粘度的光敏
树脂材料，无法实现高粘度陶瓷浆料的固
化成型；设备均基于SLA原理，适用于陶瓷胚体的3D成形，但是都未对每层浆料涂铺均匀性、涂铺厚度等精度问题做出相应的设计与报道。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的3D打印机，通过该打印机可实现层厚(10μm～500μm)的精确控制，实现浆料每层铺设的均匀一致性，最终获得高精密及强度的复杂形状陶瓷零件。
[0006] 一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的3D打印机的具体方案如下：
[0007] 一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的3D打印机，包括：
[0008] 用于接收浆料的成型平台；
[0009] 成型平台底部设置可带动成型平台上下移动的平台升降机构；
[0010] 铺料机构，铺料机构包括铺料筒单元，铺料筒单元包括铺料筒，铺料筒内设置可旋转的挤料
丝杠，铺料筒底部设置朝向成型平台的出口；
[0011] 设于成型平台两侧的
水平移动机构，水平移动机构之间设置刮料板，刮料板设于铺料筒的下方或者铺料筒的下侧方，铺料筒的两侧分别设于水平移动机构以带动铺料筒的水平运动，并通过铺料筒的移动带动刮料板协同完成铺料、刮平动作；刮料板速度可实现0～100mm/s范围内的精确调节；
[0012]
控制器，控制器与铺料机构、水平移动机构分别单独连接，控制器包括传感反馈单元和机械运动控制单元，机械运动控制单元控制水平移动机构和铺料机构的动作。
[0013] 上述的打印机还包括激光扫描机构，激光扫描机构包括激光器和扫描振镜组件，激光器发射的激光通过扫描振镜组件后投射到成型平台上对零件的每一层进行轮廓扫描固化，激光器
波长355nm～405nm。
[0014] 所述铺料机构还包括供料单元，供料单元包括供料桶，供料桶与铺料筒的进料口连接，进料口设于铺料筒顶部一侧，供料桶顶部设置
挤压头，挤压头与电动推缸连接，电动推缸一端通过升降
支架与供料桶连接，电动推缸另一端设置挤压头，挤压头呈锥体形状，电动推缸伸出，通过挤压头将浆料从供料桶底部通过软管送入到铺料筒的进料口内，供料桶竖直设置，且铺料筒水平设置，铺料筒、供料桶和余料回收桶均方便拆卸，且供料桶与余料回收桶可实现相互替换。
[0015] 所述供料桶通过支架固定于光学平台，支架固定供料桶的顶部和底部，光学平台通过
机体支撑设于所述成型平台的两侧。
[0016] 所述平台升降机构包括两组竖直线性模组，在两组竖直线性模组之间设置第一驱动
电机，第一
驱动电机通过
啮合齿轮带动竖直线性模组上下移动，竖直线性模组设于成型平台的下部，且设于机体的中部，竖直线性模组通过竖直支架与光学平台连接。
[0017] 在竖直线性模组上设置磁栅尺，成型平台上设置磁头，磁头与磁栅尺配合用于检测成型平台的高度，液位检测结果经传感反馈单元传输给控制器，进而控制水平移动机构和平台升降机构进行相应的修正、补偿行为，实现陶瓷浆料液位的在线监测和智能补偿，磁栅尺也可以替换为其他高度测量装置。
[0018] 所述成型平台上设置残料回收槽，残料回收槽底部通过
导管与余料回收桶进行连接，残料储料筒同样设于光学平台的下部。
[0019] 所述挤料丝杠通过
联轴器与第二驱动电机连接；
[0020] 进一步地，水平移动机构为水平线性模组，水平线性模组与第三驱动电机连接。
[0021] 所述刮料板与成型平台平行，进一步的，刮料板工作端即下表面应水平贴于浆料表面；且所述光学平台的高度可调节，通过调节其高度，实现刮料板与成型平台之间平行
位置关系的微调。
[0022] 为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的3D打印机的使用方法，步骤如下：
[0023] 1)将零件信息输入控制器，铺料机构回到成型平台右侧原点，成型平台下降一个层厚；
[0024] 2)根据控制器的控制，铺料机构在挤料丝杠的运转下，将浆料在铺料筒中分布均匀；
[0025] 3)水平移动机构带动铺料筒和刮料板向左侧运动，同时，浆料通过铺料筒出口在成型平台上铺设浆料；
[0026] 4)激光器发射的激光通过扫描振镜组件后投射到成型平台上对零件的每一层进行轮廓扫描固化；
[0027] 5)水平移动机构移动，通过刮料板将多余的浆料送至回收槽；
[0028] 6)在步骤5)结束后，平台升降机构下降一个层厚，水平移动机构带动铺料机构回到原位；
[0029] 7)铺料筒重复步骤2)-步骤6)。
[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0031] 1)本发明结构合理，自动化程度高，3D打印精度好，对解决复杂形状陶瓷零件制造难题具有重要的意义。
[0032] 2)本发明的成型平台通过
伺服电机与线性模组实现升降，运动精度高，并且设有磁栅尺，有利于实现零件制造方向的高度检测与补偿。
[0033] 3)本发明的成型平台通过伺服电机与线性模组实现水平方向的刮料运动，并且运动速度可调范围大，根据粘性
流体的“剪切变稀”行为，这有利于实现不同粘度浆料的铺层，对本发明实现不同种类陶瓷浆料的固化成型具有重要意义。
[0034] 4)本发明通过铺料筒单元和供料单元可以实现浆料的按需供给，有利于实现每层浆料的均匀铺设，而回收单元则有利于浆料的自动回收和再次利用。
附图说明
[0035] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0036] 图1陶瓷坯体3D成形打印机整体结构示意图；
[0037] 图2铺料筒单元结构示意图；
[0038] 图3陶瓷坯体3D成形打印机
硬件系统原理图；
[0039] 图中：1成型平台，2第一驱动机构，3啮合齿轮，4竖直线性模组，5磁栅尺，6铺料筒，7刮料板，8第二驱动机构，9联轴器，10挤压丝杠，11铺料筒进料口，12水平线性模组，13第三驱动机构，14
同步带，15齿轮，16光学平台，17机体，18供料桶，19挤压头，20电动推杠，21激光器，22振镜系统，23残料回收槽，24导管，25储料桶。
具体实施方式
[0040] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0041] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0042] 正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的3D打印机及方法。
[0043] 本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种高精度陶瓷坯体3D成形打印机，主要包括：成型平台、铺料机构、水平移动机构、激光扫描机构和控制器。
[0044] 如图1所示，成型平台1与平台升降单元连接。成型平台1与机体17配合紧密，成型零件范围可以是300×300×300mm3。平台升降单元包含两个竖直安装的线性模组4、第一驱动电机2和啮合齿轮3，升降台一侧装有磁栅尺5，
传感器通过检测磁栅尺5实现液位高度的实时检测。水平移动机构包括水平安装的线性模组12、伺服电机13、同步带14、齿轮15和刮料板7，刮料板7固定于水平线性模组12上，实现速度可调的刮料运动；水平线性模组12安置于水平光学平台16上，通过调节光学平台16可实现刮料板7与成型平台1的平行。
[0045] 铺料机构包括铺料筒单元、供料单元和回收单元。如图2所示，铺料筒单元包括挤料丝杠10、联轴器9、第二驱动电机8、进料口11，挤料丝杠10与第二驱动电机8连接；铺料筒6固定在所述的刮料板7上方，铺料筒6呈圆柱形状，出料口位于刮料板7后侧，进料口11与供料桶18通过软管相连接。供料单元包含挤压头19、储料桶18和电动推缸20，供料单元通过控制器对电动推缸20的控制，实现陶瓷浆料的定量供给。回收单元包括残料回收槽23、第四驱动电机、储料桶25，电机驱动回收槽23中第四驱动电机带动挤压丝杠10实现残料回收，通过导管24将残料送至储料桶25中。供料桶18与残料回收的储料桶25尺寸结构相同，可实现相互替换。激光扫描机构包括激光器21和扫描振镜组件22。控制器包括传感反馈单元和机械运动控制单元，激光器21设于成型平台1的上方，扫描振镜组件22设有多个以用于将激光投射到成型平台1。
[0046] 具体的，陶瓷坯体3D成形打印机硬件系统原理图如图3所示。用运动控制器对成型平台的升降进给、供料、铺料与收料进给等的机械运动进行控制，运动过程中设有限位
开关以进行相应保护。用激光器实现XY振镜系统的运动与紫外光束的功率调节，最终实现紫外光束在成型平面的扫描作业。通过控制器实现成型平台、铺料机构与激光扫描机构的配合工作。传感器反馈单元将采集的信息传给控制器，控制器计算处理后将补偿、修正信息反馈与各机构。
[0047] 具体的，
液位传感器设于成型平台1表面，用于检测浆料(液体状)的高度，将检测到的液位高度
信号输入到控制器，控制器分析处理后一方面输出到控制器显示屏显示当前液位值，一方面分别输出
控制信号给运动控制器，实现对升降进给、铺料和供料进给的调节与控制。激光功率检测传感器设于成型平台1表面或者光学平台16表面(距离成型平台设定的距离)，将所测功率信号传给控制器，控制器为可编程的PLC控制器，控制器分析处理后一方面输出到显示屏显示当前激光功率，一方面输出控制信号给激光控制器，实现对激光功率的调节与控制。
[0048] 为了克服现有技术的不足，本发明还提供了第二实施例：一种可以实现陶瓷零件坯体精密成形的3D打印机的使用方法，步骤如下：
[0049] 1)将零件信息输入控制器，刮料板7回到成型平台1右侧原点，成型平台1下降一个层厚(10μm～500μm)。
[0050] 2)根据控制器的计算与控制，电动推杠20带动挤压头19工作将供料桶18中的陶瓷浆料送入铺料筒6，第二驱动电机8带动挤压丝杠10运转，将浆料在铺料筒中分布均匀。
[0051] 3)第三驱动机构(伺服电机)13运转，带动刮料板7与铺料筒6向左侧运动(1～100mm/s)。同时第二驱动机构(伺服电机)8继续运转，带动挤压丝杠10，使铺料筒里的陶瓷浆料通过料筒下部的隙缝挤压到成型平台1，并在刮料板7的作用下均匀铺平。
[0052] 4)激光控制器根据生成的数控代码控制激光器21与振镜系统22工作，完成零件本层的轮廓扫描固化，第四驱动电机带动丝杠运动，将多余的料通过回收槽23输送到储料桶25。
[0053] 5)扫描完成后，成型平台1再下降一个层厚(10μm～500μm)，同时电动推杠20挤压料桶18向铺料筒6供料。
[0054] 6)伺服电机13反转使铺料筒6与刮料板7向右侧移动，同时挤压丝杠10动作挤压浆料到工作平台，并在刮料板作用下铺平。
[0055] 7)激光控制器根据生成的数控代码控制激光器21与振镜系统22工作，完成零件本层的轮廓扫描固化，至此完成一个循环过程。
[0056] 每一个循环过程升降台下降两个层厚的距离，即每一个循环过程完成相邻两个
片层信息的加工，重复上述循环过程即可完成整个零件胚体的3D打印。进一步的，每层液位检测的结果会反馈给控制器，进而对成型平台升降进给与供料进给等相关机械运动进行相应的修正、补偿，最终实现每层陶瓷浆料的均匀铺设。进一步的，所得陶瓷胚体经过脱脂、烧结工艺，最终得到高精度的陶瓷零件。
[0057] 从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
[0058] (1)本发明的成型平台通过伺服电机与线性模组实现升降，运动精度高，并且设有磁栅尺与传感器，实现了零件制造方向的高度检测与补偿，实现了极小层厚(10μm～500μm)的精准响应。
[0059] (2)本发明的成型平台通过伺服电机与线性模组实现水平方向的刮料运动，并且运动速度可调范围大(0～100mm/s)，根据粘性流体的“剪切变稀”行为，通过移动速度调节可实现不同粘度浆料的均匀铺层，最终实现不同种类陶瓷浆料在本发明中的应用。
[0060] (3)本发明设计了智能辅料系统，该系统包括铺料筒单元、供料单元和回收单元。其中铺料筒单元和供料单元可以根据零件不同层厚的设置实现浆料的按需供给，进一步的，控制器可以根据液位检测结果对浆料的供给与铺设运动进行修正、补偿。而回收单元则实现了残余陶瓷浆料的自动回收和二次利用，节约生产成本。总体而言，本发明自动化程度较高，提高了陶瓷零件3D打印的精度，适用于多种陶瓷材料的成型，对解决复杂形状陶瓷零件制造难题具有重要的意义。
[0061] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
