一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置和打印成型方法

摘要

本发明公开了一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置，包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元；纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒、纤维喷头、滑块、X‑Y平面运动机构和高压电源；高压电源在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料采用静电纺丝技术经由纤维喷头铺设在成型平台上；铺料系统包括相互连接的基体材料料盒和基体材料喷头；基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头铺设在成型平台上，包裹预铺设的连续纤维材料。本发明利用静电纺丝喷头与液态树脂喷头协同工作实现连续纤维增强复合材料光固化成型，使连续纤维与基体材料在成型过程中原位转化生成，具有设备简单，材料设计自由度高等特点。

权利要求

1.一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置，其特征在于，所述装置包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元；

所述固化成型系统包括激光扫描机构、成型平台、成型缸和Z轴升降机构；所述激光扫描机构位于成型平台的上方；所述成型平台安装在成型缸顶部，与Z轴升降机构连接并可随Z轴升降机构做间歇性Z轴上下线性运动；

所述纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒、纤维喷头、滑块、X‑Y平面运动机构和高压电源；所述聚合物料盒与纤维喷头互相连接并且均固定在滑块上，滑块安装在X‑Y平面运动机构上并可沿X方向滑动；所述高压电源与控制单元电连接，用于根据控制单元的控制指令在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料采用静电纺丝技术经由纤维喷头铺设在成型平台上；

所述铺料系统包括相互连接的基体材料料盒和基体材料喷头；基体材料料盒和基体材料喷头均安装在滑块上与聚合物料盒相邻位置；所述控制单元与基体材料喷头连接，通过控制材料进给量，使基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头铺设在成型平台上，并包裹预铺设的连续纤维材料；

所述聚合物料盒与基体材料料盒中材料的挤出由压缩空气或机械传动驱动；

所述的X‑Y平面运动机构、高压电源、激光扫描机构、成型缸、Z轴升降机构均安装在机架上；所述控制单元分别通过控制线路控制：(1)纤维喷头、基体材料喷头的运动路径，(2)连续纤维材料和基体材料的挤出速率，(3)高压电源的供给量，(3)成型平台的升降路径，(5)激光扫描机构的扫描固化路径；

所述激光扫描机构的光源波长范围为350‑460nm。

2.一种基于权利要求1所述的陶瓷基复合材料3D打印成型装置的打印成型方法，其特征在于，所述打印成型方法包括：

S1，将需要制备的零件三维模型导入切片软件中，设置包括分层厚度、纤维填充率、扫描速率在内的加工参数，得到零件三维模型的分层数据和对应的切片数据；

所述分层厚度为20‑300um；

S2，将成型平台归零，设i＝1，零件三维模型的总层数为n；

S3，调取第i个分层的分层数据；

S4，驱使高压电源在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，同时X‑Y平面运动机构带动纤维喷头在成型平台上方按照当前调取的分层数据运动，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料在电场作用下，生成纳米连续纤维并铺设在成型平台上，形成连续纤维层，连续纤维层的厚度不大于当前分层厚度的3/4；所述连续纤维材料包括高分子连续纤维材料或陶瓷陶瓷纤维材料；

所述连续纤维层的铺设厚度为20‑200um；

S5，驱使X‑Y平面运动机构带动基体材料喷头在成型平台上根据当前调取的切片数据运动，同时控制单元控制材料进给量，使基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头在成型平台上按照对应的切片数据均匀铺设，形成包裹步骤S2中预铺设的连续纤维层的基体层，基体层的厚度为切片厚度；

S6，驱使激光扫描机构按照当前调取的分层数据扫描光固化基体材料，使得基体材料由液态转化为固态，同时，将预铺设的连续纤维粘接在基体材料中，完成单层纤维增强复合材料的固化成型；

S7，基板下降一个分层厚度的距离，i＝i+1,重复步骤S3‑S6,直至i达到n+1，最终得到连续纤维增强复合材料制件；

S8，对连续纤维增强复合材料制件进行后处理，得到连续纤维增强聚合物制件或陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料。

3.根据权利要求2所述的打印成型方法，其特征在于，步骤S8中，所述对连续纤维增强复合材料制件进行后处理的过程包括以下步骤：对连续纤维增强复合材料制件依次执行清洗、脱脂、烧结工序，其中脱脂温度不高于

800℃，脱脂过程升温速率为0.1‑1℃/min，烧结温度为1000‑1800℃，烧结后连续纤维前驱体转化为连续陶瓷纤维，陶瓷前驱体转化为陶瓷基体，最终得到连续纤维增强陶瓷基复合材料。

说明书

一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置和打印成型方法

技术领域

[0001] 本发明涉及连续纤维增强复合材料增材制造成型技术领域，具体而言涉及一种结合静电纺丝技术的陶瓷基复合材料3D打印成型装置和打印成型方法。

背景技术

[0002] 连续纤维作为增强相能够显著提高复合材料的力学性能，常用的基体材料包括高分子材料与陶瓷材料。传统的连续纤维增强聚合物复合材料的制备方法主要为连续纤维浸
渍模压成型，连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法主要为化学气相渗透、沉积成型等
方式。这些成型方式无法制备出形状复杂的制件，成型自由度低。

[0003] 增材制造技术的出现为复杂形状制件的制备提供了可能，目前针对连续纤维增强复合材料的增材制造技术主要集中在纤维增强聚合物的增材制造上，且主要使用熔体材料
包覆市售的连续纤维长丝实现材料的复合，材料的设计自由度低，且纤维与基体的结合强
度弱。

[0004] 专利号为CN108858660A的发明中提及一种连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法，对陶瓷材料内部结构的数字化控制，通过刮刀、纤维挤出头与基板的
交替工作，将长纤维规律的嵌入陶瓷基体，大幅改善了陶瓷材料的内部结构并提高了产品
的精度和成型速率。该发明需要借助刮刀将材料成型区内的高粘度流体陶瓷复合材料整
平，纤维与基体的结合强度也不高。

[0005] 专利号为CN108372658A的发明中提及一种基于高能束选区熔化成形技术的连续纤维增强复合材料及零件的制备方法。采用基于粉末床的高能束选区熔化成形技术，将连
续纤维和基体粉末分层布置，连续纤维的熔点高于基体粉末熔点，设定合适的高能束加工
参数，保证高能束能够熔化基体粉末但不熔化连续纤维。高能束根据规划路径逐层选区熔
化基体粉末，实现基体和连续纤维的紧密结合，最终实现连续纤维增强复合材料及零件的
高度自动化、柔性化和精细化制备。但为了防止制备过程中复合材料的氧化，制备过程需要
在真空或惰性气体保护环境中进行；同时，需要铺设两层基体粉末层，连续纤维层的控制精
度不高，设计自由度低。

[0006] 因此，亟需提出一种新的陶瓷基复合材料3D打印成型装置与方法，改善纤维与基体的结合强度，同时提高整个打印成型过程的控制精度和设计自由度。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术中的不足，提供一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置与方法，利用静电纺丝喷头与液态树脂喷头协同工作实现连续纤维增强复合材料光固化成型，
使连续纤维与基体材料在成型过程中原位转化生成，具有设备简单，材料设计自由度高等
特点。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置，所述装置包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元；

[0010] 所述固化成型系统包括激光扫描机构、成型平台、成型缸和Z轴升降机构；所述激光扫描机构位于成型平台的上方；所述成型平台安装在成型缸顶部，与Z轴升降机构连接并
可随Z轴升降机构做间歇性Z轴上下线性运动；

[0011] 所述纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒、纤维喷头、滑块、X‑Y平面运动机构和高压电源；所述聚合物料盒与纤维喷头互相连接并且均固定在滑块上，滑块安装在X‑Y平面运
动机构上并可沿X方向滑动；所述高压电源与控制单元电连接，用于根据控制单元的控制指
令在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料采用静
电纺丝技术经由纤维喷头铺设在成型平台上；

[0012] 所述铺料系统包括相互连接的基体材料料盒和基体材料喷头；基体材料料盒和基体材料喷头均安装在滑块上与聚合物料盒相邻位置；所述控制单元与基体材料喷头连接，
通过控制材料进给量，使基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头铺设在成型平台上，
并包裹预铺设的连续纤维材料；

[0013] 所述的X‑Y平面运动机构、高压电源、激光扫描机构、成型缸、Z轴升降机构均安装在机架上；所述控制单元分别通过控制线路控制：(1)纤维喷头、基体材料喷头的运动路径，
(2)连续纤维材料和基体材料的挤出速率，(3)高压电源的供给量，(3)成型平台的升降路
径，(5)激光扫描机构的扫描固化路径。

[0014] 为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

[0015] 进一步地，所述聚合物料盒与基体材料料盒中材料的挤出由压缩空气或机械传动驱动。

[0016] 进一步地，所述激光扫描机构的光源波长范围为350‑460nm。

[0017] 基于前述陶瓷基复合材料3D打印成型装置，本发明还提及一种打印成型方法，所述打印成型方法包括：

[0018] S1，将需要制备的零件三维模型导入切片软件中，设置包括分层厚度、纤维填充率、扫描速率在内的加工参数，得到零件三维模型的分层数据和对应的切片数据；

[0019] S2，将成型平台归零，设i＝1，零件三维模型的总层数为n；

[0020] S3，调取第i个分层的分层数据；

[0021] S4，驱使高压电源在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，同时X‑Y平面运动机构带动纤维喷头在成型平台上方按照当前调取的分层数据运动，使纤维聚合物料盒内的连
续纤维材料在电场作用下，生成纳米连续纤维并铺设在成型平台上，形成连续纤维层，连续
纤维层的厚度不大于当前分层厚度的3/4；所述连续纤维材料包括高分子连续纤维材料或
陶瓷陶瓷纤维材料；

[0022] S5，驱使X‑Y平面运动机构带动基体材料喷头在成型平台上根据当前调取的切片数据运动，同时控制单元控制材料进给量，使基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头
在成型平台上按照对应的切片数据均匀铺设，形成包裹步骤S2中预铺设的连续纤维层的基
体层，基体层的厚度为切片厚度；

[0023] S6，驱使激光扫描机构按照当前调取的分层数据扫描光固化基体材料，使得基体材料由液态转化为固态，同时，将预铺设的连续纤维粘接在基体材料中，完成单层纤维增强
复合材料的固化成型；

[0024] S7，基板下降一个分层厚度的距离，i＝i+1,重复步骤S3‑S6,直至i达到n+1，最终得到连续纤维增强复合材料制件；

[0025] S8，对连续纤维增强复合材料制件进行后处理，得到连续纤维增强聚合物制件或陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料。

[0026] 进一步地，步骤S1中，所述分层厚度为20‑300um。

[0027] 进一步地，步骤S4中，所述连续纤维层的铺设厚度为20‑200um。

[0028] 进一步地，步骤S8中，所述对连续纤维增强复合材料制件进行后处理的过程包括以下步骤：

[0029] 对连续纤维增强复合材料制件依次执行清洗、脱脂、烧结工序，其中脱脂温度不高于800℃，脱脂过程升温速率为0.1‑1℃/min，烧结温度为1000‑1800℃，烧结后连续纤维前
驱体转化为连续陶瓷纤维，陶瓷前驱体转化为陶瓷基体，最终得到连续纤维增强陶瓷基复
合材料。

[0030] 本发明的有益效果是：

[0031] (1)本发明中连续纤维在制件过程中合成，支持的连续纤维种类多，基体中连续纤维的含量灵活可调。

[0032] (2)本发明中连续纤维与基体材料由固‑液结合转变为固‑固结合，纤维与基体材料结合性好。

[0033] (3)支持的基体材料种类多。

[0034] (4)光固化成型精度高。

附图说明

[0035] 图1是本发明的陶瓷基复合材料3D打印成型装置的结构示意图。

[0036] 图2为纤维与基体材料喷头部分结构原理图。

[0037] 图3为制备纤维增强复合材料层层叠加成型示意图。

[0038] 图4为本发明提供的打印成型方法的工艺流程框图。

[0039] 图中：1‑激光扫描机构；2‑纤维聚合物料盒；3‑基体材料料盒；4‑基体材料喷头；5‑高压电源；6‑导线；7‑成型缸；8‑Z轴升降机构；9‑滑轨；10‑X‑Y平面运动机构；11‑纤维喷头；
12‑成型平台；13‑成型件基体部分；14‑静电纺制纤维；15‑滑块。

具体实施方式

[0040] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

[0041] 需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无
实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0042] 具体实施例一

[0043] 图1为本发明提供的一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置结构示意图，该装置包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元。

[0044] 参见图1‑图3，纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒2、纤维喷头11、滑块15、X‑Y平面运动机构10和高压电源5；聚合物料盒2与纤维喷头11均固定在滑块15上，滑块15安装在X‑Y
平面运动机构10上并可沿X方向滑动，X‑Y平面运动机构安装在滑轨9上，滑块15的相对滑动
可通过同步带、丝杠滑轨等直线运动机构实现。

[0045] 铺料系统与纤维纺丝系统均固定安装在滑块15上，铺料系统包括基体材料料盒3和基体材料喷头4，基体材料喷头采用陶瓷材质以减少陶瓷基体材料中陶瓷颗粒对喷头的
磨损。优选的，所述聚合物料盒与基体材料料盒中材料的挤出由压缩空气或机械传动驱动。

[0046] 所述固化成型系统包括激光扫描机构1、成型平台12、成型缸7和Z轴升降机构8；激光扫描机构1位于成型平台12的上方，成型平台12安装在成型缸7顶部，并可随Z轴升降机构
8做间歇性Z轴上下线性运动。优选的，所述激光扫描机构的光源波长范围为350‑460nm。

[0047] 具体实施例二

[0048] 图4为本发明提供的打印成型方法的工艺流程框图，所述方法具体包括如下步骤：

[0049] 1)分层切片：将需要制备的零件三维模型STL文件导入切片软件中，设置分层厚度、纤维填充率、扫描速率等参数，得到模型的切片数据，将数据导入与控制单元相连的计
算机中。例如，分层厚度优选20‑300um，纤维填充率低于50vol％,扫描速率优选200‑
2000mm/s等，此处的参数结合3D打印成型装置的工作允许参数和零件的加工参数设置。

[0050] 2)连续纤维的制备与铺设：将成型平台归零，高压电源在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，同时X‑Y平面运动机构带动纤维喷头在成型平台上方按照分层数据运动，
在电场作用下，纳米连续纤维生成并铺设在成型平台上，其厚度不大于分层厚度的3/4。

[0051] 3)基体材料铺设：X‑Y平面运动机构带动基体材料喷头在成型平台上根据切片数据运动，同时控制单元准确控制材料进给量，使得基体材料在成型平台上按照切片数据均
匀铺设，并包裹预铺设的连续纤维材料，其厚度为切片厚度。

[0052] 4)单层纤维增强复合材料的固化成型：激光扫描机构在计算机程序控制下按照分层数据扫描光固化基体材料，使得基体材料由液态转化为固态，同时，将预铺设的连续纤维
粘接在基体材料中，完成单层纤维增强复合材料的固化成型。

[0053] 5)层层累积：基板下降一个分层厚度的距离后重复步骤2)‑4)的操作，最终得到连续纤维增强复合材料制件。

[0054] 6)预制体后处理：对连续纤维增强聚合物复合材料或连续纤维增强陶瓷复合材料进行后处理，得到连续纤维增强聚合物制件或陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料。所述连续纤
维包括高分子连续纤维或陶瓷陶瓷纤维。

[0055] 具体实施例三

[0056] 在SolidWorks/ProE等三维软件中建模，并保存为STL格式文件导入切片软件中，设定分层厚度20‑300um，设定纤维填充率低于50vol％，设定扫描速率200‑2000mm/s，切片
后得到机器控制指令后将其导入设备控制计算机。计算机首先控制成型平台12回到设备顶
部归零位置，之后高压电源5接通电源，纤维铺丝喷头11与成型平台12间获得电压差，连续
纤维开始从纤维铺丝喷头11挤出，同时X‑Y平面运动机构10动作，使连续纤维根据分层参数
铺设在成型平台12上；铺丝后X‑Y平面运动机构10继续动作，同时高压电源5关闭电源，基体
材料喷头4开始挤出基体材料，所述基体材料为普通光敏树脂材料、掺杂陶瓷颗粒的光敏树
脂材料或陶瓷光敏前驱体，基体材料铺设完毕后，X‑Y平面运动机构10归零以防止干涉，之
后激光扫描机构根据分层数据扫描固化基体光敏材料，完成一层的打印成型，之后成型平
台12下降一个层厚的距离，重复上述动作，实现连续纤维增强复合材料生坯的打印成型，之
后根据成型件的类型进行后处理过程，连续纤维增强聚合物复合材料后处理过程只要为清
洗干燥；连续纤维增强陶瓷基复合材料则需要进行清洗干燥、脱脂、烧结后处理过程，其中
脱脂温度不高于800℃，脱脂过程升温速率为0.1‑1℃/min，烧结温度为1000‑1800℃，烧结
后连续纤维前驱体转化为连续陶瓷纤维，陶瓷前驱体转化为陶瓷基体，最终得到连续纤维
增强陶瓷基复合材料。

[0057] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的
普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护
范围。