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陶瓷型壳3D打印关键技术研究

杨铎  
【摘要】:陶瓷材料以其高强度、耐腐蚀、耐高温等优良特性一直受到各界的广泛关注,陶瓷3D打印是近年来兴起的一种快速成型技术,在很多领域发展迅速。将陶瓷3D打印应用于传统的熔模铸造工艺中,使用陶瓷膏体直接打印型壳来取代传统的蜡模制壳,可以减少产品的研发周期,降低生产成本,使其在现代工业生产中具备更强的竞争力。本文对陶瓷型壳3D打印关键技术进行了相关研究,解决了陶瓷型壳3D打印过程中材料、工艺和设备方面所面临的技术问题,包括打印技术和陶瓷材料的选择、膏体的制备、工艺的研究和方案的制订以及陶瓷型壳专用3D打印机的结构设计。全文的主要工作和成果如下:(1)归纳总结了常见的陶瓷3D打印技术和打印材料,通过对比各种陶瓷3D打印技术的优缺点以及所用原料的类型,确定使用自由挤出成型技术来打印陶瓷型壳。通过对氧化铝(Al_2O_3)、碳化硅(SiC)和氮化硅(Si_3N_4)三种材料的抗弯强度进行试验,结合其生产成本,确定使用氧化铝陶瓷粉末打印型壳。(2)对氧化铝陶瓷水基膏体的粘度进行研究,选择固相含量、pH值和分散剂三个因素进行正交试验,通过对试验结果进行极差分析,确定了氧化铝陶瓷水基膏体的配比方案。(3)制订了陶瓷型壳3D打印的工艺方案,对陶瓷型壳的打印精度、干燥和烧结工艺进行了研究,对工艺方案进行了优化。(4)对陶瓷型壳3D打印机的结构进行设计,主要包括挤出系统、运动系统和控制系统。挤出系统采用双喷头双螺杆挤出结构,并设计了一种提升结构以防止喷头间的相互影响;运动系统采用龙门架式结构;控制系统使用Arduino Mega2560电路板作为控制器。上述研究成果丰富了熔模铸造陶瓷型壳成型加工的新思路,降低了陶瓷型壳的生产成本,对于推动先进制模技术在熔模铸造方面的应用具有一定的工程价值。


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