基于DLP光固化技术的堇青石陶瓷件增材制造工艺与性能研究

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堇青石陶瓷件因其热膨胀系数低、高熔点、机械性能良好等优点,广泛应用于汽车尾气净化器催化载体领域。随着更加严苛的排放标准的出台,对堇青石陶瓷件的性能提出了更高的要求。因为陶瓷材料难加工的性质,传统陶瓷制备方法制备的陶瓷件,越来越难以满足需求。本文初步研究使用DLP光固化增材制造技术制备了堇青石陶瓷件,与传统陶瓷制备方法相比具有成形精度高、生产周期短、可成形任意形状等优点。初步研究了可光固化的堇青石陶瓷浆料的制备。通过对粉体的研磨,制得了粉末粒径分别为0.35μm、3μm、7.41μm的三种的堇青石陶瓷颗粒,并且成功制备了固相含量都为45vol%的可光固化浆料用于本研究。测试发现此3种浆料粘度均较低,透射深度大,临界曝光值低,都适用于DLP光固化打印。通过正交试验,研究了分层厚度、曝光时间、粉末粒径这三个关键因素,对陶瓷件的成形性能、表面形貌以及烧结后机械性能的影响,具体包括陶瓷件成形精度、体积收缩率、孔隙率、弹性模量、硬度、抗压强度以及烧结前后陶瓷件微观形貌等方面。研究发现粉末粒径对陶瓷件性能影响最大,粉末粒径越小陶瓷件成形精度越高,打印后三个方向的尺寸变化率均低于0.5%。烧结后体积收缩率越大,最高可达60%。同时试件越致密,孔隙率越小,最小可达0.81vol%。机械性能也更好,其弹性模量最高可达90GPa,压痕硬度最高可达6GPa。经测试发现,陶瓷件的抗压强度不仅与粉末粒径有关,同时也与裂纹状况有关,是两者共同作用的结果。陶瓷件表面的裂纹也随着粉末粒径的变化呈现出不同的状况,烧结后部分裂纹会愈合,但是还存在较多裂纹。通过正交试验分析出了较优的材料与工艺组合:粉末粒径为3μm、分层厚度为50μm、曝光时间为3s。最后采用该组合参数,成功制备了结构完好的复杂堇青石蜂窝陶瓷件。通过设计和制造三种基础的打印单元试样研究了DLP陶瓷光固化精度:其中包括了单层打印的单条固化线、单层打印的小孔以及多层打印的薄壁试样,从线到孔到面,从单层到多层,系统的研究了在不同的浆料与不同的曝光条件下,使用DLP光固化技术制备较小尺寸陶瓷打印单元件时,成形误差产生的原因以及打印精度的变化规律。主要研究了单条固化线烧结前后线宽与截面高度的变化规律、小孔烧结前后孔径的变化趋势以及薄壁烧结前后壁厚的变化规律。研究发现,曝光时间对打印精度影响最大。当曝光时间太小时,浆料无法固化或者固化的尺寸明显偏小,当曝光时间太大时,因为散射的影响试件尺寸明显偏大。研究还发现,光机的投影性能与浆料的固有性质也会对打印精度造成影响。本文中制得的最小线宽与细线截面高度分别为69.4μm与37.9μm、最小孔径为109.67μm、最薄壁厚为92.4μm。
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