ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к технологии промышленной трёхмерной печати 5 керамических изделий, в частности к композиции ингредиентов порошка- прекурсора и композиции ингредиентов связующего.

Для изготовления керамических изделий путём трёхмерной печати, например, на принтере Z согр 310, используют порошок-прекурсор и связующее.

10 ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Наиболее близкой к порошку-прекурсору является композиция ингредиентов описанная в патенте США Ns 8475946 , опубл. 02.07.2013 г., содержащая следующие компоненты, мас.%:

глина 50-80

15 полевой шпат 5-20

огнеупорный цемент 2-10

фритта 2-10

натрия силикат 0,5 -4,0

Данная композиция выбрана в качестве прототипа заявляемого порошка-

20 прекурсора.

Прототип и заявляемая композиция ингредиентов порошка-прекурсора имеют следующие общие признаки (компоненты):

- глина (в качестве одного из компонентов основы; в патенте США N° 8475946 основа включает глину и полевой шпат);

25 - плавень (в качестве плавня композиция по патенту США

Ns 8475946 содержит фритту).

Композиции по прототипу присущи следующие недостатки.

1. При неиспользовании механизма придавливания порошка, его плотность в разных сторонах камеры неравномерна (0.93 г/см ³ на правой стороне, зо 1.1 1 г/см на левой стороне камеры печати) (см. Таблицу 2). Это происходит

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) из-за низкой сыпучести (менее 5г/сек) порошка перед валом (который вращается слева направо) в начале процесса нанесения порошка в камеру печати, а также из-за большого (более 20%) различия в насыпной (0.82 г/см ³ ) плотности и истинной (1.21 г/см ³ ) плотности порошка (см. Таблицу 1). Чем ниже плотность керамического изделия, тем меньше его прочность, и больше вероятность его деформации при обжиге, а неравномерность плотности делает эти показатели слабопредсказуемыми, тем самым ухудшая качество изделия.

2. Прочность на сжатие изделий приготовленных из указанного порошка не превышает значения 73 кг/см ² , даже при использовании механизма придавливания (см. Таблицу 1).

3. Изделие из порошка имеет огневую усадку не менее значения 10-12%, что требует увеличения модели на этапе печати и ограничивает доступную область камеры печати.

4. Порошок содержит вдыхаемую фракцию в количестве 6 мг/м ³ и респирабельную фракцию в количестве 3 мг/м ³ , что создает повышенную опасность для оператора и способствует засорению механических узлов 3 d-принтера.

Известна композиция связующего для изготовления керамического изделия путём трёхмерной печати, в состав которой входят следующие компоненты:

- поливинилалкоголь (поливиниловый спирт);

- этиленгликоль;

- глицерин;

- дистиллированная вода

(см. патент США N° 8475946, опубл. 02.07.2013 г., коммерческое наименование связующего, получаемого по данному патенту - Tethon Ceramic Binder).

Состав данного связующего выбран в качестве прототипа.

Прототип и композиция заявляемого связующего имеют следующие общие признаки: з

- глицерин;

- этиленгликоль;

- вторичный спирт;

- дистиллированная вода.

Композиции по прототипу присущи следующие недостатки:

- недостаточная прочность на сжатие, приводящая к повышенному риску повреждения изделия (до 7 кг/см ² );

- недостаточная средняя плотность (до 1100 кг/см ³ ), которая также приводит к повышенному риску повреждения изделия;

- сложность получения связующего для трехмерной печати керамического изделия, т.к. необходимо осуществлять гидролиз поливинилалкоголя путём термообработки и фильтрации, либо приобретение подобным образом обработанного сырья, что угрожает зависимостью от поставщиков.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу изобретения поставлена задача создать композицию ингредиентов порошка-прекурсора и композицию ингредиентов связующего для изготовления керамических изделий путём трёхмерной печати, которые обеспечивают улучшение потребительских свойств готового изделия, ускорение получения как одного из компонентов, так и керамического изделия в целом.

Поставленная задача решена двумя изобретениями, объединенными единым изобретательским замыслом: композицией ингредиентов порошка- прекурсора и композицией ингредиентов связующего для изготовления керамических изделий путём трёхмерной печати.

В первом изобретении поставленная задача решена композицией ингредиентов порошка - прекурсора для изготовления керамических изделий путём трёхмерной печати, содержащей глину и плавень тем, что, в отличие от прототипа, композиция дополнительно содержит алюминия оксид, а в качестве плавня - глазурь, при следующем соотношении указанных компонентов, мае. %:

глазурь 4-20

глина 2-40

алюминия оксид остальное

Кроме того, композиция содержит:

- алюминия оксид в виде порошка с размером частиц 40-50 мкм;

- глазурь марки VTR - 100;

- глину марки МКЛ - 1.

Во втором изобретении поставленная задача решена композицией ингредиентов связующего для трёхмерной печати керамических изделий, содержащей глицерин, этиленгликоль, вторичный спирт и дистиллированную воду тем, что, в отличие от прототипа, композиция дополнительно содержит ПЭГ-7, а в качестве вторичного спирта она содержит изопропиловый спирт, при следующем соотношении указанных компонентов, мае. %:

глицерин 0, 5-9, 0

изопропиловый спирт 0, 5-9, 0

ПЭГ-7 (глицерил кокоат) 0, 3-5,0

этиленгликоль 5,0-30,0

дистиллированная вода остальное

Кроме того, композиция дополнительно содержит краситель в количестве 0, 5-4, 0 мас.%.

Новым в первом изобретении является введение дополнительного компонента-алюминия оксида, замена плавня, а также массовое соотношение компонентов.

Достижение технического результата в первом изобретении можно объяснить следующим.

Увеличение сыпучести приводит к уменьшению разницы в насыпной и истинной плотности, как следствие, увеличивается истинная и насыпная плотность. Благодаря этому сильно уменьшается неравномерность распределения порошка в камере печати, а также увеличивается прочность изделия на всех этапах.

Марки глины и глазури, а также массовое соотношение компонентов найдены экспериментальным путём.

Глина марки МКЛ-1 - это типовая глина, которая имеется во многих странах, в т.ч. и в Украине. Это негранулированная глина и обладает высокой плотностью.

Известны и другие марки глины, в т.ч. и гранулированные, которые можно использовать в заявляемой композиции, но их нужно предварительно размолоть на мельнице.

Если глазурь ввести в количестве менее 4 мас.%. это приведёт к разрушению изделия при обжиге. Если глину ввести в количестве менее 2 мас.% - это приведет к разрушению изделия при извлечении из камеры печати. Увеличение количества глазури (более 20 мас.%) и глины (более 40 мас.%) приводит к избыточной деформации при обжиге.

Глина выполняет 2 функции: поглотитель воды (связующее) и тело порошка (основа). Увеличение содержания глины (кроме указанного выше) приводит также к снижению сыпучести, плотности, прочности и к увеличению усадки. Уменьшение количества глины (менее 2 мас.%) приводит к тому, что порошок не может адекватно (достаточно) напитать связующее и, как следствие, изделие теряет форму, а прочность его резко падает (снижается) (см. пример Ns 6).

Как указано выше, глазурь выполняет функцию сплавляющего вещества (плавня) при высокой температуре (970-1020°С). Нами испытаны, кроме марки VTR- 100, и др. марки глазури, которые также пригодны в качестве плавня. Они пригодны для использования, но при этом нужно корректировать (снижать или повышать) температуру обжига. В связи с указанным, марка глазури является несущественной. Выбор размера частиц алюминия оксида можно объяснить следующим. Желательно, чтобы размер частиц в порошке А1 ₂ 0 ₃ был как можно меньше, сохранив при этом высокую сыпучесть.

Высокая сыпучесть достигается:

- твердостью материала - алюминия оксид одно из самых твердых веществ, и позволяет сохранять сыпучесть для частиц менее 50 мкм; подавляющее большинство глин становятся несыпучими при фракционном составе менее 50мкм;

- маленьким разбросом в размере частиц - отсюда 40-50мкм, то есть ограничение 10 микронами разброса.

Новым во втором изобретении является наличие дополнительного компонента - ПЭГ-7 (глицерил кокоат), замена вторичного спирта, а также массовое соотношение компонентов.

Достижение технического результата во втором изобретении обеспечивается тем, что увеличены следующие показатели:

- средняя плотность - (1237-1250 кг/м ³ ),

- прочность на сжатие - (7,92-8,20 кг/см ² ).

Кроме того, компоненты заявляемой композиции являются легкодоступными, что обеспечивает эффективность и экономичность получения керамических изделий, которые соответствуют требованиям керамической промышленности.

ОПТИМАЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРВОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композицию ингредиентов порошка - прекурсора для изготовления керамических изделий путём трёхмерной печати готовят путём смешивания порошка алюминия оксида с размером частиц 40-50 мкм с глиной, например, марки МКЛ-1 и с глазурью, например, марки VTR-100 в произвольном порядке. Смесь компонентов перемешивают в течении ~ 5 мин. до полной гомогенизации. Указанные компоненты берут при следующем соотношении, мае. %: глина, например, марки МКЛ-1 2-40

глазурь, например, марки VTR- 100 4-20

порошок алюминия оксида

с размером частиц 40-50 мкм остальное.

Полученная таким образом композиция представляет собой белесый порошок и предназначена для приготовления керамического изделия путем трёхмерной печати.

Примеры приготовления композиций порошка-прекурсора и результаты испытания керамических изделий, приготовленных с использованием заявляемых композиций.

Пример 1

Приготовили композицию, как описано выше. Компоненты брали при следующем соотношении, мае. %.

глина МКЛ-1 10

глазурь VTR- 100 12

порошок алюминия оксида

с размером частиц 40-50 мкм 78.

Для проведения испытания заявляемой композиции приготовили тестовый образец керамического изделия (размером 5x5x5 см). Керамическое изделие изготовили путём трёхмерной печати на принтере Z corp 310.

Показатели физических характеристик приведены в Таблице 1.

Примеры 2-9 иллюстрируют изготовление керамических изделий путём трёхмерной печати аналогично тому, как описано в примере 1, но при различном массовом соотношении компонентов, а также результаты испытаний образцов, полученных по примерам 2-9.

Данные приведены в таблице 1.

Пример 10 иллюстрирует физические характеристики керамического изделия полученного путём трехмерной печати с использованием Stoneware Ceramic Powder, выпускаемого под торговой маркой Tethonite.

Данные приведены в таблице 1. Для определения деформации готового изделия, на принтере Z corp 310 были изготовлены три керамические трубки с использованием композиций по примерам N°No 2, 4 и 9.

Сравнение полученных изделий с изображением оригинальной компьютерной модели (фото 1 ) показало, что:

- при содержании в композиции глазури VTR-100 15 мас.% (пример 2) расхождения в углах, вызванные огневой поводкой, составляют в среднем 1.6 градусов (фото 2);

- при содержании в композиции глазури VTR-100 21 мас.% (пример 4) расхождения в углах, вызванные огневой поводкой, составляют

10 градусов и более (фото 3);

при содержании в композиции глазури VTR-100 3 мас.%

(пример 9) количество глазури недостаточно для сохранения формы - изделие рассыпалось при обжиге (фото 4).

Дополнительно определяли плотность порошка в камере печати на правой стороне и на левой стороне после печати, приготовленного по примеру 1 и порошка Stoneware Ceramic Powder марки Tethonite ( пример 10).

Результаты указаны в таблице 2.

Как видно из приведенных данных плотность порошка, приготовленного по примеру 1, на правой стороне в камере печати на 155 % больше, а на левой стороне - на 134% больше, чем плотность порошка Stoneware Ceramic Powder.

ОПТИМАЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВТОРОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композицию связующего для трёхмерной печати керамических изделий готовят путем смешивания глицерина, изопропилового спирта, ПЭГ-7 (глицерил кокоат), этиленгликоля и дистиллированной воды в произвольном порядке.

Компоненты затем перемешивают в течении, ~ 5 мин, до полной гомогенизации. В случае необходимости придания готовому изделию определенного цвета к указанному составу дополнительно добавляют водорастворимый краситель.

Указанные компоненты берут в следующем соотношении, мас.%: глицерин 0, 5-9, 0

5 изопропиловый спирт 0, 5-9, 0

ПЭГ-7 (глицерил кокоат) 0, 3-5,0

этиленгликоль 5,0-30,0

дистиллированная вода остальное

При необходимости в состав композиции вводится краситель в количестве ю 0, 5-4, 0 мас.%.

Полученная композиция представляет собой умеренно вязкую прозрачную жидкость либо имеет цвет соответствующего красителя.

Данная композиция пригодна для создания керамических изделий путем трехмерной печати.

15 Примеры приготовления и испытания композиции ингредиентов связующего для трёхмерной печати керамического изделия.

Пример 1 1. Приготовили композицию связующего, как описано выше.

Компоненты композиции брали при следующем соотношении, мас.%:

этиленгликоль 23,2

20 изопропиловый спирт 0,8

глицерин 0,5

ПЭГ-7 (глицерил кокоат) 2,7

дистиллированная вода 72,8

Для проведения испытания заявляемой композиции приготовили тестовый 25 образец керамического изделия (размером 5x5x5 см), содержащего 80% глины, 10% мальтодекстрина и 10 % связующего - композиции приготовленной по данному примеру. Керамическое изделие изготовили путём трёхмерной печати на принтере Zcorp 310.

После печати и просушки изделие имело высокую очищаемость, зо отсутствовал фалынслой. Физические характеристики образца: средняя плотность 1250 кг/м ³ ,

прочность на сжатие 8,20 кг/см ² .

Примеры 12-25 иллюстрируют изготовление и испытание керамических изделий изготовленных аналогично тому, как описано в примере 11, но при различных массовых соотношениях компонентов заявляемого связующего.

Данные приведены в таблице 3.

Как видно из данных, приведенных в таблице 3, уменьшение содержания в композиции ПЭГ-7 (пример 16) приводит к ухудшению физических характери стик :

средняя плотность 10,88 кг/м ³ ,

прочность на сжатие 6,15 кг/см .

Повышенное содержание ПЭГ-7 также приводит к ухудшению (пример 17):

средняя плотность 10,93 кг/м

прочность на сжатие 6,23 кг/см ² .

Такая же закономерность проявляется при изменении содержания в композиции глицерина, изопропилового спирта, этиленгликоля - выход за пределы заявляемого (примеры 18-23).

При этом следует отметить, что даже при выходе за пределы заявляемого, (примеры 16-23) физические характеристики изделий, приготовленных с применением предлагаемой композиции превышают характеристики прототипа:

средняя плотность выше на 239-276 единиц (кг/м ³ );

прочность на сжатие выше на 1,93-1,37 единиц (кг/см ² ).

Указанное подтверждает эффективность применения заявляемой композиции в качестве связующего для трехмерной печати керамического изделия.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

В заводской лаборатории приготовлены и испытаны 9 образцов порошка- прекурсора, а также 15 образцов связующего. Изготовленны опытные образцы керамических изделий путём трёхмерной печати с использованием указанных композиций.

Испытания подтвердили возможность промышленного применения заявленных композиций и их преимущества в сравнении с известными составами.

Сравнительная характеристика порошка-прекурсора,

полученного по примерам 1-10

Таблица 1

Плотность порошка в камере

Таблица 2

Сравнительные данные потребительских свойств керамических изделий

Таблица 3