一种陶瓷手臂的一体式快速3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料增材制造技术领域，特别涉及一种陶瓷手臂的 一体式快速3D打印制造方法。

背景技术

3D打印是一种快速成型技术，又称为增材制造技术，是以三维数据模型为 基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着增材制造技术的逐渐成熟， 3D打印技术在各种材料领域中都开始发挥了出色作用，其中光固化技术更是因 为固化速度快，制造精度高，成为一种高效的高精度成型方法，从而成为3D打 印领域研究的热点。

陶瓷手臂又称陶瓷传送臂、末端执行器，主要用于半导体零件的抓取装夹， 并广泛应用于集成电路、平板显示、LED、光伏等泛半导体领域生产设备中。结 构上，陶瓷手臂通常设计成扁平的手臂和手掌，同时需要在表面设计有气孔， 并在内部设计通气槽。在使用时，通过所述气槽进行抽气后形成真空，从而将 晶圆牢固地吸附在该手掌上，以进行转运。在该陶瓷手臂的制造材料方向，其 一般使用高纯度的99氧化铝陶瓷，从而保证在制程设备的腔体内使用时具有良 好的耐热性、机械强度、绝缘性和抗腐蚀性，减少对腔体内真空环境的颗粒污 染。

但由于零件尺寸精度要求非常高(如平面度公差±0.02mm)，现有技术中陶 瓷手臂通常采用数控机床(CNC)直接加工板材的方式制得。因此，为了在内部 形成连通的气道，陶瓷手臂整体必须被分拆为顶板和底板两部分。在所述顶板 上，经过切削加工形成所需的通孔和凹槽。所述底板也称为封板，其盖设在所 述顶板上，起到封闭气孔和凹槽的作用。最后将所述底板与顶板通过粘结剂拼 接在一起以形成含有内部气道的陶瓷手臂。

然而，氧化铝的纯度越高，硬度也将越高，从而将越难切削，因此板材的 加工需要使用金刚石刀具，从而导致制备成本高、耗时长。此外，由于陶瓷手 臂长时间在腔室内的极端环境下循环使用，其额外的粘合紧固部分容易老化， 导致陶瓷手臂气密性变差，缩短其使用寿命。

因此，如果能实现陶瓷手臂顶板和底板的一体式制造，将有助于延长陶瓷 手臂的使用寿命，降低制造成本，适应半导体制程设备的快速更新换代。

专利申请号为CN110105057A所公开的技术方案是先将石蜡加工成尺寸与陶 瓷手臂的气道尺寸相等的成型件，然后将陶瓷原料与成型件共同成型，再去除 石蜡，最后烧结，从得到一体化成型的陶瓷手臂。这种制备方法在蜡型加工和 去除方法繁琐复杂，从而导致制造成本也很高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种陶瓷手臂的一体式快速3D打印制造方法，以 解决上述技术问题。

一种陶瓷手臂的一体式快速3D打印制造方法，其包括如下步骤：

提供一个陶瓷手臂的尺寸及结构数据，由该尺寸及结构数据建立3D计算机 模型；

调整所述陶瓷手臂的3D计算机模型在构建平台上的摆放姿态，使得其长宽 高中最小的尺寸方向平行于构建平台的Z轴方向，并在所述3D计算机模型的X、 Y、Z三个方向乘以放大系数后，导出得到具有一定单层厚度的切片文件；

提供一个光固化3D打印机以及陶瓷浆料；

向所述光固化3D打印机导入所述切片文件，并设置打印层厚、曝光光强、 以及曝光时间以制得所述陶瓷手臂的生坯；

将所制得的陶瓷手臂生坯放入清洗液中，清洗掉多余的未固化浆料；

将清洗干净的陶瓷手臂生坯在一定的升温速率下脱脂，然后在1620℃～ 1680℃下进行高温烧结，得到一体式的所述陶瓷手臂。

进一步地，所述陶瓷手臂的3D计算机模型由顶板部分与底板部分组合而成， 所述陶瓷手臂的尺寸及结构数据包括所述顶板的尺寸及结构数据与所述底板的 尺寸及结构数据。

进一步地，所述顶板上设置有至少一个气孔，和至少一条与该气孔连通的 气槽。

进一步地，所述3D计算机模型在X轴方向,Y轴方向，以及Z轴方向的放大 系数分别为117％-120％，117％-120％，以及120％-122％。

进一步地，所述切片文件的切片厚度为15微米～100微米。

进一步地，所述陶瓷浆料为光敏性氧化铝陶瓷浆料，密度≥2.63g/cm

进一步地，所述光固化3D打印机为下沉式结构的数字面投影陶瓷3D打印 机，光源波长为365nm～405nm。

进一步地，所述清洗液为酒精或纯水，清洗次数为3-5次。

进一步地，所述排胶升温速率为0.1℃-5℃/min，最高温度为500℃，保温 时间为1h。

进一步地，所述烧结升温速率为5℃-10℃/min,烧结温度为1650℃，保温 时间为2h。

与现有技术相比，本发明提供的陶瓷手臂的一体式快速3D打印制造方法通 过光固化3D打印成型实现了陶瓷手臂的一体化制造，其首先通过计算机软件将 传统陶瓷手臂的顶板和底板合二为一形成陶瓷手臂的一体式3D模型，然后再将 该3D模型使长宽高中最小的尺寸方向平行于构建平台的Z轴方向，接着将所述 3D计算机模型的X、Y、Z三个方向乘以放大系数后，导出得到具有一定单层厚 度的切片文件，最后通过光固化3D打印机对其进行3D打印，从而制得所述陶 瓷手臂。该制造方法在制造成本和效率上均远高于传统的切削加工技术，且所 制备的一体化陶瓷手臂，无需额外的高分子粘结紧固，不存在气密性问题，可 极大延长陶瓷手臂在腔体内极端环境中的使用寿命。此外，面对半导体制程设 备的不断升级迭代，这种高精度的快速制备方法将使得陶瓷手臂产品的定制化 设计更改更快更易于执行,可以实现陶瓷手臂的一体化制造和结构优化。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对 本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。

所述陶瓷手臂的一体式快速3D打印制造方法包括如下步骤：

STEP101：提供一个陶瓷手臂的尺寸及结构数据，由该尺寸及结构数据建立 3D计算机模型；

STEP102：调整所述陶瓷手臂的3D计算机模型在构建平台上的摆放姿态， 使得其长宽高中最小的尺寸方向平行于构建平台的Z轴方向，并在所述3D计算 机模型的X、Y、Z三个方向乘以放大系数后，导出得到具有一定单层厚度的切 片文件；

STEP103：提供一个光固化3D打印机以及陶瓷浆料；

STEP104：向所述光固化3D打印机导入所述切片文件，并设置打印层厚、 曝光光强、以及曝光时间以制得所述陶瓷手臂的生坯；

STEP105：将所制得的陶瓷手臂生坯放入清洗液中，清洗掉多余的为未固化 浆料；

STEP106：将清洗干净的陶瓷手臂生坯在一定的升温速率下脱脂，然后在 1620℃～1680℃下进行高温烧结，制到所述一体式陶瓷手臂。

在步骤STEP101，所述陶瓷手臂本身为现有技术，其尺寸及结构等参数都为 本领域技术人员所习知，在此不再赘述。为了便于切削加工，现有技术中的陶 瓷手臂均被分解为顶板和底板两部分，即所述陶瓷手臂的3D计算机模型由顶板 部分与底板部分组合而成，因此在对该陶瓷手臂的3D模型进行设计时，首先要 使用计算机软件将顶板2D图形和底板2D图形合并转换为一体的3D模型，然后 可直接在3D模型上设置出所具有的气孔与气槽。因此，所述陶瓷手臂的尺寸及 结构数据包括所述顶板的尺寸及结构数据与所述底板的尺寸及结构数据。可以 想到的是，所述顶板上设置有至少一个气孔，和至少一条与该气孔连通的气槽。 所述气孔及气槽的数量可以根据实际的需要进行设定。所述计算机软件可以为CAD三维设计软件，也可以为Solidworks，或Pro/E三维设计软件。通过该计 算机软件设计出该陶瓷手臂的3D模型，该3D模型包括该陶瓷手臂的所有尺寸 及结构参数。

在步骤STEP102中，通过将陶瓷手臂的3D模块中的长宽高中最小的尺寸方 向平行于构建平台的Z轴方向，从而有利于打印所述陶瓷手臂。至于构建平台 的Z轴方向，其为现有技术，其是3D打印设计常用的技术术语，并用于放置所 需要打印的3D模型，在此不再赘述。当放置在所述构建平台上后，对所述3D 计算机模型的X、Y、Z三个方向上的数据进行放大，以得到烧结后正确尺寸的 陶瓷手臂。具体地，其是对3D计算机模型的X、Y、Z三个方向上的数据乘以放 大系数。放大系数作用在于抵消陶瓷素坯烧结后的尺寸收缩。在本发明创造中， 所述3D计算机模型在X轴方向,Y轴方向，以及Z轴方向的放大系数分别为117％-120％，117％-120％，以及120％-122％。通过放大后，得到烧结后正确尺寸的 陶瓷手臂。然后导出形成具有一定单层厚度的切片文件，以备3D打印机使用。 对于所述的切片文件，其为3D打印机常用的且可以识别的格式文件，在此不再 赘述。所述切片文件的单层厚度可以为15微米～100微米之间。在本实施例中， 所述切片文件的单层厚度为50微米。

在步骤STEP103中，所述光固化3D打印机可以为下沉式结构的数字面投影 (DLP，Digital Light Processing)陶瓷3D打印机，其光源波长介于365nm～ 410nm。在本实施例中，所述光固化3D打印机的光源波长为385nm，水平解析度 为4K(3840×2160像素)，投影水平分辨率65微米，成型幅面为249.6mm×140.4mm， 从而保证陶瓷手臂在成型过程中精细孔道的高精度实现。所述陶瓷浆料为光敏 性氧化铝陶瓷浆料，密度≥2.63g/cm

在步骤STEP104中，所设置的打印层厚、曝光光强、以及曝光时间等参数 可以根据实际的需要设置。在本实施例中，所述打印层厚设置为50微米，与切 片层厚相同，所述曝光条件为光强≥4mw/cm

在步骤STEP105中，所使用的清洗液可以为酒精或纯水等，清洗次数为3～ 5次。同时，对于陶瓷手臂中的内部气道和表面小孔则可以使用气枪冲洗，其冲 洗方法应当为3D打印技术中的现有技术，在此不再赘述。

在步骤STEP106中，在脱脂过程中，所述排胶升温速率为0.1℃-5℃/min， 最高温度为500℃，保温时间为1h。在高温烧结过程中，所述烧结升温速率为 5℃-10℃/min,烧结温度为1650℃，保温时间为2h。

与现有技术相比，本发明提供的陶瓷手臂的一体式快速3D打印制造方法通 过光固化3D打印成型实现了陶瓷手臂的一体化制造，其首先通过计算机软件将 传统陶瓷手臂的顶板和底板合二为一形成陶瓷手臂的3D模型，然后再将该3D 模型使长宽高中最小的尺寸方向平行于构建平台的Z轴方向，接着将所述3D计 算机模型的X、Y、Z三个方向乘以放大系数后，导出得到具有一定单层厚度的 切片文件，最后通过光固化3D打印机对其进行3D打印，从而制得所述陶瓷手 臂。该制造方法在制造成本和效率上均远高于传统的切削加工技术，且所制备 的一体化陶瓷手臂，无需额外的高分子粘结紧固，不存在气密性问题，可极大延长陶瓷手臂在腔体内极端环境中的使用寿命。此外，面对半导体制程设备的 不断升级迭代，这种高精度的快速制备方法将使得陶瓷手臂产品的定制化设计 更改更快更易于执行,可以实现陶瓷手臂的结构优化。

F型陶瓷手臂A(左)

1、根据F型陶瓷手臂A(左)顶板和底板的二维图纸，使用CAD软件进 行三维建模，得到F型陶瓷手臂A(左)的一体化3D模型；调整F型陶瓷手臂 A(左)的3D模型，使其厚度方向平行于打印机构建平台的Z轴方向，加入模型 放大系数：X方向放大系数：118.02％，Y方向放大系数:117.24％，Z方向放大 系数120.25％，导出得到单层厚度为50微米的F型陶瓷手臂A(左)切片文件；

2、将感光氧化铝陶瓷浆料加入到CeramPlus DLP 4K陶瓷3D打印机的料 缸中，将F型陶瓷手臂A(左)的切片文件导入光固化3D打印机控制软件中，设 置打印层厚50微米，曝光光强8mw/cm

3、将所制得的一体式F型陶瓷手臂A(左)打印生坯放入专用清洗液中， 清洗掉多余的为未固化浆料；

4、将清洗干净的F型陶瓷手臂A(左)打印生坯放入马弗炉中，以0.25℃ /min在500℃下脱脂2h，然后以5℃/min升温至1650℃下保温2小时，自然降 温后得到正确尺寸一体式F型陶瓷手臂A(左)。

F型陶瓷手臂A(右)

1、根据F型陶瓷手臂A(右)顶板和底板的二维图纸，使用CAD软件进行 三维建模，得到F型陶瓷手臂A(右)的一体化3D模型；

2、调整F型陶瓷手臂A(右)的3D模型，使其厚度方向平行于打印机构建 平台的Z轴方向，加入模型放大系数：X方向放大系数：118.02％，Y方向放大 系数:117.24％，Z方向放大系数120.25％，导出得到单层厚度为50微米的F型 陶瓷手臂A(右)切片文件；

3、将感光氧化铝陶瓷浆料加入到CeramPlus DLP 4K陶瓷3D打印机的料缸 中，将F型陶瓷手臂A(右)的切片文件导入光固化3D打印机控制软件中，设 置打印层厚50微米，曝光光强4mw/cm

4、将所制得的一体式F型陶瓷手臂A(右)打印生坯放入专用清洗液中， 清洗掉多余的为未固化浆料；

5、将清洗干净的F型陶瓷手臂A(右)打印生坯放入马弗炉中，以0.5℃ /min在500℃下脱脂2h，然后以10℃/min升温至1650℃下保温2小时，自然 降温后得到正确尺寸的一体式F型陶瓷手臂A(右)。

F型陶瓷手臂B(右)

1、根据F型陶瓷手臂B(右)顶板和底板的二维图纸，使用CAD软件进行 三维建模，得到F型陶瓷手臂B(右)的一体化3D模型；

2、调整F型陶瓷手臂B(右)的3D模型，使其厚度方向平行于打印机构建 平台的Z轴方向，加入模型放大系数：X方向放大系数：118.02％，Y方向放大 系数:117.24％，Z方向放大系数120.25％，导出得到单层厚度为50微米的F型 陶瓷手臂B(右)切片文件；

3、将感光氧化铝陶瓷浆料加入到CeramPlus DLP 4K陶瓷3D打印机的料缸 中，将F型陶瓷手臂B(右)的切片文件导入光固化3D打印机控制软件中，设 置打印层厚50微米，曝光光强16mw/cm

4、将所制得的一体式F型陶瓷手臂B(右)打印生坯放入专用清洗液中， 清洗掉多余的为未固化浆料；

5、将清洗干净的F型陶瓷手臂B(右)打印生坯放入马弗炉中，以1℃/min 在500℃下脱脂2h，然后以5℃/min升温至1650℃下保温2小时，自然降温后 得到平整的一体式F型陶瓷手臂B(右)。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在 本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。