基于MIP-SLA的葉片陶瓷型芯光固化成型技術(shù)*

王瑞昌，蔣睿嵩，明新國(guó)

(1 上海交通大學(xué)生產(chǎn)性服務(wù)創(chuàng)新中心，上海 200240；2 西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710072；3 上海市推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合研究中心，上海 200240；4 上海市網(wǎng)絡(luò)化制造與企業(yè)信息化重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；5 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院智能制造與信息工程研究所，上海 200240)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，航空產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)因其具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)苛的性能要求，一直制約著航空工業(yè)的發(fā)展。復(fù)雜氣冷結(jié)構(gòu)的單晶空心渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最為關(guān)鍵的零部件之一，由于其對(duì)結(jié)構(gòu)與材料有著較為嚴(yán)苛的要求，因此被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。對(duì)于具有復(fù)雜通道設(shè)計(jì)的空心渦輪葉片，目前一般采用精密鑄造的方式進(jìn)行制備。由此，通常需要先制備出具有特殊形狀的陶瓷型芯充當(dāng)內(nèi)腔。但是，陶芯模具設(shè)計(jì)定型周期長(zhǎng)、成本高依然是目前陶瓷型芯制造工藝中面臨的難題。近年來(lái)，增材制造技術(shù)的興起給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)巨大變革，也給陶瓷型芯的制備提供了一種新的可供參考的方法。早在1997年，Allen等[1]已經(jīng)開始研究陶瓷材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。Doreau等[2-3]也在2000年對(duì)陶瓷材料用于制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。除此之外，多種材料同時(shí)打印的技術(shù)研究也取得了進(jìn)展。Rokicki等[4]在2014年已經(jīng)研究3D打印技術(shù)在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片方面的應(yīng)用。王鎵垠等[5]詳細(xì)介紹3D打印技術(shù)在大段骨修復(fù)材料、血管與血管網(wǎng)、人工肝臟、血管化脂肪組織幾方面的研究進(jìn)展。針對(duì)MIP-SLA打印工藝的研究主要集中于解決光學(xué)畸變和能量的分布均勻性。楊根等[6]建立畸變校正模型，并提出空間可變雙線性插值算法，使得投射的光線能量均勻。在將3D打印技術(shù)應(yīng)用于陶瓷產(chǎn)品制備的研究中，已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展[7]，并對(duì)基于光固化3D打印技術(shù)的任意陶瓷零件制備進(jìn)行了大量研究[8]。Gao等[9]主要研究聚合物含量、激光功率和HAP/β-TCP的比例對(duì)打印出的陶瓷零件微觀結(jié)構(gòu)的影響。Shuai等[10]則對(duì)陶瓷漿料固化過程中的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行研究。

目前對(duì)于精度要求較高的產(chǎn)品制備，多采用金屬激光燒結(jié)技術(shù)，但相較于光固化成型，金屬激光燒結(jié)技術(shù)效率低下。而傳統(tǒng)的光固化成型技術(shù)多采用單一的光敏樹脂，難以滿足多種材料需求。本文通過研究陶瓷漿料制備過程中光敏樹脂類型、固相含量、陶瓷顆粒粒徑、分散劑含量和球磨時(shí)間對(duì)陶瓷漿料性能的影響，制備出性能較為穩(wěn)定的陶瓷漿料，并通過搭建MIP-SLA工藝試驗(yàn)平臺(tái)，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，在保證打印精度的同時(shí)，大大提高了打印效率。

1 MIP-SLA打印系統(tǒng)概述

MIP-SLA，即基于圖像投影光固化成型技術(shù)(mask-image projection stereolithography，如圖1)。MIP-SLA打印系統(tǒng)由硬件部分、固件部分和軟件部分等3部分組成。根據(jù)光照方向的不同，MIP-SLA打印系統(tǒng)又可分為自下而上投影法和自上而下投影法。選用自下向上投影法可節(jié)省試驗(yàn)空間。

圖1 MIP-SLA打印系統(tǒng)Fig.1 Printing system of MIP-SLA

2 工藝分析

基于MIP-SLA的光固化成型技術(shù)，涉及的工藝參數(shù)主要包括層厚和曝光時(shí)間。曝光時(shí)間過短，光敏樹脂來(lái)不及固化，打印出的零件毛坯會(huì)出現(xiàn)缺口，或者直接不能固化，經(jīng)過幾個(gè)曝光時(shí)間單元后直接固化在料槽底部，導(dǎo)致打印失??；如果曝光時(shí)間過長(zhǎng)，則由于影儀投影在料槽底部的光會(huì)發(fā)生折射，再加上投影儀工作狀態(tài)下會(huì)有少量可見光照射到料槽底部，導(dǎo)致打印出的零件模型有明顯的片狀延伸，使得打印零件毛坯表面粗糙度驟升，特別是對(duì)于有孔隙結(jié)構(gòu)的零件來(lái)說，曝光時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使得后處理過程變得非常復(fù)雜。選用3種不同的層厚(0.05、0.10和0.15 mm)來(lái)測(cè)量其打印精度。

2.1 原理分析

對(duì)于光固化3D打印技術(shù)來(lái)說，影響其成型質(zhì)量的兩個(gè)最為重要的參數(shù)是每層固化高度(即層厚)和每層曝光時(shí)間。通過合理地設(shè)置這兩個(gè)參數(shù)，便可以達(dá)到在保證打印件質(zhì)量的同時(shí)，提高打印的效率。每層固化高度和每層曝光時(shí)間的設(shè)置，主要取決于投影儀的投影光強(qiáng)、從投影儀鏡頭到料槽底部的光程差，以及光敏樹脂的光敏特性。

光敏樹脂的種類不同，其光敏性質(zhì)也就有所差別。實(shí)際中主要借助臨界曝光量EC和光透射深度DP來(lái)衡量光敏樹脂的對(duì)光敏感性。這兩個(gè)參數(shù)是固化過程中最為重要的參數(shù)。其中，臨界曝光量EC是指使光敏樹脂能夠由液態(tài)充分固化所需的最低能量。由于光線通過液態(tài)樹脂時(shí)會(huì)衰減，規(guī)定當(dāng)光線的能量密度衰減至入射能量E0的1/e時(shí)，所穿過的樹脂層的厚度稱之為光透射深度DP。

大多數(shù)光敏樹脂固化在紫外光條件下才會(huì)發(fā)生，即波長(zhǎng)范圍為365～420 nm。而投影儀投出的光線波長(zhǎng)紫外光含量較高，故可保證其固化水平。光敏樹脂在紫外光的照射下，其吸收規(guī)律符合Beer-Lambert準(zhǔn)則[5]，即

E(z)=E0exp(-ε[I]z)，

(1)

式中：E(z)為深度為z處的曝光能量密度，E0為初始入射紫外光的曝光能量密度，ε為引發(fā)劑的摩爾消光系數(shù)，[I]為引發(fā)劑濃度。

由此便得出，當(dāng)深度z達(dá)到對(duì)應(yīng)的固化厚度時(shí)，其固化厚度為

d=(1/ε[I])ln(E0/EC).

(2)

當(dāng)入射能量為臨界能量值時(shí)，光敏樹脂的透射深度DP為

DP=1/ε[I].

(3)

通過改變曝光時(shí)間來(lái)改變?nèi)肷淠芰棵芏?，進(jìn)而改變光敏樹脂的透射深度，從而使得打印平臺(tái)與料槽底部之間的樹脂層能夠固化充分，即保證DP≥d。

光敏樹脂在遇到由投影儀投射過來(lái)的可見光后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，開始固化。因?yàn)楣夤袒?D打印過程中，模型是由固化完成的光敏樹脂一層一層堆疊而成的，因此，固化的每一膜層之間在微觀條件下都會(huì)有梯級(jí)的存在。分別對(duì)不同膜層厚度下打印件的尺寸精度和表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，分析每層的固化高度與每層曝光時(shí)間對(duì)打印件質(zhì)量的影響，如表1所示。

對(duì)于同一層高的光敏樹脂，在誤差允許范圍內(nèi)，且均在合理的曝光時(shí)間內(nèi)時(shí)，隨著曝光時(shí)間的增長(zhǎng)，打印件成型后的表面粗糙度越大；由于層高發(fā)生變化時(shí)，在一個(gè)打印時(shí)間單元內(nèi)需要固化的光敏樹脂增多，因此在比較不同層高對(duì)打印件表面質(zhì)量的影響時(shí)，只選取相應(yīng)層高下最合適的曝光時(shí)間，對(duì)比1、4、5這3組試驗(yàn)，當(dāng)每層的膜層高度越來(lái)越大時(shí)，打印件的表面越粗糙。當(dāng)需要同時(shí)兼顧打印質(zhì)量和打印效率時(shí)，則要選取合適的膜層厚度和曝光時(shí)間，將兩個(gè)因素耦合取最優(yōu)。

表1 打印工藝參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響Table 1 Effects of printing process parameters on print quality

2.2 幾何精度校正

合理地控制投影儀投射鏡頭到料槽底部的光程長(zhǎng)度對(duì)于保證打印模型的精度是十分必要的。選用不同膜層厚度進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表2。

分析表2可知，該3D打印試驗(yàn)平臺(tái)X軸方向、Y軸方向、Z軸方向的打印相對(duì)誤差分別為1.58%、0.84%和14.08%；X軸方向、Y軸方向、Z軸方向的重復(fù)精度分別為0.28、0.31和4.22 mm。Z軸方向的尺寸精度較X軸方向和Y軸方向要差，這是由于該光固化3D打印試驗(yàn)平臺(tái)采用的是由開環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制打印平臺(tái)的升降。步進(jìn)電機(jī)在接收下位機(jī)發(fā)送的脈沖過程中會(huì)發(fā)生丟步的現(xiàn)象，且不能及時(shí)反饋給系統(tǒng)，造成Z軸方向誤差較X軸和Y軸方向的誤差大。

由于在進(jìn)行增材制造過程中，尤其是在對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行打印時(shí)，預(yù)打印模型往往不是像立方體這樣規(guī)整的平面結(jié)構(gòu)，而是平面和曲面的結(jié)合體。因此，只對(duì)具有單一平面的立方體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度分析往往是不夠的，需建立一個(gè)關(guān)于精度的綜合評(píng)估體系模型。選用的精度綜合評(píng)價(jià)體系包括立方體模型、圓柱模型、斜面模型和小孔模型，囊括了3D打印中較為常見的集中模型類型。通過實(shí)際測(cè)量打印模型的幾何尺寸，其X、Y軸方向幾寸誤差均可控制在3%，Z軸方向的打印誤差則可以控制在8%。

2.3 工藝參數(shù)控制域確定方法

對(duì)于給定的某一膜層高度的光敏樹脂，其每一層的曝光時(shí)間均存在一個(gè)合理的范圍。對(duì)于將光固化3D打印技術(shù)應(yīng)用到航天航空工業(yè)領(lǐng)域，保證打印件的表面質(zhì)量是首先要考慮的內(nèi)容，在對(duì)已經(jīng)試驗(yàn)的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)，規(guī)定表面質(zhì)量所占比重為0.7，打印效率所占比重為0.3。表面質(zhì)量和打印效率的具體評(píng)測(cè)值分別見表3和表4。

表3 粗糙度評(píng)測(cè)Table 3 Evaluation of roughness

表4 打印效率評(píng)測(cè)Table 4 Evaluation of efficiency

由表3和表4可對(duì)上述5組試驗(yàn)進(jìn)行綜合評(píng)測(cè)。評(píng)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 打印參數(shù)綜合評(píng)測(cè)Table 5 Comprehensive evaluation of print parameters

按照上述給定的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可知組別5的評(píng)測(cè)值最高，因此，選用層厚為0.15 mm和單層曝光時(shí)間為8 300 ms進(jìn)行模型零件的打印效果最好。

3 陶瓷漿料的制備

對(duì)于陶瓷漿料來(lái)說，流動(dòng)性和固相含量是評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的兩個(gè)非常重要的參數(shù)。固相含量升高，陶瓷漿料的流動(dòng)性就會(huì)相應(yīng)降低。目前，用于制備陶瓷漿料的陶瓷顆粒主要有氧化硅和氧化鋁陶瓷顆粒。氧化硅陶瓷的工作溫度一般為1 200～1 300 ℃，當(dāng)溫度超過1 500 ℃時(shí)，其化學(xué)穩(wěn)定性以及抗蠕變性能就遠(yuǎn)不能滿足空心葉片的精鑄要求。氧化鋁陶瓷由于其高溫性能較好，能夠滿足渦輪葉片的精鑄溫度要求，且抗蠕變性能優(yōu)異，故一般在制備渦輪葉片陶瓷型芯的陶瓷漿料時(shí)，選用氧化鋁陶瓷顆粒。通過分析光敏樹脂類型、固相含量、陶瓷顆粒粒徑、分散劑含量和球磨時(shí)間對(duì)陶瓷漿料性能的影響，確定合適的陶瓷漿料制備工藝參數(shù)。

1)光敏樹脂類型的選擇。A型和B型光敏樹脂是市面上使用的兩種光敏樹脂。A型樹脂固化后脆性較大，B型樹脂固化后塑性較大。本文試驗(yàn)驗(yàn)證選用的A型樹脂性能如表6所示。

表6 A型樹脂的性能指標(biāo)Table 6 Performance indexes of resin type A

2)固相含量的確定。固相含量大小直接關(guān)系到陶瓷漿料的流動(dòng)性和最終樣件的成型效果。固相含量高，打印完成的樣件在脫黏與燒結(jié)過程中的收縮率就會(huì)大大降低。但是，過大的固相含量又會(huì)使得漿料的流動(dòng)性大大降低，給樣件毛坯的順利打印帶來(lái)難度，較大的黏度使得陶瓷漿料制備過程和打印過程中產(chǎn)生的氣泡無(wú)法及時(shí)排出，增大打印樣件毛坯的氣孔率。由圖2(a)可知，隨著陶瓷漿料固相含量的升高，固相含量在40%之前時(shí)，漿料的流動(dòng)性變化較緩；當(dāng)固相含量超過40%后，其流動(dòng)性開始劇烈下降，相應(yīng)的黏度值劇烈上升。這是由于隨著固相含量的增加，漿料中的分散相相應(yīng)地開始逐漸變少，陶瓷顆粒間的結(jié)合力開始變強(qiáng)，陶瓷漿料開始有團(tuán)聚趨勢(shì)。同時(shí)，由于在混合過程中陶瓷顆粒表面要吸附光敏樹脂，陶瓷顆粒含量越多，其表面吸附的流動(dòng)性較好的光敏樹脂就越多，能自由活動(dòng)的樹脂相應(yīng)就會(huì)減少，陶瓷漿料的流動(dòng)性便會(huì)越低。

3)陶瓷顆粒直徑大小的選取。陶瓷顆粒直徑大小直接影響到其在光敏樹脂中分散狀態(tài)的穩(wěn)定性，也會(huì)對(duì)打印樣件的脫黏燒結(jié)產(chǎn)生影響。陶瓷顆粒的直徑越小，表面能也就越大，顆粒之間的固相反應(yīng)進(jìn)行得也會(huì)更徹底。隨著陶瓷顆粒直徑的變小，漿料的流動(dòng)阻力相應(yīng)就會(huì)越大，其黏度值也就會(huì)增大。選用的陶瓷顆粒粒徑大小在35 μm左右。

4)分散劑含量的確定。選用的分散劑類型為聚丙烯酸銨，其主要是作為一種表面活性劑加入到陶瓷漿料中，使得漿料中的陶瓷顆粒表面的活性發(fā)生改變，起到靜電和空間位阻的功能。分散劑的濃度也會(huì)對(duì)分散效果起到重要作用。如果分散劑濃度過低，表面尚未改性的陶瓷顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)，仍會(huì)發(fā)生碰撞，進(jìn)而發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象；如果分散劑濃度過高，陶瓷顆粒表面的分散劑達(dá)到過飽和，會(huì)有多余的分散劑作用在顆粒之間，形成絮凝，也會(huì)降低陶瓷漿料的穩(wěn)定性。由圖2(b)可知，陶瓷漿料流動(dòng)性最佳時(shí)對(duì)應(yīng)的分散劑含量為7%。

5)為使得陶瓷顆粒與光敏樹脂能夠充分混合，采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行陶瓷漿料的制備。通過球磨機(jī)進(jìn)行磨粒研磨，是為了保證分散劑能夠充分地被陶瓷顆粒吸附在表面上，改變陶瓷顆粒的表面活性。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，陶瓷漿料的流動(dòng)性先升高后又開始降低，這是因?yàn)樵谇蚰ミ^程中，研磨既起到使陶瓷漿料均勻化的作用，又起到使?jié){料細(xì)化的作用。陶瓷漿料的流動(dòng)性總體呈先升高后降低的趨勢(shì)，且在研磨時(shí)間為2 h時(shí)達(dá)到流動(dòng)性最大值,如圖2(c)所示。

圖2 陶瓷漿料的固相含量、分散劑含量、球磨時(shí)間對(duì)漿料流動(dòng)性的影響Fig.2 Effects of solid phase content,dispersant content,and ball milling time on fluidity of ceramic suspension

4 模型打印

對(duì)于陶瓷漿料來(lái)說，由于陶瓷顆粒的存在，光敏樹脂在每一膜層的含量相對(duì)減少，所需曝光時(shí)間變短，同時(shí)，陶瓷顆粒也會(huì)阻擋光線的傳播，阻礙靠近打印平臺(tái)側(cè)的樹脂的固化。為此，需合理控制曝光時(shí)間。曝光時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使得最靠近光源一側(cè)的陶瓷漿料過度固化，產(chǎn)生層片狀結(jié)構(gòu)，造成打印件表面質(zhì)量降低。同時(shí)，由于陶瓷顆粒的存在，陶瓷漿料固化后不易黏結(jié)到打印平臺(tái)底部。

4.1 三維實(shí)體建模

利用三維建模軟件UG構(gòu)建渦輪葉片陶瓷型芯的幾何模型，如圖3所示。將其導(dǎo)入到切片軟件中切片，效果如圖4(a)和4(b)所示。

圖3 葉片陶瓷型芯三維模型Fig.3 3D model of the blade ceramic core

4.2 打印工藝參數(shù)研究

通過前期預(yù)試驗(yàn)，基本確定膜層厚度分別為0.05、0.10和0.15 mm，且固相含量為10%的陶瓷漿料分別所需的單一膜層曝光時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

4.3 打印效果分析

分別選用流動(dòng)性相對(duì)較好的固相含量為10%和40%的陶瓷漿料進(jìn)行打印。選用臥式行星球磨機(jī)對(duì)A型樹脂和陶瓷顆粒的混合液進(jìn)行研磨，轉(zhuǎn)速為250 r/min，研磨時(shí)間為2 h，分散劑含量為7%。固相含量為10%的陶瓷漿料選用膜層厚度為0.10 mm，單一膜層曝光時(shí)間設(shè)置為6 600 ms；固相含量為40%的陶瓷漿料選用膜層厚度為0.10 mm，單一膜層曝光時(shí)間設(shè)置為6 900 ms。

圖4 不同層的切片F(xiàn)ig.4 Slices of different layers

表7 膜層厚度與曝光時(shí)間對(duì)打印效果的影響Table 7 Effects of film thickness and exposure time on printing results

由于打印時(shí)間過長(zhǎng)，陶瓷漿料的不穩(wěn)定性將會(huì)影響打印質(zhì)量。因此，先進(jìn)行較薄的圓柱齒輪的打印，打印效果分別如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 不同固相含量打印效果示意圖Fig.5 Printing results with different solid phase contents

由于陶瓷顆粒的粒徑較大，故每層打印平臺(tái)與料槽底部的間隙值跟上位機(jī)軟件設(shè)置的差距也會(huì)變大。因此，固相含量為40%的漿料打印出來(lái)的樣件Z向尺寸要明顯大于固相含量為10%的漿料。另外，通過比較圖5(a)和5(b)可以發(fā)現(xiàn)，漿料中固相含量越高，其表面質(zhì)量就會(huì)越差。

進(jìn)行陶瓷型芯樣件打印時(shí)，選用固相含量為10%的陶瓷漿料，膜層厚度設(shè)置為0.10 mm，單一膜層曝光時(shí)間設(shè)置為6 400 ms，選用臥式行星球磨機(jī)對(duì)A型樹脂和陶瓷顆粒的混合液進(jìn)行研磨，轉(zhuǎn)速為250 r/min，研磨時(shí)間為2 h，分散劑含量為7%。打印出的陶瓷型芯樣件如圖6所示。

圖6 固相含量為10%的陶瓷型芯樣件Fig.6 Ceramic core sample with 10% solid phase

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)渦輪葉片陶瓷型芯其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且模具設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高的制造現(xiàn)狀，探索性地對(duì)利用3D打印技術(shù)，通過搭建基于圖像投影的光固化試驗(yàn)平臺(tái)，研究如何利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)打印平臺(tái)的精確控制。為改善打印質(zhì)量，對(duì)打印工藝參數(shù)進(jìn)行校正，并對(duì)打印件的尺寸精度和表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，分析每層的膜層厚度與每層的曝光時(shí)間這兩個(gè)重要的工藝參數(shù)對(duì)打印件成型質(zhì)量的影響。通過分析光敏樹脂類型、固相含量、陶瓷顆粒粒徑、分散劑含量和球磨時(shí)間對(duì)陶瓷漿料性能的影響，為突破光固化3D打印領(lǐng)域材料的限制進(jìn)行嘗試與實(shí)踐，最后對(duì)選擇的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。