DLP 光固化打印精密鑄造陶瓷型殼工藝研究

楊建明，肖志文，王永寬，丁云飛

（ 江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港 222005 ）

隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，將3D 打印應(yīng)用于精密鑄造領(lǐng)域已成為精密鑄造發(fā)展的新方向[1]。 目前的研究報(bào)道主要以3D 打印的模型來替代傳統(tǒng)熔模鑄造中的蠟?zāi)2-4]，或先3D 打印得到樹脂原型，再在原型中灌注陶瓷漿料得到精密鑄造陶瓷型殼[5]。 但如果能直接3D 打印精密鑄造的陶瓷型殼， 則對(duì)傳統(tǒng)鑄造企業(yè)減少工序、縮短周期、降低成本及實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保等都具有很好的促進(jìn)作用。Corcione 等[6]采用立體光固化成形法制備了鑄造鋁鑄件的陶瓷型殼；Bae 等[7]則采用立體光固化成形法進(jìn)行陶瓷光固化3D 打印制備自帶型芯的整體式精密鑄造型殼；吳政寬[8]提出了采用光固化3D 打印制備陶瓷殼模，代替了熔模鑄造中通過復(fù)雜工藝制作的殼模；Wang等[9]采用數(shù)字光處理（DLP）法3D 打印制備了氧化鋯陶瓷鑄型并澆注獲得了鋁鑄件。

熔模鑄造和陶瓷型鑄造都是以使用陶瓷型殼進(jìn)行澆注的精密鑄造方法，其中熔模鑄造采用蠟?zāi)５瓤扇勰Ｐ椭貜?fù)進(jìn)行浸漿、撒砂、結(jié)殼等操作，再將模型熔化脫除從而獲得由多層耐火材料組成的型殼，其工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)；陶瓷型鑄造一般是先制作砂套然后灌注陶瓷漿料，經(jīng)過結(jié)膠等工藝制成具有陶瓷面層的鑄型，其難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，不適合于批量大的鑄件生產(chǎn)[10-12]。

本研究通過自制一款DLP 面曝光光固化3D 打印機(jī)，開發(fā)一種DLP 光固化3D 打印制備精密鑄造陶瓷型殼的技術(shù)。

1 DLP 光固化 3D 打印機(jī)

研制的上拉式DLP 面曝光光固化3D 打印機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要包括曝光系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、Z 軸（鉛垂方向）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，機(jī)架使用鋁合金型材及硬質(zhì)PVC 板，外殼選用不透光的鋁塑板[13]。

1.1 DLP 曝光系統(tǒng)

DLP 曝光系統(tǒng)是面曝光打印機(jī)的核心部分，布置在成形系統(tǒng)的下方，它將切片軟件中的截面信息通過鏡頭投射到漿料槽中，從而使?jié){料槽中的漿料按照截面圖形進(jìn)行固化成形。 曝光系統(tǒng)采用H6517ABD 投影儀并經(jīng)適當(dāng)改造， 投影儀主要由光源、色輪、鏡頭、DMD 芯片等部分組成，其投影原理如圖1 所示。

圖1 DLP 投影原理

為了削減紫外光對(duì)人體的危害，在投影儀的光源即高壓汞燈前加了一個(gè)紫外光濾片以濾除強(qiáng)烈的紫外光，但對(duì)于DLP 光固化陶瓷打印而言，恰恰需要紫外光使陶瓷漿料發(fā)生固化，因此這里采用普通石英玻璃來置換原紫外光濾片，使盡可能多的紫外光可以透過，改造后的汞燈光源如圖2 所示。

圖2 改造后的投影儀光源

色輪在將汞燈發(fā)射出的白光處理為彩色光的同時(shí)對(duì)紫外光也存在一定的削弱作用， 如直接拆除，則會(huì)造成投影儀在開機(jī)時(shí)檢測(cè)到投影儀存在故障而無法正常工作，因此對(duì)只能色輪進(jìn)行改造。 利用投影儀的殼體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在投影儀的外殼上加上螺柱并將色輪固定。

常規(guī)的投影儀是為教育、 娛樂領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，投影成像距離均不小于1 m， 如直接將投影儀的鏡頭用于面曝光打印機(jī)當(dāng)中，會(huì)增大設(shè)備體積并削弱光強(qiáng)，故將投影儀鏡頭進(jìn)行圖3 所示的改造，三處白色方框中為改造部分，一方面可以提高投射圖像的清晰度，另一方面可以減小打印機(jī)的體積，增大紫外光的曝光強(qiáng)度。 為了增大紫外線的強(qiáng)度，并減小投影儀投射圖像的誤差，投影儀采用的是直接照射漿料槽的曝光方式，而非平面鏡反射投影儀圖像的曝光方式。

圖3 DLP 投影系統(tǒng)

1.2 成形系統(tǒng)

成形系統(tǒng)由漿料槽、 攪拌裝置和成形底座組成，漿料槽中槽底與成形底座之間的一層光固化陶瓷漿料在曝光系統(tǒng)的光照作用下，曝光部分固化在成形底座上，此后成形底座抬升、陶瓷漿料攪拌、成形底座下降從而重新形成一層光固化陶瓷漿料，再進(jìn)行曝光，如此循環(huán)而由固化層逐層堆積在成形底座上形成打印件。

漿料槽采用高透光亞克力板制成，槽底貼硅膠膜，便于固化層與槽底分離而隨成形底座抬升。 成形底座采用鋁合金材料制作，表面采用磨砂處理以增大對(duì)打印件的吸附力。

1.3 Z 軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

面曝光打印機(jī)在X-Y 水平面上的誤差僅由投影儀投射的切片截面誤差和投影儀安裝誤差來決定[14]，Z 軸僅需控制成形底座的上下移動(dòng)即可。 Z 軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌、滾珠絲桿、步進(jìn)電機(jī)定位手輪和限位傳感器等部分組成，其構(gòu)建原理如圖4 所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建原理圖

1.4 控制系統(tǒng)

采用Arduino Mega 2560 控制板對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。 控制板的主要功能布局示意圖見圖5。

圖5 控制板主要功能示意圖

2 材料與工藝

2.1 DLP 光固化3D 打印陶瓷漿料

選用某進(jìn)口的光固化陶瓷漿料，主要成分為光敏樹脂、陶瓷粉末、光引發(fā)劑、分散劑等，其中光敏樹脂包括丙烯酸二環(huán)戊二烯酯和丙烯酸丁酯，光引發(fā)劑為1，6-己二醇二丙烯酸酯，分散劑為乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，陶瓷粉末采用質(zhì)量比為4∶1 的 Al2O3和 SiO2混合粉末。經(jīng)過對(duì)不同的漿料進(jìn)行試驗(yàn)，選取固含量40%、黏度3247.2 mPa·s 的漿料，固含量和黏度都較適中，這是由于漿料當(dāng)固含量高、黏度大，對(duì)成形底座及打印件的運(yùn)動(dòng)阻力變大，易導(dǎo)致打印過程失?。划?dāng)固含量低、黏度小，打印型殼經(jīng)過脫脂、燒結(jié)后尺寸收縮大，易發(fā)生翹曲變形。

2.2 精密鑄造陶瓷型殼制備工藝

2.2.1 工藝流程

利用DLP 光固化3D 打印機(jī)制備精密鑄造陶瓷型殼的工藝流程主要包括前處理、型殼打印及打印坯后處理（圖6）。

圖6 DLP 光固化3D 打印制備陶瓷型殼工藝流程

2.2.2 前處理

前處理中的模型處理包括型殼建模、 模型輸出、 支撐設(shè)計(jì)和切片等。 對(duì)于上拉式光固化3D 打印，在型殼打印前可先打印一定厚度的基底，并在基底與型殼之間使用支撐進(jìn)行連接， 如圖7 所示?；椎淖饔檬窍尚蔚鬃c漿料槽底不平行而存在的間距不相等，以及打印完成后便于打印件從成形底座上取下；基底與型殼之間的支撐起犧牲層的作用，將該支撐剪斷后，即可取下所需的型殼，同時(shí)型殼外表面也可能需要設(shè)計(jì)支撐以便于材料的打印成形。

圖7 基底、型殼及支撐設(shè)計(jì)示意圖

成形底座處理是先采用無水乙醇擦拭打印件附著的表面， 再在該表面涂上一薄層光固化樹脂，以利于基底與成形底座的結(jié)合。 漿料處理主要是采用球磨等方法對(duì)漿料進(jìn)行攪拌，使陶瓷顆粒得到均勻懸浮。

2.2.3 打印工藝參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)研究， 設(shè)置打印機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。 為保證基底能牢固地吸附在成形底座上，基底打印的曝光時(shí)間須設(shè)置得比型殼打印的曝光時(shí)間長(zhǎng)，以使光聚合反應(yīng)更加充分。

表1 打印工藝參數(shù)

2.2.4 后處理

打印坯的后處理主要包括清洗、二次固化和去支撐，最后對(duì)打印型殼進(jìn)行脫脂與燒結(jié)。 打印坯使用無水乙醇清洗， 然后置于電熱風(fēng)干箱中加熱固化，或置于LED 固化箱中紫外光二次固化，固化后的打印坯去除支撐并修磨表面， 得到打印型殼，然后根據(jù)圖8 所示的升溫曲線對(duì)打印型殼進(jìn)行連續(xù)的脫脂、燒結(jié)，獲得可用于澆注的型殼。

圖8 打印型殼的升溫曲線

3 精密鑄造陶瓷型殼的制備

3.1 型殼建模

以制備圖9a 所示的小型鑄件為例， 其主體結(jié)構(gòu)為階梯形圓柱體，考慮打印型殼脫脂與燒結(jié)后的收縮率，在三維建模軟件中將鑄件模型整體進(jìn)行放量修改，然后進(jìn)行抽殼，設(shè)計(jì)型殼的厚度為1 mm。根據(jù)鑄件的特征， 將澆口設(shè)置在面積較大的大端部，得到型殼的三維模型如圖9b、9c 所示。

圖9 鑄件及型殼的三維模型

為減小打印表面的階梯效應(yīng)、提高型殼的表面質(zhì)量，采取型殼小端在上、澆口在下的豎直放置打印方式，并在小端部分設(shè)置支撐。 試驗(yàn)對(duì)比了三種支撐設(shè)置情況下得到的型殼質(zhì)量，方案一通過軟件自動(dòng)在小端添加基底和柱狀支撐，方案二人工在小端設(shè)置不完整的環(huán)形片狀支撐，方案三在小端設(shè)置封閉的支撐，對(duì)應(yīng)的打印件模型如圖10 所示。

圖10 不同支撐設(shè)置方式下的打印件模型

3.2 型殼打印及后處理

按前述條件進(jìn)行型殼打印，經(jīng)過打印型殼的脫脂與燒結(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 型殼在脫脂與燒結(jié)爐內(nèi)立放時(shí)，型殼燒結(jié)件的質(zhì)量?jī)?yōu)于橫放。 立放時(shí)，支撐方案一型殼的燒結(jié)件無明顯的翹曲、開裂現(xiàn)象，但圓柱表面存在細(xì)小的裂紋，該型殼如用于澆注易發(fā)生破裂；方案二型殼的燒結(jié)件在小端圓柱表面仍會(huì)產(chǎn)生裂紋，難以用于澆注；方案三得到的燒結(jié)件（圖11）裂紋發(fā)生在支撐表面， 型殼實(shí)體部分則未出現(xiàn)裂紋，可以順利澆注。 因此，支撐設(shè)置方案三即在小端設(shè)置封閉支撐的結(jié)果較優(yōu)。

圖11 封閉支撐結(jié)構(gòu)時(shí)的型殼燒結(jié)件

采用較優(yōu)的封閉支撐盡管打印效率會(huì)有所降低、材料消耗有所增大，但該支撐結(jié)構(gòu)除了在打印過程中起支撐作用， 也不會(huì)影響型殼的澆注使用，打印后脫脂、燒結(jié)直至澆注都無需將其去除，還能起到增加型殼強(qiáng)度的作用， 減少燒結(jié)時(shí)型殼的變形、開裂并避免澆注時(shí)熔融金屬造成的型殼破壞。

4 鑄件的澆注

4.1 小型型殼低熔點(diǎn)金屬的澆注

利用上述封閉支撐結(jié)構(gòu)時(shí)得到的燒結(jié)型殼，采用埋砂澆注的方式進(jìn)行低熔點(diǎn)錫基合金的澆注，如圖12 所示。 采用埋砂澆注的方式可以防止在澆注過程中型殼發(fā)生傾斜，并保證型殼具有良好透氣性的同時(shí)增大型殼的強(qiáng)度。 待冷卻后將型殼及其中的澆注件一起從砂中取出，去除型殼，即可得到帶有澆口的錫基合金澆注坯件。

圖12 小型型殼低熔點(diǎn)金屬的澆注

4.2 中型型殼高熔點(diǎn)金屬的澆注

使用熔點(diǎn)為1200 ℃以上的T1 合金對(duì)圖13a所示的中型葉輪模型進(jìn)行澆注。 對(duì)葉輪型殼打印模型進(jìn)行修改放量后，由于高熔點(diǎn)的金屬液的沖擊壓力較大，所以將型殼厚度設(shè)置為2 mm，進(jìn)行抽殼得到型殼打印模型。 由于打印件的整體尺寸較大，因此采取澆口、葉輪型殼分開打印的方式，分別打印后使用熔模鑄造中制備型殼的ZrO2粉末與硅溶膠漿料再將兩者粘合在一起，得到澆注用型殼的整體模型，如圖13b 所示。

圖13 葉輪及其型殼整體的模型

將得到的澆注用陶瓷型殼埋入盛于容器的砂中，并一起放入焙燒爐中預(yù)熱，以防止型殼上下受熱不均而發(fā)生劇烈的熱脹冷縮。 焙燒結(jié)束后，從焙燒爐中連同容器取出， 將熔融的金屬液澆入型殼中，待金屬液完全冷卻后取出陶瓷型殼與鑄件。 震殼去除陶瓷型殼后， 對(duì)鑄件進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴砂處理，得到圖14 所示帶有澆口的葉輪鑄件坯。

圖14 葉輪金屬鑄件坯

5 結(jié)束語

通過研制上拉式DLP 面曝光光固化3D 打印機(jī)，選擇相應(yīng)的打印陶瓷漿料，通過試驗(yàn)研究制定了DLP 光固化3D 打印制備精密鑄造陶瓷型殼的工藝過程，從而獲得可用于澆注的陶瓷型殼，最后分別使用低熔點(diǎn)合金和高熔點(diǎn)合金對(duì)打印的小型和中型陶瓷型殼進(jìn)行了埋砂澆注與型殼去除，得到了金屬鑄件坯。 這種DLP 面曝光光固化3D 打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)直接制備精密鑄造陶瓷型殼，在精密鑄造領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。