精密铸造陶瓷型壳DLP光固化3D打印机的研制*

杨建明 肖志文 王永宽 石国杰 陈劲松

(江苏海洋大学机械工程学院，江苏 连云港 222005)

光固化成形(stereo litho-rapid apparatus, SLA)是最早实用的增材制造(additive manufacturing, AM)技术之一。随着数字式微透镜(digital micromirror device, DMD)的发展，数字光处理技术(digital light processing，DLP)被应用到了AM技术领域[1]。Ventura S等[2]首先开发出DLP面曝光三维打印技术，Mitteramskogler G等[3]利用改进了的DLP打印设备制备了陶瓷件，提出了减少陶瓷裂纹的方法。Guo J等[4]采用DLP 3D打印技术制作了精细晶格结构的二氧化钛陶瓷，张航等[5]利用DLP光固化技术制备了β-TCP多孔生物陶瓷素坯，并对素坯的多项性能进行了测试。美国加州大学[6]、南京航空航天大学[7-8]等在DLP面曝光三维打印方面也取得了一些进展。面曝光成形技术具有打印精度高、速度快、设备成本低等优势，为AM领域带来广阔的发展前景[9]。

DLP面曝光光固化3D打印机按照Z轴移动方向的不同分为上拉式和下沉式。下沉式中刮刀对陶瓷浆料整体的搅拌作用有限，浆料中的陶瓷粉末在竖直方向上分布不均，也容易造成打印件中陶瓷粉末的含量分布不均；打印结束后成形底座和打印件上粘附的浆料多，后处理麻烦，材料浪费大。上拉式可以有效改善浆料的沉淀现象，打印结束后底座和打印件上残留的浆料较少，后处理较为方便，材料浪费少；但光源自下向上透过浆料槽底进行曝光，紫外光有一定的强度损耗，导致固化时间变长，槽底还需要设置使打印件与槽底易分离的透光离型膜。目前的DLP面曝光3D打印机较多采用上拉式，Envision Tec公司研制了上拉式DLP光固化打印机perfactory[6]。

本文以DLP面曝光3D打印制备精密铸造陶瓷型壳为出发点，研制了一种上拉式DLP面曝光3D打印机，介绍了其主要部分的结构设计，包括曝光系统、成形系统、Z轴运动系统、控制系统以及整机结构布局。并利用该设备试验研究了相关的成形参数，确定了合适的参数值，为后续制备陶瓷型壳的研究提供参考。

1 DLP 3D打印机的搭建

综合考虑上拉式和下沉式两种不同打印方式的优缺点，本研究采用了上拉式。根据DLP面曝光三维打印技术的原理，所设计的打印机主要由DLP曝光系统、成形系统、Z轴运动系统和控制系统4部分组成，结构示意图如图1。为了增大紫外光的强度，并且减小投影仪投射图像的误差，现将投影仪放置在成形系统的正下方，采用直接照射浆料槽的曝光方式。

1.1 DLP曝光系统

DLP曝光系统是面曝光打印机的核心部分，它将切片软件中的截面信息通过镜头投射到浆料槽中，使浆料槽中的陶瓷浆料按照截面图形进行固化成形。本DLP曝光系统采用ACER的H6517ABD投影仪经改造而成。

H6517ABD投影仪主要由光源、色轮、镜头、DMD芯片等部分组成，其光源是目前应用较广的高压汞灯，为了削减紫外光对人体的危害，原厂投影仪在高压汞灯前加了一个紫外光滤片以滤除强烈的紫外光，因此需要对该汞灯光源进行改造。如果直接取下紫外光滤片，汞灯发射出的高强度光和散发出的热量会损坏色轮、电路甚至是DMD芯片，因此使用常见的石英玻璃来置换原厂的紫外光滤片。石英玻璃成本低、耐高温、对紫外光的削弱作用较小。

色轮在将汞灯的白光处理为彩色光时对紫外光存在一定的削弱作用，如果直接拆除色轮，会造成投影仪在开机时检测到投影仪存在故障而无法正常工作，因此对色轮只能进行改造。方法是将色轮整体移到投影仪的其他位置，具体可利用投影仪壳体的结构特点，在投影仪的外壳上加上螺柱并将色轮固定。

常规的投影仪成像距离均大于等于1 m，直接用于打印机会增大设备体积并削弱光强，故需要将H6517ABD投影仪镜头进行位置调整。投影仪的镜头使用的是凸透镜设计，满足凸透镜的成像原理，如下式所示：

1/f=1/u+1/L

式中：u为物距，m；f为焦距，m；L为像距，m。

为了降低像距L即镜头到浆料槽间的距离，在物距u满足f～2f的前提下，适当减小焦距f的值[10]。改造前后的投影仪如图2所示，图2b三处方框中为改造部分。

1.2 成形系统

成形系统主要由浆料槽及搅拌装置、成形底座两大部分组成。为了防止打印件随成形底座上升过程中与槽底之间过大的附着力而造成破坏，采用的离型方法是在高透光亚克力浆料槽底部进行贴膜处理。由于硅胶膜成本低、弹性好、透光性好以及与浆料之间的粘附力较小，对光固化树脂具有良好的疏水性，因此选择硅胶膜作为贴膜。

对于成形底座，要求材料耐浆料腐蚀同时质量较小，故选择铝合金制作，并且打印件附着的表面进行磨砂处理以增大对打印件的吸附力。

1.3 Z轴运动系统

面曝光打印机在X-Y水平面上的误差仅由投影仪投射的切片截面误差以及投影仪安装误差决定[11]，Z轴仅需控制成形底座的上下移动即可。设计的打印机的Z轴运动系统主要由步进电机、导轨、滚珠丝杆、步进电机定位手轮、联轴器和限位传感器等部分组成。选用57步进电机，型号为57HS5630B4D8，其额定电流为3.0 A，扭矩为1.2 N·m、步距角为1.8°，采用两相四线的接线方式。步进电机控制器采用64细分方式，配套使用1064滚珠丝杆。

1.4 控制系统

控制系统采用的是Arduino Mega 2560控制板，对步进电机的驱动器进行控制。控制板的微处理器是AVR单片机的ATmega 2560，其拥有54路(D0～D53)数字输入/输出IO口，其中的16路可以支持PWM输出，6路外部中断等特点。Arduino Mega 2560控制板和PCB扩展板如图3所示。

该设备实物照片如图4所示。

2 成形参数的研究

在上述DLP面曝光光固化3D打印机上，采用某进口光固化陶瓷浆料进行3D打印试验，以确定相关成形参数的合理值，包括Z轴移动速度、曝光时间、层厚和最小成形尺寸。

2.1 Z轴移动速度

成形底座的Z轴移动速度可分为抬升速度和下降速度。曝光结束后，Z轴抬升速度过高，可能会导致在离型时打印件脱落；Z轴抬升速度过低，会大大增加总的打印时间，因此要设置适当的Z轴抬升速度。通过多次的打印试验，发现当抬升速度高于300 mm/min时，打印件易脱落；当Z轴的抬升速度低于150 mm/min时，总的打印时间过长。对于Z轴下降速度，过低会大大增加总的打印时间，过高则运动平稳性差及对浆料造成大的冲击。因此Z轴的移动速度宜设置在150～300 mm/min。

2.2 曝光时间

紫外光照射到光固化陶瓷浆料时，浆料中悬浮的陶瓷颗粒对光线存在散射现象，导致浆料在固化时对紫外光的吸收不遵循Beer-Lambert定律[12]。因此为了确定光固化陶瓷浆料发生固化所需的曝光时间，试验时对浆料进行单层曝光，测试曝光时间对浆料无约束自由液面状态下固化情况的影响。

利用三维建模软件建立直径为80 mm的圆形区域，以STL格式导入切片软件中，设置不同的曝光时间后进行单层曝光试验。曝光结束后观察固化层的固化状态，不同曝光时间下的固化状态如图5所示。

分析不同曝光时间下的固化状态可以看出，当曝光时间低于20 s时，光固化陶瓷浆料不能固化成形；曝光时间为26 s时虽然能成形，但固化层强度不足，清理周围浆料时由于浆料的流动，固化层四周会发生卷曲现象；当曝光时间大于30 s时，固化层成形状态良好，但是此时随着曝光时间的增长，除投影仪投射的图像部分发生固化外，图像四周的浆料也发生了一定程度的固化，使图像对应的固化层周围出现毛边，从而会影响成形件的精度。因此确定合适的每层曝光时间为30～35 s。

为了增加打印件与成形底座之间的吸附力，打印开始时打印基底的每层曝光时间要大于正常的每层曝光时间，该时间称为初始曝光时间。根据试验，初始曝光时间取45 s较合适。

2.3 层厚

将2.2节试验中成形明显的单层固化层取出，使用千分尺对其厚度进行测量，结果如表1所示。由表1可知，在合适的每层曝光时间下，固化层厚度都大于0.2 mm，且随着曝光时间的延长，单层固化层的厚度呈增加的趋势。

表1 不同曝光时间下固化层的厚度

实际打印设置层厚时，为了保证新固化的一层能够与上一固化层结合牢固，设置的“层厚”应明显小于“每层曝光时间”对应的固化层厚度[13]。设置层厚过大时，层间结合不牢固，且阶梯效应明显；但设置层厚过小，软件切片处理耗时过多，计算机内存消耗大，对步进电机、滚珠丝杆等机械结构的精度要求也相应提高，同时打印效率大大降低。综合考虑这些因素，层厚设置为0.1 mm较合适。

2.4 最小成形尺寸

对于精密铸造用的陶瓷型壳，型壳壁厚过小，在脱脂烧结的过程中会因收缩而破裂，浇铸时也可能会无法承受熔融金属的压力而破裂；型壳壁厚过大，则会浪费光固化陶瓷浆料。因此，在强度达到可浇铸的前提下，采用该3D打印方法制备的陶瓷型壳厚度一般不应超过3 mm[14]。

为了确定该设备可成形的最小尺寸，在20 mm×20 mm的方形底板上设计如图6a所示直径递减的一系列圆柱体(直径1～4 mm的每隔0.5 mm，直径1 mm以下的每隔0.1 mm)，并对该结构进行打印试验，结果如图6b所示。

由成形结果可以看到，直径不小于0.9 mm的圆柱体可以直接打印成形；直径0.9 mm以下的圆柱体，在成形底座上拉的过程中因受到浆料的粘滞阻力而被拉断，无法得到完整的形状。由此可知，本设备采用上述成形参数可打印成形的最小尺寸为0.9 mm。该最小尺寸可以满足精密铸造陶瓷型壳的制备要求。

对已成形的圆柱件进行测量，得到的实际尺寸如表2所示。将测量值与模型的设计值进行比较，可知该尺寸范围内的圆柱体存在约0.1～0.2 mm的正向误差。该误差与陶瓷颗粒使光线存在散射、曝光时间长而发生过固化等现象有关，引起投影图像周围一定范围内的浆料也发生了固化。

表2 不同圆柱体的直径尺寸及成形误差

3 结语

研制了一台上拉式面曝光3D打印机，用于3D打印制备精密铸造陶瓷型壳。该设备主要包括DLP曝光系统、Z轴运动系统、控制系统和成形系统。对搭建好的设备进行了Z轴移动速度、曝光时间、层厚和最小打印尺寸等成形参数的试验研究，确定合适的Z轴移动速度为150～300 mm/min，每层曝光时间为30～35 s，层厚为0.1 mm，最小打印尺寸为0.9 mm。

所研制的设备还需要人工实现陶瓷浆料的添加与搅拌，搅拌不均匀、搅拌间隔时间较长等因素都会影响打印效果。因此后续研究可以对其增加自动加料、自动搅拌和浆料恒温加热等功能。