DLP 光固化打印精密铸造陶瓷型壳工艺研究

杨建明，肖志文，王永宽，丁云飞

（ 江苏海洋大学机械工程学院，江苏连云港 222005 ）

随着3D 打印技术的发展，将3D 打印应用于精密铸造领域已成为精密铸造发展的新方向[1]。 目前的研究报道主要以3D 打印的模型来替代传统熔模铸造中的蜡模[2-4]，或先3D 打印得到树脂原型，再在原型中灌注陶瓷浆料得到精密铸造陶瓷型壳[5]。 但如果能直接3D 打印精密铸造的陶瓷型壳， 则对传统铸造企业减少工序、缩短周期、降低成本及实现节能环保等都具有很好的促进作用。Corcione 等[6]采用立体光固化成形法制备了铸造铝铸件的陶瓷型壳；Bae 等[7]则采用立体光固化成形法进行陶瓷光固化3D 打印制备自带型芯的整体式精密铸造型壳；吴政宽[8]提出了采用光固化3D 打印制备陶瓷壳模，代替了熔模铸造中通过复杂工艺制作的壳模；Wang等[9]采用数字光处理（DLP）法3D 打印制备了氧化锆陶瓷铸型并浇注获得了铝铸件。

熔模铸造和陶瓷型铸造都是以使用陶瓷型壳进行浇注的精密铸造方法，其中熔模铸造采用蜡模等可熔模型重复进行浸浆、撒砂、结壳等操作，再将模型熔化脱除从而获得由多层耐火材料组成的型壳，其工艺过程复杂、生产周期长；陶瓷型铸造一般是先制作砂套然后灌注陶瓷浆料，经过结胶等工艺制成具有陶瓷面层的铸型，其难以实现机械化和自动化，不适合于批量大的铸件生产[10-12]。

本研究通过自制一款DLP 面曝光光固化3D 打印机，开发一种DLP 光固化3D 打印制备精密铸造陶瓷型壳的技术。

1 DLP 光固化 3D 打印机

研制的上拉式DLP 面曝光光固化3D 打印机，其结构主要包括曝光系统、成形系统、Z 轴（铅垂方向）运动系统及控制系统，机架使用铝合金型材及硬质PVC 板，外壳选用不透光的铝塑板[13]。

1.1 DLP 曝光系统

DLP 曝光系统是面曝光打印机的核心部分，布置在成形系统的下方，它将切片软件中的截面信息通过镜头投射到浆料槽中，从而使浆料槽中的浆料按照截面图形进行固化成形。 曝光系统采用H6517ABD 投影仪并经适当改造， 投影仪主要由光源、色轮、镜头、DMD 芯片等部分组成，其投影原理如图1 所示。

图1 DLP 投影原理

为了削减紫外光对人体的危害，在投影仪的光源即高压汞灯前加了一个紫外光滤片以滤除强烈的紫外光，但对于DLP 光固化陶瓷打印而言，恰恰需要紫外光使陶瓷浆料发生固化，因此这里采用普通石英玻璃来置换原紫外光滤片，使尽可能多的紫外光可以透过，改造后的汞灯光源如图2 所示。

图2 改造后的投影仪光源

色轮在将汞灯发射出的白光处理为彩色光的同时对紫外光也存在一定的削弱作用， 如直接拆除，则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，因此对只能色轮进行改造。 利用投影仪的壳体设计的特点，在投影仪的外壳上加上螺柱并将色轮固定。

常规的投影仪是为教育、 娱乐领域而设计，投影成像距离均不小于1 m， 如直接将投影仪的镜头用于面曝光打印机当中，会增大设备体积并削弱光强，故将投影仪镜头进行图3 所示的改造，三处白色方框中为改造部分，一方面可以提高投射图像的清晰度，另一方面可以减小打印机的体积，增大紫外光的曝光强度。 为了增大紫外线的强度，并减小投影仪投射图像的误差，投影仪采用的是直接照射浆料槽的曝光方式，而非平面镜反射投影仪图像的曝光方式。

图3 DLP 投影系统

1.2 成形系统

成形系统由浆料槽、 搅拌装置和成形底座组成，浆料槽中槽底与成形底座之间的一层光固化陶瓷浆料在曝光系统的光照作用下，曝光部分固化在成形底座上，此后成形底座抬升、陶瓷浆料搅拌、成形底座下降从而重新形成一层光固化陶瓷浆料，再进行曝光，如此循环而由固化层逐层堆积在成形底座上形成打印件。

浆料槽采用高透光亚克力板制成，槽底贴硅胶膜，便于固化层与槽底分离而随成形底座抬升。 成形底座采用铝合金材料制作，表面采用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和投影仪安装误差来决定[14]，Z 轴仅需控制成形底座的上下移动即可。 Z 轴运动系统主要由步进电机、导轨、滚珠丝杆、步进电机定位手轮和限位传感器等部分组成，其构建原理如图4 所示。

图4 运动系统构建原理图

1.4 控制系统

采用Arduino Mega 2560 控制板对步进电机的驱动器进行控制。 控制板的主要功能布局示意图见图5。

图5 控制板主要功能示意图

2 材料与工艺

2.1 DLP 光固化3D 打印陶瓷浆料

选用某进口的光固化陶瓷浆料，主要成分为光敏树脂、陶瓷粉末、光引发剂、分散剂等，其中光敏树脂包括丙烯酸二环戊二烯酯和丙烯酸丁酯，光引发剂为1，6-己二醇二丙烯酸酯，分散剂为乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，陶瓷粉末采用质量比为4∶1 的 Al2O3和 SiO2混合粉末。经过对不同的浆料进行试验，选取固含量40%、黏度3247.2 mPa·s 的浆料，固含量和黏度都较适中，这是由于浆料当固含量高、黏度大，对成形底座及打印件的运动阻力变大，易导致打印过程失败；当固含量低、黏度小，打印型壳经过脱脂、烧结后尺寸收缩大，易发生翘曲变形。

2.2 精密铸造陶瓷型壳制备工艺

2.2.1 工艺流程

利用DLP 光固化3D 打印机制备精密铸造陶瓷型壳的工艺流程主要包括前处理、型壳打印及打印坯后处理（图6）。

图6 DLP 光固化3D 打印制备陶瓷型壳工艺流程

2.2.2 前处理

前处理中的模型处理包括型壳建模、 模型输出、 支撑设计和切片等。 对于上拉式光固化3D 打印，在型壳打印前可先打印一定厚度的基底，并在基底与型壳之间使用支撑进行连接， 如图7 所示。基底的作用是消除成形底座与浆料槽底不平行而存在的间距不相等，以及打印完成后便于打印件从成形底座上取下；基底与型壳之间的支撑起牺牲层的作用，将该支撑剪断后，即可取下所需的型壳，同时型壳外表面也可能需要设计支撑以便于材料的打印成形。

图7 基底、型壳及支撑设计示意图

成形底座处理是先采用无水乙醇擦拭打印件附着的表面， 再在该表面涂上一薄层光固化树脂，以利于基底与成形底座的结合。 浆料处理主要是采用球磨等方法对浆料进行搅拌，使陶瓷颗粒得到均匀悬浮。

2.2.3 打印工艺参数

根据试验研究， 设置打印机的相关参数如表1所示。 为保证基底能牢固地吸附在成形底座上，基底打印的曝光时间须设置得比型壳打印的曝光时间长，以使光聚合反应更加充分。

表1 打印工艺参数

2.2.4 后处理

打印坯的后处理主要包括清洗、二次固化和去支撑，最后对打印型壳进行脱脂与烧结。 打印坯使用无水乙醇清洗， 然后置于电热风干箱中加热固化，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撑并修磨表面， 得到打印型壳，然后根据图8 所示的升温曲线对打印型壳进行连续的脱脂、烧结，获得可用于浇注的型壳。

图8 打印型壳的升温曲线

3 精密铸造陶瓷型壳的制备

3.1 型壳建模

以制备图9a 所示的小型铸件为例， 其主体结构为阶梯形圆柱体，考虑打印型壳脱脂与烧结后的收缩率，在三维建模软件中将铸件模型整体进行放量修改，然后进行抽壳，设计型壳的厚度为1 mm。根据铸件的特征， 将浇口设置在面积较大的大端部，得到型壳的三维模型如图9b、9c 所示。

图9 铸件及型壳的三维模型

为减小打印表面的阶梯效应、提高型壳的表面质量，采取型壳小端在上、浇口在下的竖直放置打印方式，并在小端部分设置支撑。 试验对比了三种支撑设置情况下得到的型壳质量，方案一通过软件自动在小端添加基底和柱状支撑，方案二人工在小端设置不完整的环形片状支撑，方案三在小端设置封闭的支撑，对应的打印件模型如图10 所示。

图10 不同支撑设置方式下的打印件模型

3.2 型壳打印及后处理

按前述条件进行型壳打印，经过打印型壳的脱脂与烧结试验发现， 型壳在脱脂与烧结炉内立放时，型壳烧结件的质量优于横放。 立放时，支撑方案一型壳的烧结件无明显的翘曲、开裂现象，但圆柱表面存在细小的裂纹，该型壳如用于浇注易发生破裂；方案二型壳的烧结件在小端圆柱表面仍会产生裂纹，难以用于浇注；方案三得到的烧结件（图11）裂纹发生在支撑表面， 型壳实体部分则未出现裂纹，可以顺利浇注。 因此，支撑设置方案三即在小端设置封闭支撑的结果较优。

图11 封闭支撑结构时的型壳烧结件

采用较优的封闭支撑尽管打印效率会有所降低、材料消耗有所增大，但该支撑结构除了在打印过程中起支撑作用， 也不会影响型壳的浇注使用，打印后脱脂、烧结直至浇注都无需将其去除，还能起到增加型壳强度的作用， 减少烧结时型壳的变形、开裂并避免浇注时熔融金属造成的型壳破坏。

4 铸件的浇注

4.1 小型型壳低熔点金属的浇注

利用上述封闭支撑结构时得到的烧结型壳，采用埋砂浇注的方式进行低熔点锡基合金的浇注，如图12 所示。 采用埋砂浇注的方式可以防止在浇注过程中型壳发生倾斜，并保证型壳具有良好透气性的同时增大型壳的强度。 待冷却后将型壳及其中的浇注件一起从砂中取出，去除型壳，即可得到带有浇口的锡基合金浇注坯件。

图12 小型型壳低熔点金属的浇注

4.2 中型型壳高熔点金属的浇注

使用熔点为1200 ℃以上的T1 合金对图13a所示的中型叶轮模型进行浇注。 对叶轮型壳打印模型进行修改放量后，由于高熔点的金属液的冲击压力较大，所以将型壳厚度设置为2 mm，进行抽壳得到型壳打印模型。 由于打印件的整体尺寸较大，因此采取浇口、叶轮型壳分开打印的方式，分别打印后使用熔模铸造中制备型壳的ZrO2粉末与硅溶胶浆料再将两者粘合在一起，得到浇注用型壳的整体模型，如图13b 所示。

图13 叶轮及其型壳整体的模型

将得到的浇注用陶瓷型壳埋入盛于容器的砂中，并一起放入焙烧炉中预热，以防止型壳上下受热不均而发生剧烈的热胀冷缩。 焙烧结束后，从焙烧炉中连同容器取出， 将熔融的金属液浇入型壳中，待金属液完全冷却后取出陶瓷型壳与铸件。 震壳去除陶瓷型壳后， 对铸件进行简单的喷砂处理，得到图14 所示带有浇口的叶轮铸件坯。

图14 叶轮金属铸件坯

5 结束语

通过研制上拉式DLP 面曝光光固化3D 打印机，选择相应的打印陶瓷浆料，通过试验研究制定了DLP 光固化3D 打印制备精密铸造陶瓷型壳的工艺过程，从而获得可用于浇注的陶瓷型壳，最后分别使用低熔点合金和高熔点合金对打印的小型和中型陶瓷型壳进行了埋砂浇注与型壳去除，得到了金属铸件坯。 这种DLP 面曝光光固化3D 打印技术可实现直接制备精密铸造陶瓷型壳，在精密铸造领域具有很好的应用前景。