基于熔模鑄造的DLP 光固化增材制造裝備的研制*

顏 宇 蘭 希 馬 騫 王馨穎 王中杰 丁云飛

（①江蘇海洋大學機械工程學院，江蘇 連云港 222005；②江蘇省連云港工貿(mào)高等職業(yè)技術學校，江蘇 連云港 222061；③中國機械工程學會，北京 100048）

熔模鑄造技術作為成熟的近凈成型技術，以鑄件尺寸精度高、結(jié)構復雜等優(yōu)點被廣泛應用于航空航天、汽車電子等領域。通過將熔化的蠟注入蠟模工具中以形成所需的形狀，再將蠟模浸入陶瓷等耐火漿料中干燥，加熱并取出蠟模，從而得到目標陶瓷型殼，也被稱為失蠟鑄造[1-2]。盡管該技術對于多自由度設計及薄壁零件的制備具有諸多優(yōu)勢，但加工過程中仍存在模具成本高、交貨周期長、蠟模的制備造成勞動力浪費和環(huán)境污染等問題[3-4]。

基于數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）的陶瓷光固化成型技術，也稱為光固化面曝光成型技術[5]。通過控制光源對光敏陶瓷漿料逐層固化從而形成目標型殼，無需額外的模具，具備生產(chǎn)周期短，成型精度高等優(yōu)點[6-7]。將DLP 光固化技術與熔模鑄造工藝結(jié)合，可有效縮短熔模鑄造技術生產(chǎn)周期并降低成本，增強高性能產(chǎn)品的快速開發(fā)和響應市場的能力。

本文基于熔模鑄造工藝，結(jié)合DLP 光固化成型技術，研制了一種可用于陶瓷漿料光固化打印設備，以實現(xiàn)光固化成型工藝參數(shù)為出發(fā)點對打印機的結(jié)構進行合理設計，并檢驗研制設備的可行性，確定設備的最佳工藝參數(shù)。

1 DLP 打印機結(jié)構設計

DLP 光固化打印機的主要成型參數(shù)為曝光時間、曝光層厚及曝光強度。基于影響到光固化參數(shù)硬件設計，本文對成型方式、成型平臺、DLP 光源、移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等軟硬件進行了合理的選型與布置。

1.1 DLP 光固化成型方式

如圖1 和圖2 所示，DLP 光固化成型包括上拉式和下沉式兩種成型方式，成型方式的選擇是研制DLP 光固化打印機的第一步，為打印機的框架設計和零件布置提供出發(fā)點。

圖1 下沉式DLP 成型技術

圖2 上拉式DLP 成型技術

下沉式過程中，從第一個固化層固化到固化結(jié)束，打印件和成型平臺的位置始終浸沒在陶瓷漿料下，在漿料流動過程中，采用刮刀對陶瓷漿料進行攪拌，攪拌作用不明顯，隨著固化過程的進行，不可避免會出現(xiàn)陶瓷顆粒沉淀到成型臺面和漿料槽底部的現(xiàn)象，從而導致陶瓷漿料中固體顆粒含量在沿著打印方向上的分布不均勻，可能出現(xiàn)成型件的初始部分固含量較高的情況，導致脫脂過程中收縮不均，甚至打印坯體無法成型。此外，從圖1 原理圖中可以看出，采用下沉式面曝光固化成型，需要在漿料槽中添加大量的陶瓷漿料來浸沒成型臺，容易造成材料的損耗，在曝光結(jié)束后，漿料槽底部和成型臺面會殘留部分陶瓷漿料，對于設備的清洗造成麻煩。

如圖2 所示，在上拉式成型中，光源自下而上曝光使得曝光層始終處于漿料槽最底部，采用刮刀水平移動進行攪拌即可有效減少或避免漿料中陶瓷顆粒的沉淀現(xiàn)象。同時，在固化過程中，采用上拉式技術只需保證陶瓷漿料完全浸沒已固化層，就可以實現(xiàn)重復打印，有效降低漿料的損耗。此外，打印結(jié)束后打印件完全離開漿料，成型底座與打印件上粘有的漿料較少，后續(xù)對于打印件的剝離以及工作臺面的清洗較為方便。

綜合比較下沉式與上拉式DLP 成型方式，為了減輕漿料中陶瓷顆粒的沉淀問題，降低材料損耗，縮小成型設備的尺寸設計，本文采用上拉式DLP 成型方式設計打印機，光固化設備結(jié)構圖如圖3 所示。

圖3 光固化設備結(jié)構圖

1.2 光源與成型平臺

曝光系統(tǒng)是DLP 光固化設備的核心部件，切片軟件中的截面信息通過曝光系統(tǒng)透射到漿料槽底部，再通過控制曝光光源強度和時間使得漿料槽中的漿料按照截面圖形進行固化成型。本文選用的ACER 的H6517ABD DLP 投影儀作為曝光光源。

投影儀的鏡頭采用凸透鏡設計，因此滿足凸透鏡的成像原理，如式（1）所示。

式中：u為物距，m；f為焦距，m；L為像距，m。

為了讓凸透鏡呈現(xiàn)出倒立放大的清晰圖像，要求物距u的距離為1～2 倍的焦距。為了合理布局，根據(jù)投影儀位置，通過適當減小焦距f的距離從而減小鏡頭到投影面之間像距L的距離，滿足成像需求。

成型平臺如圖4 所示，包括成型底座、漿料槽和透射膜。光固化打印時成型的型殼會粘貼在成型底座上，漿料儲存在漿料槽中。從圖2 的上拉式打印原理中可以看出，當單層打印結(jié)束時，成型底座與漿料槽底部分離，吸附在成型底座上的固化層與底面存在拉力，為了減小分離力對打印零件的影響，需要對成型底座和透射膜合理設計。

圖4 成型平臺

在工作過程中，成型底座一般浸沒在陶瓷漿料中，為了降低液體漿料對成型漿料的腐蝕作用，同時減輕設備重量，本文使用鋁合金材料制備出尺寸為130 mm×130 mm×70 mm 的方形成型底座，為增強成型平臺與固化層之間的吸附力，對成型平臺表面采用磨砂處理的方式進行表面處理。設備啟動運行時，使用酒精擦拭成型臺表面，并涂上薄薄一層吸附性樹脂以進一步增加固化層與平臺之間的吸附力，從而保證光固化材料粘在成型平臺上。

由于光源自下向上進行曝光，光固化光源要透過漿料槽的透射膜對漿料進行曝光，需要防止出現(xiàn)分離力較大從而導致打印件無法固化在成型底座，或新的固化層無法固化在已固化層上從而導致打印失敗，較長時間的曝光會損壞透射膜，可能造成漿料槽透射膜失效。

如圖5 所示，選用常用的光固化（stereo lithography apparatus，SLA）透射膜，打印直徑80 mm的單層圓，曝光時間分別為12 s，20 s，30 s。曝光時間為12 s 時，單層出現(xiàn)固化行為，但是無法成型；曝光時間為20 s 時，打印可以成型，但由于分離力的原因，成型底座與透射膜分離時無法保持形狀完整；曝光時間為30 s 時，單層曝光才成型，但成型邊緣仍有分離力造成的變形情況。

圖5 SLA 膜80 mm 直徑單層圓打印效果

本文采用貼膜處理的方式，選用硅膠膜作為貼膜材料，將硅膠膜貼在尺寸為220 mm×220 mm×50 mm 的高透光亞克力板上，硅膠膜不僅成本低、彈性和透光性良好，對光固化材料還具有良好的疏水性的特點，因此與陶瓷黏稠漿料之間的引力較小，可以實現(xiàn)打印件較好的分離。

如圖6 所示，在更改了透射膜之后，采用相同曝光參數(shù)打印直徑80 mm 的單層圓。曝光時間為12 s 時，打印單層固化整體形狀保持較好，但形狀邊緣出現(xiàn)輕微破裂的現(xiàn)象；曝光時間為20 s 時，邊緣已經(jīng)沒有破裂的現(xiàn)象，打印效果較好，已基本滿足打印條件；曝光時間為30 s 時，從成型底座上取出也沒有出現(xiàn)彎曲變形的現(xiàn)象。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用自制的硅膠膜打印，可以有效縮短曝光時間，縮短打印周期，并具備良好的打印效果。

圖6 硅膠膜80 mm 直徑單層圓打印效果

1.3 移動與控制系統(tǒng)

上拉式DLP 打印機的成型底座需要進行豎直（Z軸）方向上的位置調(diào)整，并需要保證位移精度和曝光時間。

本文Z軸傳動系統(tǒng)可以實現(xiàn)0.05 mm 的Z軸精度，主要部件包括電機和滾珠絲杠，通過滾珠絲杠連接成型平臺。選用型號為57HS5630B4D8 的57步進電機，其額定電流為3.0 A，扭矩為1.2 N·m、步距角為1.8°，采用兩相四線的接線方式，步進電機控制器采用64 細分方式，配合使用1 064 滾珠絲桿，Z軸傳動系統(tǒng)結(jié)構如圖7 所示。

圖7 Z 軸移動系統(tǒng)結(jié)構

如圖8 和圖9 所示，本研究選用Creation Workshop軟件對材料三維模型進行切片處理和電機移動設置，可以合理地實現(xiàn)DLP 光固化成型形狀、成型時間、打印位置設置、支撐設置和Z軸移動的設置。

圖8 切片處理

圖9 電機移動設置

在確定上拉式成型方式后，本文對DLP 光固化打印機的光源與成型平臺、移動與控制系統(tǒng)等部件分別設計與布置，DLP 打印機實物如圖10 所示。

2 打印機工藝參數(shù)

通過參考DLP 光固化打印機主要成型參數(shù)合理研制出打印機后，本文對具體參數(shù)進行合理驗證，檢測打印機的實用性。

2.1 曝光時間

光固化陶瓷在吸收光能發(fā)生聚合反應時，一般遵循曝光能量公式[8]：

式中：E為光固化陶瓷漿料吸收的能量，J；I為光強，cd；t為曝光時間，s。

和光固化樹脂不同，陶瓷漿料中存在大量懸浮的細小顆粒，光源照射時，懸浮的陶瓷顆粒對光線存在折射現(xiàn)象，漿料槽的分離膜對光源的透射也存在一定的削弱作用，因此光固化陶瓷漿料在實際固化過程中對紫外光的吸收并不完全遵循該定律。

為了確定單層曝光的合適時間，圖11 所示為本實驗設備在不同曝光時間下的單層曝光效果，打印直徑80 mm 的單層圓。當曝光時間為8～16 s時，漿料可以固化，但打印整體存在破裂的情況，無法滿足成型條件；當曝光時間為18～24 s 時，打印層整體形狀較好，但邊緣處有較多毛刺，誤差較大；當曝光時間為26～30 s 時，打印層固化效果較好，滿足面曝光快速成型的條件；當曝光時間為40 s時，打印層出現(xiàn)過固化的情況，過固化會降低打印件的打印精度。因此，本文中單層曝光時間選擇為28～35 s，其中為了保證初始層可以有效粘在成型底座上，一般設置初始3～5 層曝光過固化。

圖11 單層曝光實驗

2.2 曝光層厚

曝光層厚，即打印平臺工作平面抬升一層的高度是控制DLP 光固化打印精度的重要工藝參數(shù)[9]，層厚的選擇也影響著打印效率[10]。為了精確控制本實驗打印時間的選擇，分別采用0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm、0.3 mm 的曝光層厚打印直徑10 mm、高5 mm 的圓柱，測量不同曝光層厚下的打印精度。打印參數(shù)見表1。

表1 曝光參數(shù)

如圖12 所示，當曝光層厚為0.1 mm 時，4 個打印件成型穩(wěn)定，高度差距較小，沒有明顯的缺陷；當曝光層厚為0.15 mm 時，4 個打印件高度接近，打印效果較好，沒有明顯的打印缺陷；當曝光層厚為0.2 mm 時，4 個打印件的高度開始出現(xiàn)變化，其中，整體打印效果良好，部分打印件在沿著打印方向上的打印層之間存在明顯的孔洞；當曝光層厚為0.3 mm 時，打印缺陷明顯，打印高度達不到設定的5 mm 高度，無法作為實際曝光參數(shù)。

圖12 0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm、0.3 mm 曝光層厚效果

對圖12 中相同打印參數(shù)，不同曝光層厚下的打印件尺寸進行測量，可以得到不同曝光時間對打印件不同方向上的成型精度的影響，見表2。

表2 Z 軸方向尺寸 mm

隨著曝光層厚的增加，在Z軸方向上的尺寸呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，不同曝光層厚下的尺寸精度標準差呈明顯的遞增趨勢，其中，當曝光層厚為0.1 mm 時，標準差最低為0.04，表明此時打印尺寸精度離散最低，Z軸方向上打印高度穩(wěn)定；曝光層厚為0.15 mm 和0.2 mm 時，標準差接近，兩者打印件尺寸的變化幅度較小，打印相對穩(wěn)定；當曝光層厚為0.3 mm 時，標準差相對較高，打印尺寸變化明顯，打印件精度穩(wěn)定性顯著降低。

水平方向上的尺寸變化，從表3 中可以看出，當曝光層厚為0.15 mm 時，水平方向上的平均尺寸最低為10.11 mm；曝光層厚為0.3 mm 時，平均尺寸最高為10.71 mm。不難看出，在水平方向上的尺寸變化和Z軸方向上的變化幅度相比，曝光層厚的改變對于水平方向上的尺寸變化影響不大。

表3 水平方向尺寸 mm

已知光固化樹脂吸收紫外光發(fā)生固化反應遵循Beer-Lambert[11]定律，如式（3）所示。

式中：Cd為光固化樹脂的固化深度，mm；Dp為紫外光穿透過光固化樹脂的距離，mm；E為紫外光照射到光固化樹脂表面的曝光能量，J；Ec為光固化樹脂發(fā)生聚合反應時的臨界曝光能量，J。

由公式（3）給出的Beer-Lambert 定律可知，固化深度即曝光層厚與折射光透過的距離有關，當曝光強度相同，設定的曝光層厚改變時，紫外光穿透的漿料距離發(fā)生改變，影響Z軸方向上的尺寸精度。由表2 可以看出，隨著曝光層厚的增加，Z軸方向上的尺寸誤差值逐漸增大，曝光層厚為0.1 mm時，相對誤差最小，尺寸精度最高。聶文忠等研究了光固化工藝不同層厚和成型方向?qū)Ρ砻娲植诙鹊挠绊懀Y(jié)果表明，分層厚度為0.05～0.1 mm，隨著層厚的增加，零件整體表面質(zhì)量不斷提高，因此，本實驗選用0.1 mm 為曝光層厚[12]。

2.3 打印截面

在光固化打印前，需要對打印模型進行切片前處理，對于一些薄壁類或結(jié)構復雜的高精度零件，由于模型部分位置存在一些懸空的部件以及大截面，切片模型的打印位置不能隨意擺放，否則會由于漿料中液體介質(zhì)浮力或打印件自身重力等外力因素，造成塌陷變形，致使打印失敗。

DLP 光固化的打印效率取決于打印高度，截面大小會影響打印精度和表面質(zhì)量，通常對大截面部件切片處理時，需要調(diào)整模型位置或添加支撐，為了驗證添加支撐對大平面打印的精度影響，如圖13和圖14 所示，設計了底面積為5 mm×5 mm、高為45 mm 的長方體，進行兩個擺放方向上的對比打印，以5 mm×5 mm 為底面、高45 mm 打印方向為軸向截面打印件，以5 mm×45 mm 為底面、高5 mm打印方向為橫向截面。圖13 中采用5 mm×45 mm的大截面（橫向）為打印面，并添加支撐，圖14采用5 mm×5 mm 小截面（軸向）作為打印面，無支撐，可以明顯看出最終打印效果對比。對比圖13與圖14 可以看出，采用大截面打印，同一平面的支撐存在不連續(xù)的情況，打印出現(xiàn)破損，打印精度降低；采用小截面打印時，打印精度高，表面質(zhì)量好。

圖13 橫向截面打印件

圖14 軸向截面打印件

3 結(jié)語

本文基于熔模鑄造工藝研制出了一臺DLP 光固化打印機設備，根據(jù)光固化成型方式的優(yōu)劣，選用光源放置于底部的上拉式DLP 光固化技術，基于光固化打印基本參數(shù)，針對打印機設備光源與成型平臺、移動與控制系統(tǒng)等部件合理設計并布置，并驗證設備可行性，主要研究內(nèi)容如下。

（1）光源和成型平臺：選用的光學DLP 投影儀作為曝光光源，采用硅膠膜作為投射膜，成型平臺尺寸為130 mm×130 mm×70 mm。

（2）移動和控制系統(tǒng)：用步進電機控制Z軸移動，配合滾珠絲杠帶動成型平臺移動，精度可達0.0 5mm，采用Creation Worksho-p 軟件設定設備工作參數(shù)。

（3）設備工藝參數(shù)：確定了設備最佳單層曝光時間為30～35 s，最佳打印曝光層厚為0.1 mm，確定打印擺放方式為沿小截面方向打印可以獲得更好的打印精度。