精密鑄造陶瓷型殼DLP光固化3D打印機的研制*

楊建明 肖志文 王永寬 石國杰 陳勁松

(江蘇海洋大學機械工程學院，江蘇 連云港 222005)

光固化成形(stereo litho-rapid apparatus, SLA)是最早實用的增材制造(additive manufacturing, AM)技術之一。隨著數字式微透鏡(digital micromirror device, DMD)的發展，數字光處理技術(digital light processing，DLP)被應用到了AM技術領域[1]。Ventura S等[2]首先開發出DLP面曝光三維打印技術，Mitteramskogler G等[3]利用改進了的DLP打印設備制備了陶瓷件，提出了減少陶瓷裂紋的方法。Guo J等[4]采用DLP 3D打印技術制作了精細晶格結構的二氧化鈦陶瓷，張航等[5]利用DLP光固化技術制備了β-TCP多孔生物陶瓷素坯，并對素坯的多項性能進行了測試。美國加州大學[6]、南京航空航天大學[7-8]等在DLP面曝光三維打印方面也取得了一些進展。面曝光成形技術具有打印精度高、速度快、設備成本低等優勢，為AM領域帶來廣闊的發展前景[9]。

DLP面曝光光固化3D打印機按照Z軸移動方向的不同分為上拉式和下沉式。下沉式中刮刀對陶瓷漿料整體的攪拌作用有限，漿料中的陶瓷粉末在豎直方向上分布不均，也容易造成打印件中陶瓷粉末的含量分布不均；打印結束后成形底座和打印件上粘附的漿料多，后處理麻煩，材料浪費大。上拉式可以有效改善漿料的沉淀現象，打印結束后底座和打印件上殘留的漿料較少，后處理較為方便，材料浪費少；但光源自下向上透過漿料槽底進行曝光，紫外光有一定的強度損耗，導致固化時間變長，槽底還需要設置使打印件與槽底易分離的透光離型膜。目前的DLP面曝光3D打印機較多采用上拉式，Envision Tec公司研制了上拉式DLP光固化打印機perfactory[6]。

本文以DLP面曝光3D打印制備精密鑄造陶瓷型殼為出發點，研制了一種上拉式DLP面曝光3D打印機，介紹了其主要部分的結構設計，包括曝光系統、成形系統、Z軸運動系統、控制系統以及整機結構布局。并利用該設備試驗研究了相關的成形參數，確定了合適的參數值，為后續制備陶瓷型殼的研究提供參考。

1 DLP 3D打印機的搭建

綜合考慮上拉式和下沉式兩種不同打印方式的優缺點，本研究采用了上拉式。根據DLP面曝光三維打印技術的原理，所設計的打印機主要由DLP曝光系統、成形系統、Z軸運動系統和控制系統4部分組成，結構示意圖如圖1。為了增大紫外光的強度，并且減小投影儀投射圖像的誤差，現將投影儀放置在成形系統的正下方，采用直接照射漿料槽的曝光方式。

1.1 DLP曝光系統

DLP曝光系統是面曝光打印機的核心部分，它將切片軟件中的截面信息通過鏡頭投射到漿料槽中，使漿料槽中的陶瓷漿料按照截面圖形進行固化成形。本DLP曝光系統采用ACER的H6517ABD投影儀經改造而成。

H6517ABD投影儀主要由光源、色輪、鏡頭、DMD芯片等部分組成，其光源是目前應用較廣的高壓汞燈，為了削減紫外光對人體的危害，原廠投影儀在高壓汞燈前加了一個紫外光濾片以濾除強烈的紫外光，因此需要對該汞燈光源進行改造。如果直接取下紫外光濾片，汞燈發射出的高強度光和散發出的熱量會損壞色輪、電路甚至是DMD芯片，因此使用常見的石英玻璃來置換原廠的紫外光濾片。石英玻璃成本低、耐高溫、對紫外光的削弱作用較小。

色輪在將汞燈的白光處理為彩色光時對紫外光存在一定的削弱作用，如果直接拆除色輪，會造成投影儀在開機時檢測到投影儀存在故障而無法正常工作，因此對色輪只能進行改造。方法是將色輪整體移到投影儀的其他位置，具體可利用投影儀殼體的結構特點，在投影儀的外殼上加上螺柱并將色輪固定。

常規的投影儀成像距離均大于等于1 m，直接用于打印機會增大設備體積并削弱光強，故需要將H6517ABD投影儀鏡頭進行位置調整。投影儀的鏡頭使用的是凸透鏡設計，滿足凸透鏡的成像原理，如下式所示：

1/f=1/u+1/L

式中：u為物距，m；f為焦距，m；L為像距，m。

為了降低像距L即鏡頭到漿料槽間的距離，在物距u滿足f～2f的前提下，適當減小焦距f的值[10]。改造前后的投影儀如圖2所示，圖2b三處方框中為改造部分。

1.2 成形系統

成形系統主要由漿料槽及攪拌裝置、成形底座兩大部分組成。為了防止打印件隨成形底座上升過程中與槽底之間過大的附著力而造成破壞，采用的離型方法是在高透光亞克力漿料槽底部進行貼膜處理。由于硅膠膜成本低、彈性好、透光性好以及與漿料之間的粘附力較小，對光固化樹脂具有良好的疏水性，因此選擇硅膠膜作為貼膜。

對于成形底座，要求材料耐漿料腐蝕同時質量較小，故選擇鋁合金制作，并且打印件附著的表面進行磨砂處理以增大對打印件的吸附力。

1.3 Z軸運動系統

面曝光打印機在X-Y水平面上的誤差僅由投影儀投射的切片截面誤差以及投影儀安裝誤差決定[11]，Z軸僅需控制成形底座的上下移動即可。設計的打印機的Z軸運動系統主要由步進電機、導軌、滾珠絲桿、步進電機定位手輪、聯軸器和限位傳感器等部分組成。選用57步進電機，型號為57HS5630B4D8，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，配套使用1064滾珠絲桿。

1.4 控制系統

控制系統采用的是Arduino Mega 2560控制板，對步進電機的驅動器進行控制。控制板的微處理器是AVR單片機的ATmega 2560，其擁有54路(D0～D53)數字輸入/輸出IO口，其中的16路可以支持PWM輸出，6路外部中斷等特點。Arduino Mega 2560控制板和PCB擴展板如圖3所示。

該設備實物照片如圖4所示。

2 成形參數的研究

在上述DLP面曝光光固化3D打印機上，采用某進口光固化陶瓷漿料進行3D打印試驗，以確定相關成形參數的合理值，包括Z軸移動速度、曝光時間、層厚和最小成形尺寸。

2.1 Z軸移動速度

成形底座的Z軸移動速度可分為抬升速度和下降速度。曝光結束后，Z軸抬升速度過高，可能會導致在離型時打印件脫落；Z軸抬升速度過低，會大大增加總的打印時間，因此要設置適當的Z軸抬升速度。通過多次的打印試驗，發現當抬升速度高于300 mm/min時，打印件易脫落；當Z軸的抬升速度低于150 mm/min時，總的打印時間過長。對于Z軸下降速度，過低會大大增加總的打印時間，過高則運動平穩性差及對漿料造成大的沖擊。因此Z軸的移動速度宜設置在150～300 mm/min。

2.2 曝光時間

紫外光照射到光固化陶瓷漿料時，漿料中懸浮的陶瓷顆粒對光線存在散射現象，導致漿料在固化時對紫外光的吸收不遵循Beer-Lambert定律[12]。因此為了確定光固化陶瓷漿料發生固化所需的曝光時間，試驗時對漿料進行單層曝光，測試曝光時間對漿料無約束自由液面狀態下固化情況的影響。

利用三維建模軟件建立直徑為80 mm的圓形區域，以STL格式導入切片軟件中，設置不同的曝光時間后進行單層曝光試驗。曝光結束后觀察固化層的固化狀態，不同曝光時間下的固化狀態如圖5所示。

分析不同曝光時間下的固化狀態可以看出，當曝光時間低于20 s時，光固化陶瓷漿料不能固化成形；曝光時間為26 s時雖然能成形，但固化層強度不足，清理周圍漿料時由于漿料的流動，固化層四周會發生卷曲現象；當曝光時間大于30 s時，固化層成形狀態良好，但是此時隨著曝光時間的增長，除投影儀投射的圖像部分發生固化外，圖像四周的漿料也發生了一定程度的固化，使圖像對應的固化層周圍出現毛邊，從而會影響成形件的精度。因此確定合適的每層曝光時間為30～35 s。

為了增加打印件與成形底座之間的吸附力，打印開始時打印基底的每層曝光時間要大于正常的每層曝光時間，該時間稱為初始曝光時間。根據試驗，初始曝光時間取45 s較合適。

2.3 層厚

將2.2節試驗中成形明顯的單層固化層取出，使用千分尺對其厚度進行測量，結果如表1所示。由表1可知，在合適的每層曝光時間下，固化層厚度都大于0.2 mm，且隨著曝光時間的延長，單層固化層的厚度呈增加的趨勢。

表1 不同曝光時間下固化層的厚度

實際打印設置層厚時，為了保證新固化的一層能夠與上一固化層結合牢固，設置的“層厚”應明顯小于“每層曝光時間”對應的固化層厚度[13]。設置層厚過大時，層間結合不牢固，且階梯效應明顯；但設置層厚過小，軟件切片處理耗時過多，計算機內存消耗大，對步進電機、滾珠絲桿等機械結構的精度要求也相應提高，同時打印效率大大降低。綜合考慮這些因素，層厚設置為0.1 mm較合適。

2.4 最小成形尺寸

對于精密鑄造用的陶瓷型殼，型殼壁厚過小，在脫脂燒結的過程中會因收縮而破裂，澆鑄時也可能會無法承受熔融金屬的壓力而破裂；型殼壁厚過大，則會浪費光固化陶瓷漿料。因此，在強度達到可澆鑄的前提下，采用該3D打印方法制備的陶瓷型殼厚度一般不應超過3 mm[14]。

為了確定該設備可成形的最小尺寸，在20 mm×20 mm的方形底板上設計如圖6a所示直徑遞減的一系列圓柱體(直徑1～4 mm的每隔0.5 mm，直徑1 mm以下的每隔0.1 mm)，并對該結構進行打印試驗，結果如圖6b所示。

由成形結果可以看到，直徑不小于0.9 mm的圓柱體可以直接打印成形；直徑0.9 mm以下的圓柱體，在成形底座上拉的過程中因受到漿料的粘滯阻力而被拉斷，無法得到完整的形狀。由此可知，本設備采用上述成形參數可打印成形的最小尺寸為0.9 mm。該最小尺寸可以滿足精密鑄造陶瓷型殼的制備要求。

對已成形的圓柱件進行測量，得到的實際尺寸如表2所示。將測量值與模型的設計值進行比較，可知該尺寸范圍內的圓柱體存在約0.1～0.2 mm的正向誤差。該誤差與陶瓷顆粒使光線存在散射、曝光時間長而發生過固化等現象有關，引起投影圖像周圍一定范圍內的漿料也發生了固化。

表2 不同圓柱體的直徑尺寸及成形誤差

3 結語

研制了一臺上拉式面曝光3D打印機，用于3D打印制備精密鑄造陶瓷型殼。該設備主要包括DLP曝光系統、Z軸運動系統、控制系統和成形系統。對搭建好的設備進行了Z軸移動速度、曝光時間、層厚和最小打印尺寸等成形參數的試驗研究，確定合適的Z軸移動速度為150～300 mm/min，每層曝光時間為30～35 s，層厚為0.1 mm，最小打印尺寸為0.9 mm。

所研制的設備還需要人工實現陶瓷漿料的添加與攪拌，攪拌不均勻、攪拌間隔時間較長等因素都會影響打印效果。因此后續研究可以對其增加自動加料、自動攪拌和漿料恒溫加熱等功能。