劉恩辰，葛動(dòng)元，羅信武

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基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造工藝

劉恩辰，葛動(dòng)元，羅信武

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州，545006)

針對(duì)在凝膠注模工藝中固相體積分?jǐn)?shù)高的料漿因流動(dòng)性而應(yīng)用受限的情況，提出基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造工藝；采用3D打印技術(shù)分層在線制備模具，同步進(jìn)行料漿的填充，以實(shí)現(xiàn)料漿的無(wú)流動(dòng)填充或短距離填充。研究結(jié)果表明：上切面模具和豎直模具的腔體全部為無(wú)流動(dòng)注模區(qū)域，下切面模具的腔體既包含無(wú)流動(dòng)注模區(qū)域，也包含短距離流動(dòng)注模區(qū)域；在下切面模具中，最大注模流動(dòng)距離和模具分層厚度呈正相關(guān)，與模具的切片面角度呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)設(shè)定最大流動(dòng)距離小于10 mm時(shí)，15°夾角和75°夾角模具對(duì)應(yīng)的最大分層厚度分別為2.68 和37.30 mm。

凝膠注模；3D打??；成型技術(shù)

20世紀(jì) 90 年代，JANNEY[1]將傳統(tǒng)的陶瓷工藝與聚合物化學(xué)結(jié)合起來(lái)，提出了一種新型陶瓷成型技術(shù)即凝膠注模成型技術(shù)。其技術(shù)原理如下：將陶瓷粉末懸浮于能夠交聯(lián)聚合的有機(jī)單體溶液，形成流動(dòng)性優(yōu)異的料漿，加入適量催化劑和引發(fā)劑后，排氣注入模具中，料漿中的有機(jī)單體在催化劑和引發(fā)劑作用下，發(fā)生聚合固化，形成由高分子網(wǎng)絡(luò)定型的陶瓷基坯體，經(jīng)干燥、排膠、燒結(jié)后，得到致密的陶瓷產(chǎn)品。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷件的高品質(zhì)近凈成型[2]。JURGEN[3]將該技術(shù)拓展到金屬結(jié)構(gòu)件的制作，并成功制備出形狀復(fù)雜的不銹鋼葉輪，該葉輪的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能優(yōu)良，可媲美傳統(tǒng)工藝所制備的粉末冶金件。凝膠注模成型技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、成型坯體組分均勻、坯體抗彎強(qiáng)度高、缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。我國(guó)的研究人員對(duì)凝膠注模成型技術(shù)制備陶瓷和金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了大量研究[4-16]。在金屬結(jié)構(gòu)件研究方面，段柏華等[4]以銅粉和鉬粉為原料，采用非水基的凝膠注模體系制備出Mo/Cu合金；陶慶良等[14]利用凝膠注模法制備了形狀復(fù)雜的鎢銅復(fù)合材料坯體，并使用固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)45%的非水基體系料漿(其黏度為0.23 Pa?s)進(jìn)行注模，得到表面無(wú)開(kāi)裂、無(wú)形變的鎢銅坯體，其表面質(zhì)量較好，結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度可到達(dá)26.9 MPa。在陶瓷材料研究方面，王亞麗等[6]采用凝膠注模法制備氧化鋯陶瓷坯體，使用固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)50%的水基體系料漿進(jìn)行注模，料漿的黏度為0.46 Pa?s，所得陶瓷生坯表面光潔、不開(kāi)裂、不起皮，抗彎強(qiáng)度達(dá) 61.05 MPa，其結(jié)構(gòu)均勻、致密性好，相對(duì)密度達(dá) 98.26%；劉秀等[15]研究了石墨凝膠注模工藝，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的分散劑，制備出固相體積分?jǐn)?shù)為50%的流動(dòng)性良好的石墨漿料，其黏度為0.845 Pa?s，料漿凝固時(shí)間短(溫度為3 ℃時(shí)，料漿固化時(shí)間為5.6 min)，最終制備出抗彎強(qiáng)度為15.8 MPa的素坯。衡量凝膠注模成型技術(shù)所制備坯體的主要指標(biāo)有完整性、致密度、抗彎強(qiáng)度和表面質(zhì)量等。在工藝過(guò)程中，影響坯體性能的參數(shù)主要包括料漿的固相體積分?jǐn)?shù)和料漿的黏度。固相體積分?jǐn)?shù)會(huì)影響坯體的致密度、抗彎強(qiáng)度和表面質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，固相體積分?jǐn)?shù)越高，坯體的致密度越高，抗彎強(qiáng)度越大，表面質(zhì)量越好。料漿的黏度會(huì)影響坯體的完整性，黏度越大，料漿流動(dòng)越困難，對(duì)模具的填充效果越差，坯體的完整性越差。同時(shí)，料漿的固相體積分?jǐn)?shù)和黏度兩者具有相關(guān)性，固相體積分?jǐn)?shù)越高，黏度越大。因此，在實(shí)際成型加工中，需要對(duì)料漿固相體積分?jǐn)?shù)和黏度進(jìn)行平衡，一般要求料漿的固相體積分?jǐn)?shù)大于45%，黏度小于1 Pa?s[4-16]。為解決料漿的固相體積分?jǐn)?shù)和黏度之間的矛盾，本文作者從料漿對(duì)模具的填充入手，提出一種基于3D打印技術(shù)制備模具的“無(wú)流動(dòng)”填充或“短距離”填充的新型凝膠注模技術(shù)，以期制備致密度更高、抗壓強(qiáng)度更大、表面質(zhì)量更好的坯體。

1 基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造工藝原理和基本流程

1.1 工藝原理

基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造工藝(layered gel-casting based on 3D printing，下面簡(jiǎn)稱LG-3DP工藝)的基本成型原理與傳統(tǒng)凝膠注模工藝相似：將陶瓷或金屬粉末懸浮于能夠交聯(lián)聚合的有機(jī)單體溶液，加入適量催化劑和引發(fā)劑形成料漿，注入模具中，料漿發(fā)生聚合固化，形成固化的坯體，經(jīng)干燥、排膠、燒結(jié)后，得到致密的產(chǎn)品。

LG-3DP工藝與傳統(tǒng)凝膠注模工藝的本質(zhì)區(qū)別在于模具的制備和料漿的注模環(huán)節(jié)：1) LG-3DP工藝使用3D打印技術(shù)制備模具，采用的是在線制備方案，而傳統(tǒng)凝膠注模工藝采用的是離線制備模具的方式，即模具的制備在料漿注入模具前完成；2) LG-3DP工藝中的料漿采用分層多次注入模具，而傳統(tǒng)凝膠注模工藝采用的是一次注入模具；3) LG-3DP工藝的料漿澆筑點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)可控的，理論上可以是空間的任意位置，而傳統(tǒng)凝膠注模工藝的料漿澆筑點(diǎn)是模具上幾個(gè)固定的預(yù)設(shè)澆筑口。理論上，與傳統(tǒng)凝膠注模工藝相比，LG-3DP工藝能夠制備更加復(fù)雜、致密，力學(xué)性能更佳的結(jié)構(gòu)件。

1.2 基本流程

LG-3DP技術(shù)與傳統(tǒng)凝膠注模技術(shù)在工藝流程有相似的部分，將其歸納為凝膠注模的一般流程，如圖1(a)所示；同時(shí)，LG-3DP技術(shù)較傳統(tǒng)凝膠注模技術(shù)在工藝上有獨(dú)特部分，將其歸納為L(zhǎng)G-3DP工藝的特別流程，如圖1(b)所示。

LG-3DP技術(shù)的獨(dú)特部分體現(xiàn)在模具制備和料漿注模環(huán)節(jié)中。在模具制造和注模的特別流程中，首先根據(jù)加工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模具；然后對(duì)模具和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行切片分層處理；使用3D打印技術(shù)制備模具的第1層結(jié)構(gòu)，使用噴嘴向模具填充零件凝膠材料；然后，使用3D打印技術(shù)制備下1層模具結(jié)構(gòu)，并使用噴嘴向模具填充零件凝膠材料。重復(fù)上一步驟，直至完成模具制備；填充最后1層料漿，完成模具制備和料漿注模工序。

2 基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造的支撐技術(shù)

2.1 設(shè)備構(gòu)成

LG-3DP工藝的設(shè)備由分散攪拌裝置、3D打印中心、脫模中心、燒結(jié)中心等部件組成?；旌戏稚⒅行挠蓴嚢杵骱统暟l(fā)生器組成，用于混合有機(jī)單體、陶瓷/金屬粉末和溶劑分散劑，制備料漿。3D打印中心有2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的加工系統(tǒng)，1個(gè)加工系統(tǒng)用于打印模具，另1個(gè)加工系統(tǒng)用于料漿對(duì)模具的注模工序；該3D打印中心的主體設(shè)備需要自制。脫模中心用于模具材料的去除，根據(jù)不同的模具材料，脫模中心設(shè)有不同的脫模設(shè)備。燒結(jié)中心用于交聯(lián)固化的零件坯體的燒結(jié)，包含真空燒結(jié)機(jī)、惰性氣體環(huán)境發(fā)生和控制系統(tǒng)等裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件坯體的真空燒結(jié)或惰性氣體燒結(jié)。

圖1 基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造的基本流程

2.2 3D打印模具及料漿注模的技術(shù)方法

LG-3DP技術(shù)在制備模具時(shí)，可采用的工藝有擠出法、兩組分環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)法、熱蠟分配法等方法。上述工藝方法也常用于形狀沉積制造工藝[17]。使用3D打印技術(shù)制備模具時(shí)，需要根據(jù)模具形狀的特征，選擇合適的加工方式。按照模具側(cè)面切平面和模具間的關(guān)系，所有模具均可劃分3種特征結(jié)構(gòu)。圖2(a)所示為上切面的模具結(jié)構(gòu)，切點(diǎn)附近的模具質(zhì)點(diǎn)位于切平面下方。圖2(b)所示為豎直的模具結(jié)構(gòu)，側(cè)面為豎直面。這2種模具結(jié)構(gòu)均采用垂直沉積加工方式。圖2(c)所示為下切面的模具結(jié)構(gòu)，切點(diǎn)附近的模具質(zhì)點(diǎn)位于切平面上方。傳統(tǒng)的垂直沉積加工方式不適用于這種情況，因此，本文作者提出一種新型側(cè)面吸附沉積加工方式：從豎直面進(jìn)行分層，加工時(shí)，使用噴嘴將結(jié)構(gòu)件液態(tài)材料擠出至已加工結(jié)構(gòu)件的側(cè)壁，液體的結(jié)構(gòu)件材料吸附在側(cè)壁上并迅速固化，通過(guò)逐個(gè)豎直面、逐個(gè)豎直面地吸附沉積，最終加工出結(jié)構(gòu)件。下切面模具結(jié)構(gòu)的加工軌跡見(jiàn)圖2(c)。

圖2 不同特征的模具加工方式

采用噴嘴進(jìn)行料漿注模，注模過(guò)程示意圖如圖3所示，其中虛線為注模軌跡規(guī)劃。制作完1層模具腔體后，開(kāi)始用料漿填充模具，料漿噴嘴沿，和軸作平移運(yùn)動(dòng)，不考慮模具結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴運(yùn)動(dòng)的干涉。理論上，噴嘴可運(yùn)動(dòng)至空間中的任一位置。將剩余注模部分分成3層，每1層注模時(shí)，噴嘴均按照規(guī)劃的軌跡，沿和軸作平移運(yùn)動(dòng)。

圖3 注模過(guò)程示意圖

2.3 模具幾何分層技術(shù)

LG-3DP工藝在制備模具和進(jìn)行料漿注模時(shí)，對(duì)模具的分層厚度沒(méi)有限制，可以采用較厚的分層進(jìn)行模具制備，也可以采用較薄的分層進(jìn)行模具制備。模具分層的方式比較靈活，使得1個(gè)加工零件及其模具可能存在多種分層方式。但考慮到料漿對(duì)模具空腔的注模效果，合理的分層方法應(yīng)當(dāng)避免形成長(zhǎng)徑較大的模具空腔。不同的模具分層方案如圖4所示。圖4(a)中分層方案的第1層和第2層上存在長(zhǎng)徑比空腔，不利于零件材料的填充，圖4(b)中的分層方案明顯比圖4(a)中的分層方案更優(yōu)。

3 基于3D打印技術(shù)的凝膠注模工藝實(shí)例分析

下面以1個(gè)典型法蘭結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)一步介紹LG-3DP加工工藝。典型的法蘭結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示，法蘭結(jié)構(gòu)的剖視圖如圖5(b)所示。圖5(c)所示為法蘭結(jié)構(gòu)LG-3DP核心工序示意圖，為模具制備和料漿注模工序。在實(shí)施模具制備和料漿注模前，首先要制備料漿：將有機(jī)單體、陶瓷/金屬粉末、溶劑分散劑進(jìn)行充分混合和攪拌，然后除氣、添加催化劑制成料漿。

圖4 模具分層方案

法蘭結(jié)構(gòu)LG-3DP核心工序如下。首先根據(jù)法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工模具的整體結(jié)構(gòu)，然后在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件中建模，并對(duì)模具進(jìn)行切片處理，切成4層；使用3D打印技術(shù)打印出第1層模具，打印材料為石蠟；使用噴嘴向已加工的模具空間填充料漿；料漿初步固化后，使用3D打印技術(shù)打印出第2層模具，使用噴嘴向已加工的模具空間填充料漿；使用3D打印技術(shù)打印出第3層模具；然后，使用噴嘴向已加工的模具空間填充料漿；使用3D打印技術(shù)打印出第4層模具；然后，使用噴嘴向已加工的模具空間填充料漿；將凝固后的模具和零件結(jié)構(gòu)放入電爐箱中，在電爐箱中充滿氮?dú)猓员Ｗo(hù)零件結(jié)構(gòu)。將電爐箱溫度設(shè)定為65 ℃，使石蠟?zāi)＞卟牧先诨?，最終釋放出法蘭結(jié)構(gòu)件。將釋放后的法蘭結(jié)構(gòu)件放入真空電烤箱中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)完成后，可直接使用，也可進(jìn)行更高精度的機(jī)械加工后再使用。

圖5 典型三維結(jié)構(gòu)示意圖及LG-3DP核心工序

4 基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模制造技術(shù)的關(guān)鍵工序理論分析

4.1 基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模工藝與傳統(tǒng)凝膠注模工藝的對(duì)比分析

LG-3DP工藝與傳統(tǒng)凝膠注模工藝相比較，主要區(qū)別體現(xiàn)在模具制備和料漿注模工序。以圖6(a)所示的擬成型結(jié)構(gòu)件為例，進(jìn)行對(duì)比分析。圖6(b)所示為傳統(tǒng)的凝膠注模工藝的注模過(guò)程，在模具上設(shè)置有料漿澆筑口，料漿的注模是在模具整體制備完成后進(jìn)行的。理想的注模過(guò)程中，料漿從模具的澆筑口開(kāi)始流動(dòng)，直至模具空腔的末端，將整個(gè)模具空腔填充滿。料漿需要流動(dòng)的距離與結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸直接相關(guān)。漿料填充到點(diǎn)，需流經(jīng)的路徑為“澆筑口—點(diǎn)—點(diǎn)”，當(dāng)豎直通道或水平通道過(guò)長(zhǎng)或過(guò)窄時(shí)，料漿將無(wú)法流動(dòng)至點(diǎn)，造成結(jié)構(gòu)件外觀缺陷，或者需要降低料漿的固相體積分?jǐn)?shù)以降低料漿的黏度，造成結(jié)構(gòu)件性能降低。

圖6(c)所示為L(zhǎng)G-3DP的注模過(guò)程。將模具切片分成3層，依次制備第1層、第2層和第3層模具，并對(duì)各層模具的腔體進(jìn)行料漿注模。由于注模的噴嘴可沿軸向、軸向和軸向3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因此，在料漿注模過(guò)程中，料漿的流動(dòng)距離與模具的結(jié)構(gòu)件(或者模具)的整體形狀和尺寸無(wú)關(guān)，僅與單層模具的厚度及其邊緣形狀有關(guān)。以點(diǎn)為例，它位于LG-3DP工藝切片后的第1層模具中，采用逐層注模后，噴嘴可直接向點(diǎn)進(jìn)行料漿的澆筑(見(jiàn)圖6(c))，實(shí)現(xiàn)了無(wú)流動(dòng)填充。因此，理論上LG-3DP工藝相對(duì)于傳統(tǒng)凝膠注模工藝有著更廣的加工范圍，成形的零件質(zhì)量也更好。

圖6 注模過(guò)程對(duì)比

4.2 不同特征的分層模具結(jié)構(gòu)的料漿注模分析

LG-3DP工藝注模工序中，料漿的流動(dòng)距離與單層模具的厚度及其邊緣形狀有關(guān)。為研究各個(gè)區(qū)域料漿的流動(dòng)距離情況，將各種模具形狀劃分為上切面模具、豎直模具和下切面模具，如圖7所示。料漿的流動(dòng)距離與噴嘴能夠到達(dá)的位置緊密相關(guān)：當(dāng)噴嘴能夠達(dá)到模具空間的某填充點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)可做到無(wú)流動(dòng)填充；當(dāng)噴嘴不能到達(dá)模具空間的某填充點(diǎn)時(shí)，噴嘴能夠到達(dá)的距該點(diǎn)最近的距離即為該點(diǎn)的填充流動(dòng)距離。在上切面模具和豎直模具中，噴嘴能夠達(dá)到模具空腔的任一填充點(diǎn)，因此模具空腔的所用區(qū)域 均為無(wú)流動(dòng)注模區(qū)(見(jiàn)圖7(a)和圖7(b))。在下切面模具中，由于受到模具的干涉，不能到達(dá)圖7(c)中左虛線左側(cè)區(qū)域和右虛線右側(cè)區(qū)域，上述2個(gè)區(qū)域?yàn)槎叹嚯x流動(dòng)注模區(qū)，在2個(gè)虛線中間的區(qū)域，噴嘴可到達(dá)，因此，中間區(qū)域?yàn)闊o(wú)流動(dòng)注模區(qū)。

圖7 不同模具的料漿注模區(qū)域分析

4.3 模具形狀和分層厚度對(duì)料漿流動(dòng)距離的影響

進(jìn)一步對(duì)料漿流動(dòng)距離進(jìn)行定量分析，由于無(wú)流動(dòng)區(qū)域的流動(dòng)距離為0 mm，因此只需要對(duì)下切面模具中的短距離流動(dòng)注模區(qū)進(jìn)行分析和計(jì)算即可。以圖7(c)中的模具為研究對(duì)象，假定模具層的厚度為，給出模具上高度為的點(diǎn)，其切面與水平面的角度有如下函數(shù)關(guān)系：

=() (1)

由于噴嘴能夠到達(dá)的距該點(diǎn)最近的距離即為該點(diǎn)的填充流動(dòng)距離，因此該點(diǎn)的流動(dòng)距離為

最大的流動(dòng)距離發(fā)生在=0處，其表達(dá)式為

假定=()為一常數(shù)，則有

=·cot() (4)

由式(3)和式(4)可知：最大流動(dòng)距離與模具分層厚度呈正相關(guān)，與角度呈負(fù)相關(guān)。在LG-3DP工藝中一般期望最大流動(dòng)距離不超過(guò)10 mm，當(dāng)分別取15°，30°，45°，60°和75°時(shí)，模具最大分層厚度如表1所示。

表1 不同切面角度下模具最大分層厚度

從表1可以看出：隨著增大，模具最大分層厚度呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)為15°時(shí)，模具最大分層厚度為2.68 mm；當(dāng)為75°時(shí)，模具最大分層厚度為37.3 mm。

5 結(jié)論

1) 本文提出了一種基于3D打印技術(shù)的分層凝膠注模工藝，使用3D打印技術(shù)分層制備模具，并分層完成料漿注模。

2) 本文工藝的設(shè)備由分散攪拌裝置、3D打印中心、脫模中心、燒結(jié)中心等部件組成，使用垂直沉積方式和側(cè)面吸附沉積方式可制備任意形狀的模具，模具的分層方式對(duì)分層凝膠注模的效果有影響，應(yīng)避免形成長(zhǎng)徑比大的模具腔體。

3) 與傳統(tǒng)凝膠鑄模技術(shù)相比，本文工藝能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)流動(dòng)注?；蚨叹嚯x流動(dòng)注模；下切面模具中，最大流動(dòng)距離與模具分層厚度呈正相關(guān)，與切面角度呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)設(shè)定最大流動(dòng)距離小于10 mm時(shí)，模具的最大分層厚度隨著增大而增大，15°切角對(duì)應(yīng)的最大分層厚度為2.68 mm，75°切角對(duì)應(yīng)的最大分層厚度為37.30 mm。

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Layered gel-casting process based on 3D printing technology

LIU Enchen, GE Dongyuan, LUO Xinwu

(School of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

Considering that the application of slurry with high volume fraction of solid is limited due to fluidity in the gel injection molding process, layered gel-casting process based on 3D printing technology was proposed. The methods of 3D printing on-line mold preparation with layering and simultaneous filling of the slurry were used to achieve the slurry non-flow filling or short-distance-flow filling. The results show that cavity of the upper section mold and the vertical mold is all non-flow injection mold zone, and cavity of the lower section mold includes both non-flow injection zone and short-distance-flow injection zone. The maximum flow distance of the lower section mold is positively related to the layer thickness of mold, and is negatively related to the slice angle of the mold. When the maximum flow distance is less than 10 mm, the maximum layer thickness of the 15° angle mold and 75° angle mold is 2.68 and 37.30 mm, respectively.

gel-casting; 3D printing; molding technology

TH162

A

1672?7207(2019)05?1105?07

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.05.013

2018?07?06；

2018?10?09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51765007)；廣西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016GXNSFAA380111)(Project(51765007) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016GXNSFAA380111) supported by the Natural Science Foundation of Guangxi Province)

劉恩辰，講師，從事快速成型制造、凝膠注模技術(shù)研究；E-mail：nice2010@126.com

(編輯 伍錦花)