王瑞昌，蔣睿嵩，明新國

(1 上海交通大學生產性服務創(chuàng)新中心，上海 200240；2 西北工業(yè)大學 現(xiàn)代集成制造技術教育部重點試驗室，西安 710072；3 上海市推進信息化與工業(yè)化融合研究中心，上海 200240；4 上海市網絡化制造與企業(yè)信息化重點試驗室，上海 200240；5 上海交通大學機械與動力工程學院智能制造與信息工程研究所，上海 200240)

隨著科學技術的快速發(fā)展，航空產品更新?lián)Q代頻繁。飛機發(fā)動機因其具有復雜的結構和嚴苛的性能要求，一直制約著航空工業(yè)的發(fā)展。復雜氣冷結構的單晶空心渦輪葉片作為航空發(fā)動機中最為關鍵的零部件之一，由于其對結構與材料有著較為嚴苛的要求，因此被譽為“皇冠上的明珠”。對于具有復雜通道設計的空心渦輪葉片，目前一般采用精密鑄造的方式進行制備。由此，通常需要先制備出具有特殊形狀的陶瓷型芯充當內腔。但是，陶芯模具設計定型周期長、成本高依然是目前陶瓷型芯制造工藝中面臨的難題。近年來，增材制造技術的興起給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來巨大變革，也給陶瓷型芯的制備提供了一種新的可供參考的方法。早在1997年，Allen等[1]已經開始研究陶瓷材料在3D打印技術中的應用。Doreau等[2-3]也在2000年對陶瓷材料用于制造復雜的結構進行研究。除此之外，多種材料同時打印的技術研究也取得了進展。Rokicki等[4]在2014年已經研究3D打印技術在制造航空發(fā)動機葉片方面的應用。王鎵垠等[5]詳細介紹3D打印技術在大段骨修復材料、血管與血管網、人工肝臟、血管化脂肪組織幾方面的研究進展。針對MIP-SLA打印工藝的研究主要集中于解決光學畸變和能量的分布均勻性。楊根等[6]建立畸變校正模型，并提出空間可變雙線性插值算法，使得投射的光線能量均勻。在將3D打印技術應用于陶瓷產品制備的研究中，已經取得了可喜的進展[7]，并對基于光固化3D打印技術的任意陶瓷零件制備進行了大量研究[8]。Gao等[9]主要研究聚合物含量、激光功率和HAP/β-TCP的比例對打印出的陶瓷零件微觀結構的影響。Shuai等[10]則對陶瓷漿料固化過程中的動態(tài)溫度場分布進行研究。

目前對于精度要求較高的產品制備，多采用金屬激光燒結技術，但相較于光固化成型，金屬激光燒結技術效率低下。而傳統(tǒng)的光固化成型技術多采用單一的光敏樹脂，難以滿足多種材料需求。本文通過研究陶瓷漿料制備過程中光敏樹脂類型、固相含量、陶瓷顆粒粒徑、分散劑含量和球磨時間對陶瓷漿料性能的影響，制備出性能較為穩(wěn)定的陶瓷漿料，并通過搭建MIP-SLA工藝試驗平臺，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，在保證打印精度的同時，大大提高了打印效率。

1 MIP-SLA打印系統(tǒng)概述

MIP-SLA，即基于圖像投影光固化成型技術(mask-image projection stereolithography，如圖1)。MIP-SLA打印系統(tǒng)由硬件部分、固件部分和軟件部分等3部分組成。根據(jù)光照方向的不同，MIP-SLA打印系統(tǒng)又可分為自下而上投影法和自上而下投影法。選用自下向上投影法可節(jié)省試驗空間。

圖1 MIP-SLA打印系統(tǒng)Fig.1 Printing system of MIP-SLA

2 工藝分析

基于MIP-SLA的光固化成型技術，涉及的工藝參數(shù)主要包括層厚和曝光時間。曝光時間過短，光敏樹脂來不及固化，打印出的零件毛坯會出現(xiàn)缺口，或者直接不能固化，經過幾個曝光時間單元后直接固化在料槽底部，導致打印失敗；如果曝光時間過長，則由于影儀投影在料槽底部的光會發(fā)生折射，再加上投影儀工作狀態(tài)下會有少量可見光照射到料槽底部，導致打印出的零件模型有明顯的片狀延伸，使得打印零件毛坯表面粗糙度驟升，特別是對于有孔隙結構的零件來說，曝光時間過長會使得后處理過程變得非常復雜。選用3種不同的層厚(0.05、0.10和0.15 mm)來測量其打印精度。

2.1 原理分析

對于光固化3D打印技術來說，影響其成型質量的兩個最為重要的參數(shù)是每層固化高度(即層厚)和每層曝光時間。通過合理地設置這兩個參數(shù)，便可以達到在保證打印件質量的同時，提高打印的效率。每層固化高度和每層曝光時間的設置，主要取決于投影儀的投影光強、從投影儀鏡頭到料槽底部的光程差，以及光敏樹脂的光敏特性。

光敏樹脂的種類不同，其光敏性質也就有所差別。實際中主要借助臨界曝光量EC和光透射深度DP來衡量光敏樹脂的對光敏感性。這兩個參數(shù)是固化過程中最為重要的參數(shù)。其中，臨界曝光量EC是指使光敏樹脂能夠由液態(tài)充分固化所需的最低能量。由于光線通過液態(tài)樹脂時會衰減，規(guī)定當光線的能量密度衰減至入射能量E0的1/e時，所穿過的樹脂層的厚度稱之為光透射深度DP。

大多數(shù)光敏樹脂固化在紫外光條件下才會發(fā)生，即波長范圍為365～420 nm。而投影儀投出的光線波長紫外光含量較高，故可保證其固化水平。光敏樹脂在紫外光的照射下，其吸收規(guī)律符合Beer-Lambert準則[5]，即

E(z)=E0exp(-ε[I]z)，

(1)

式中：E(z)為深度為z處的曝光能量密度，E0為初始入射紫外光的曝光能量密度，ε為引發(fā)劑的摩爾消光系數(shù)，[I]為引發(fā)劑濃度。

由此便得出，當深度z達到對應的固化厚度時，其固化厚度為

d=(1/ε[I])ln(E0/EC).

(2)

當入射能量為臨界能量值時，光敏樹脂的透射深度DP為

DP=1/ε[I].

(3)

通過改變曝光時間來改變入射能量密度，進而改變光敏樹脂的透射深度，從而使得打印平臺與料槽底部之間的樹脂層能夠固化充分，即保證DP≥d。

光敏樹脂在遇到由投影儀投射過來的可見光后，發(fā)生化學反應，開始固化。因為光固化3D打印過程中，模型是由固化完成的光敏樹脂一層一層堆疊而成的，因此，固化的每一膜層之間在微觀條件下都會有梯級的存在。分別對不同膜層厚度下打印件的尺寸精度和表面質量進行評估，分析每層的固化高度與每層曝光時間對打印件質量的影響，如表1所示。

對于同一層高的光敏樹脂，在誤差允許范圍內，且均在合理的曝光時間內時，隨著曝光時間的增長，打印件成型后的表面粗糙度越大；由于層高發(fā)生變化時，在一個打印時間單元內需要固化的光敏樹脂增多，因此在比較不同層高對打印件表面質量的影響時，只選取相應層高下最合適的曝光時間，對比1、4、5這3組試驗，當每層的膜層高度越來越大時，打印件的表面越粗糙。當需要同時兼顧打印質量和打印效率時，則要選取合適的膜層厚度和曝光時間，將兩個因素耦合取最優(yōu)。

表1 打印工藝參數(shù)對打印質量的影響Table 1 Effects of printing process parameters on print quality

2.2 幾何精度校正

合理地控制投影儀投射鏡頭到料槽底部的光程長度對于保證打印模型的精度是十分必要的。選用不同膜層厚度進行試驗，并對試驗結果進行測量，測量結果見表2。

分析表2可知，該3D打印試驗平臺X軸方向、Y軸方向、Z軸方向的打印相對誤差分別為1.58%、0.84%和14.08%；X軸方向、Y軸方向、Z軸方向的重復精度分別為0.28、0.31和4.22 mm。Z軸方向的尺寸精度較X軸方向和Y軸方向要差，這是由于該光固化3D打印試驗平臺采用的是由開環(huán)控制系統(tǒng)控制電機運動，進而控制打印平臺的升降。步進電機在接收下位機發(fā)送的脈沖過程中會發(fā)生丟步的現(xiàn)象，且不能及時反饋給系統(tǒng)，造成Z軸方向誤差較X軸和Y軸方向的誤差大。

由于在進行增材制造過程中，尤其是在對復雜結構的零件進行打印時，預打印模型往往不是像立方體這樣規(guī)整的平面結構，而是平面和曲面的結合體。因此，只對具有單一平面的立方體結構進行精度分析往往是不夠的，需建立一個關于精度的綜合評估體系模型。選用的精度綜合評價體系包括立方體模型、圓柱模型、斜面模型和小孔模型，囊括了3D打印中較為常見的集中模型類型。通過實際測量打印模型的幾何尺寸，其X、Y軸方向幾寸誤差均可控制在3%，Z軸方向的打印誤差則可以控制在8%。

2.3 工藝參數(shù)控制域確定方法

對于給定的某一膜層高度的光敏樹脂，其每一層的曝光時間均存在一個合理的范圍。對于將光固化3D打印技術應用到航天航空工業(yè)領域，保證打印件的表面質量是首先要考慮的內容，在對已經試驗的幾組數(shù)據(jù)進行綜合評估時，規(guī)定表面質量所占比重為0.7，打印效率所占比重為0.3。表面質量和打印效率的具體評測值分別見表3和表4。

表3 粗糙度評測Table 3 Evaluation of roughness

表4 打印效率評測Table 4 Evaluation of efficiency

由表3和表4可對上述5組試驗進行綜合評測。評測結果如表5所示。

表5 打印參數(shù)綜合評測Table 5 Comprehensive evaluation of print parameters

按照上述給定的評測標準，可知組別5的評測值最高，因此，選用層厚為0.15 mm和單層曝光時間為8 300 ms進行模型零件的打印效果最好。

3 陶瓷漿料的制備

對于陶瓷漿料來說，流動性和固相含量是評價其性能優(yōu)劣的兩個非常重要的參數(shù)。固相含量升高，陶瓷漿料的流動性就會相應降低。目前，用于制備陶瓷漿料的陶瓷顆粒主要有氧化硅和氧化鋁陶瓷顆粒。氧化硅陶瓷的工作溫度一般為1 200～1 300 ℃，當溫度超過1 500 ℃時，其化學穩(wěn)定性以及抗蠕變性能就遠不能滿足空心葉片的精鑄要求。氧化鋁陶瓷由于其高溫性能較好，能夠滿足渦輪葉片的精鑄溫度要求，且抗蠕變性能優(yōu)異，故一般在制備渦輪葉片陶瓷型芯的陶瓷漿料時，選用氧化鋁陶瓷顆粒。通過分析光敏樹脂類型、固相含量、陶瓷顆粒粒徑、分散劑含量和球磨時間對陶瓷漿料性能的影響，確定合適的陶瓷漿料制備工藝參數(shù)。

1)光敏樹脂類型的選擇。A型和B型光敏樹脂是市面上使用的兩種光敏樹脂。A型樹脂固化后脆性較大，B型樹脂固化后塑性較大。本文試驗驗證選用的A型樹脂性能如表6所示。

表6 A型樹脂的性能指標Table 6 Performance indexes of resin type A

2)固相含量的確定。固相含量大小直接關系到陶瓷漿料的流動性和最終樣件的成型效果。固相含量高，打印完成的樣件在脫黏與燒結過程中的收縮率就會大大降低。但是，過大的固相含量又會使得漿料的流動性大大降低，給樣件毛坯的順利打印帶來難度，較大的黏度使得陶瓷漿料制備過程和打印過程中產生的氣泡無法及時排出，增大打印樣件毛坯的氣孔率。由圖2(a)可知，隨著陶瓷漿料固相含量的升高，固相含量在40%之前時，漿料的流動性變化較緩；當固相含量超過40%后，其流動性開始劇烈下降，相應的黏度值劇烈上升。這是由于隨著固相含量的增加，漿料中的分散相相應地開始逐漸變少，陶瓷顆粒間的結合力開始變強，陶瓷漿料開始有團聚趨勢。同時，由于在混合過程中陶瓷顆粒表面要吸附光敏樹脂，陶瓷顆粒含量越多，其表面吸附的流動性較好的光敏樹脂就越多，能自由活動的樹脂相應就會減少，陶瓷漿料的流動性便會越低。

3)陶瓷顆粒直徑大小的選取。陶瓷顆粒直徑大小直接影響到其在光敏樹脂中分散狀態(tài)的穩(wěn)定性，也會對打印樣件的脫黏燒結產生影響。陶瓷顆粒的直徑越小，表面能也就越大，顆粒之間的固相反應進行得也會更徹底。隨著陶瓷顆粒直徑的變小，漿料的流動阻力相應就會越大，其黏度值也就會增大。選用的陶瓷顆粒粒徑大小在35 μm左右。

4)分散劑含量的確定。選用的分散劑類型為聚丙烯酸銨，其主要是作為一種表面活性劑加入到陶瓷漿料中，使得漿料中的陶瓷顆粒表面的活性發(fā)生改變，起到靜電和空間位阻的功能。分散劑的濃度也會對分散效果起到重要作用。如果分散劑濃度過低，表面尚未改性的陶瓷顆粒由于布朗運動，仍會發(fā)生碰撞，進而發(fā)生團聚現(xiàn)象；如果分散劑濃度過高，陶瓷顆粒表面的分散劑達到過飽和，會有多余的分散劑作用在顆粒之間，形成絮凝，也會降低陶瓷漿料的穩(wěn)定性。由圖2(b)可知，陶瓷漿料流動性最佳時對應的分散劑含量為7%。

5)為使得陶瓷顆粒與光敏樹脂能夠充分混合，采用行星式球磨機進行陶瓷漿料的制備。通過球磨機進行磨粒研磨，是為了保證分散劑能夠充分地被陶瓷顆粒吸附在表面上，改變陶瓷顆粒的表面活性。隨著球磨時間的延長，陶瓷漿料的流動性先升高后又開始降低，這是因為在球磨過程中，研磨既起到使陶瓷漿料均勻化的作用，又起到使?jié){料細化的作用。陶瓷漿料的流動性總體呈先升高后降低的趨勢，且在研磨時間為2 h時達到流動性最大值,如圖2(c)所示。

圖2 陶瓷漿料的固相含量、分散劑含量、球磨時間對漿料流動性的影響Fig.2 Effects of solid phase content,dispersant content,and ball milling time on fluidity of ceramic suspension

4 模型打印

對于陶瓷漿料來說，由于陶瓷顆粒的存在，光敏樹脂在每一膜層的含量相對減少，所需曝光時間變短，同時，陶瓷顆粒也會阻擋光線的傳播，阻礙靠近打印平臺側的樹脂的固化。為此，需合理控制曝光時間。曝光時間過長，會使得最靠近光源一側的陶瓷漿料過度固化，產生層片狀結構，造成打印件表面質量降低。同時，由于陶瓷顆粒的存在，陶瓷漿料固化后不易黏結到打印平臺底部。

4.1 三維實體建模

利用三維建模軟件UG構建渦輪葉片陶瓷型芯的幾何模型，如圖3所示。將其導入到切片軟件中切片，效果如圖4(a)和4(b)所示。

圖3 葉片陶瓷型芯三維模型Fig.3 3D model of the blade ceramic core

4.2 打印工藝參數(shù)研究

通過前期預試驗，基本確定膜層厚度分別為0.05、0.10和0.15 mm，且固相含量為10%的陶瓷漿料分別所需的單一膜層曝光時間。試驗結果如表7所示。

4.3 打印效果分析

分別選用流動性相對較好的固相含量為10%和40%的陶瓷漿料進行打印。選用臥式行星球磨機對A型樹脂和陶瓷顆粒的混合液進行研磨，轉速為250 r/min，研磨時間為2 h，分散劑含量為7%。固相含量為10%的陶瓷漿料選用膜層厚度為0.10 mm，單一膜層曝光時間設置為6 600 ms；固相含量為40%的陶瓷漿料選用膜層厚度為0.10 mm，單一膜層曝光時間設置為6 900 ms。

圖4 不同層的切片F(xiàn)ig.4 Slices of different layers

表7 膜層厚度與曝光時間對打印效果的影響Table 7 Effects of film thickness and exposure time on printing results

由于打印時間過長，陶瓷漿料的不穩(wěn)定性將會影響打印質量。因此，先進行較薄的圓柱齒輪的打印，打印效果分別如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 不同固相含量打印效果示意圖Fig.5 Printing results with different solid phase contents

由于陶瓷顆粒的粒徑較大，故每層打印平臺與料槽底部的間隙值跟上位機軟件設置的差距也會變大。因此，固相含量為40%的漿料打印出來的樣件Z向尺寸要明顯大于固相含量為10%的漿料。另外，通過比較圖5(a)和5(b)可以發(fā)現(xiàn)，漿料中固相含量越高，其表面質量就會越差。

進行陶瓷型芯樣件打印時，選用固相含量為10%的陶瓷漿料，膜層厚度設置為0.10 mm，單一膜層曝光時間設置為6 400 ms，選用臥式行星球磨機對A型樹脂和陶瓷顆粒的混合液進行研磨，轉速為250 r/min，研磨時間為2 h，分散劑含量為7%。打印出的陶瓷型芯樣件如圖6所示。

圖6 固相含量為10%的陶瓷型芯樣件Fig.6 Ceramic core sample with 10% solid phase

5 結語

針對渦輪葉片陶瓷型芯其結構復雜，且模具設計周期長、成本高的制造現(xiàn)狀，探索性地對利用3D打印技術，通過搭建基于圖像投影的光固化試驗平臺，研究如何利用單片機技術實現(xiàn)上位機對打印平臺的精確控制。為改善打印質量，對打印工藝參數(shù)進行校正，并對打印件的尺寸精度和表面質量進行評估，分析每層的膜層厚度與每層的曝光時間這兩個重要的工藝參數(shù)對打印件成型質量的影響。通過分析光敏樹脂類型、固相含量、陶瓷顆粒粒徑、分散劑含量和球磨時間對陶瓷漿料性能的影響，為突破光固化3D打印領域材料的限制進行嘗試與實踐，最后對選擇的工藝參數(shù)進行試驗驗證。