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（蘭州理工大學(xué) a.省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050）

增材制造技術(shù)能夠快速成形復(fù)雜3D形狀的零件，制備精鑄型殼過程中可以實(shí)現(xiàn)單件小批量精鑄零件的快速柔性制造，滿足多樣化、個(gè)性化、小批量產(chǎn)品制造的市場需求。增材制造的樹脂模型可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)精鑄工藝中使用的蠟?zāi)?，?jīng)掛漿撒砂干燥后，再通過加熱燒蝕去除樹脂模型后焙燒獲得型殼[1—2]，這種方法可沿用傳統(tǒng)精鑄生產(chǎn)線，但是工序較長，型殼在樹脂模型燒蝕過程中易變形開裂，并且對環(huán)境污染較大。更加可以充分發(fā)揮增材制造優(yōu)勢的方法是直接增材制造精鑄型殼，將CAD模型通過分層堆積形成中空的精鑄型殼素坯，焙燒后獲得型殼[3—4]。目前可用于制備精鑄型殼的增材制造技術(shù)主要有三維打印法（3DP）、選擇性激光燒結(jié)法（SLS）、光固化成形法（SLA）以及漿料擠出法等，文中對這幾種技術(shù)的工藝原理和研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并分析影響因素和存在的問題。

1 三維打印法（3DP）

1.1 工藝原理和研究進(jìn)展

三維打印法（Three-dimensional printing，3DP）將粘結(jié)劑噴射在鋪粉平面的鑄造耐火材料粉末上，將粉末分層粘接成形，其工藝原理見圖1。首先在鋪粉平面上鋪一層耐火材料粉末，根據(jù)精鑄型殼CAD模型的截面數(shù)據(jù)，在選定區(qū)域噴射粘結(jié)劑，完成一層的截面打印后，工作平臺下降一個(gè)層厚的距離，重復(fù)這個(gè)過程直至零件逐層打印完成，去除未粘接的松散粉末即可得到型殼素坯，經(jīng)焙燒等后續(xù)工序后得到精鑄型殼[5]。3DP法的工藝可控性好，制造耗能低，在成形過程中不易出現(xiàn)開裂等缺陷，型殼的表面粗糙度較好。

圖1 3DP法原理Fig.1 Schematic diagram of 3DP process

成形材料是 3DP法制備精鑄型殼的關(guān)鍵。P.Rodríguez-González等[6]以半水硫酸鈣為粉末材料、2-吡咯烷酮為粘結(jié)劑，用3DP法制備了10 mm厚的精鑄型殼素坯，清理型殼內(nèi)部松散粉末后，通過加熱去除半水硫酸鈣中的水分和揮發(fā)性物質(zhì)，最后將型殼埋入干砂中進(jìn)行澆注，CAD模型、型殼和鑄件實(shí)例見圖2[6]。Saptarshee Mitra等[7]研究了呋喃樹脂含量對3DP法成形硅砂砂型的影響，發(fā)現(xiàn)樹脂含量越高，砂型強(qiáng)度也越高，但需要選擇合適的固化溫度和時(shí)間，過度固化會(huì)導(dǎo)致樹脂橋降解，甚至砂型開裂。M.Kafara等[8]研究了粘結(jié)劑含量對3DP法成形立方體砂型精度的影響，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑含量的增加導(dǎo)致固化收縮率增加，由于各部位的粘結(jié)劑含量不同，在邊緣處出現(xiàn)了翹邊現(xiàn)象。

掃描方式影響3DP法的成形質(zhì)量和成形效率。Zhao等[9]提出用“線-面-實(shí)體”的掃描方式來代替“點(diǎn)-線-面-實(shí)體”的掃描方式，理論計(jì)算顯示可以大幅提高成形速度，用實(shí)際的3DP系統(tǒng)及其控制軟件進(jìn)行了試驗(yàn)，表明新的掃描方式效果良好。

圖2 3DP法制備的精鑄型殼實(shí)例[6]Fig.2 Example of investment casting ceramic shell prepared by 3DP process

1.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。粘結(jié)劑使用過多會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)后型殼的收縮過大，粘結(jié)劑使用過少會(huì)降低型殼的強(qiáng)度和致密度；調(diào)整粉末粒徑和級配以獲得合適的耐火材料粉末松裝密度；粘結(jié)劑和耐火材料粉末間的匹配對型殼的致密度和表面粗糙度影響較大。目前粘結(jié)劑和粉末等成形材料制約了3DP法制備精鑄型殼的發(fā)展，還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化材料體系，以滿足高質(zhì)量精密鑄造的需要。

制備工藝方面。精鑄型殼對型腔的成形要求較高，而3DP法成形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)松散粉末的清理比較困難，往往需要很長的時(shí)間，而且去除松散粉末和支撐時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)表面缺陷，需要進(jìn)行人工修補(bǔ)，導(dǎo)致表面質(zhì)量明顯降低[10]。3DP法要使用大量的粘結(jié)劑，在用高溫?zé)Y(jié)或熱等靜壓燒結(jié)工藝處理型殼素坯時(shí)，粘結(jié)劑的分解會(huì)導(dǎo)致精度降低、結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)坍塌，燒結(jié)時(shí)還存在一定的環(huán)境污染。為提高型殼的強(qiáng)度和致密度，常常對素坯進(jìn)行浸滲處理，但浸滲過程受孔隙形貌、孔隙率、浸滲工藝等多種因素影響，很難精確控制[11]。

2 選擇性激光燒結(jié)法（SLS）

2.1 工藝原理和研究進(jìn)展

選擇性激光燒結(jié)法（Selective laser sintering，SLS）利用激光提供的能量融化覆膜砂表面的粘結(jié)劑，將特定區(qū)域內(nèi)的鑄造耐火材料粉末粘在一起，其工藝原理見圖3。用SLS法制備精鑄型殼時(shí)，以覆膜砂為成形材料，激光束根據(jù)型殼截面數(shù)據(jù)逐層掃描覆膜砂，覆膜砂表面的粘結(jié)劑受熱熔融并粘結(jié)，未被照射的覆膜砂仍呈松散狀態(tài)并起到支撐作用。SLS法的型殼制備速度快、工藝穩(wěn)定性好、可使用材料廣泛，可以制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精鑄型殼。

圖3 SLS法原理Fig.3 Schematic diagram of SLS process

SLS法要選擇合適的材料體系制備精鑄型殼。Singamneni等[12]以硅砂為粉末材料、堿性酚醛樹脂為粘結(jié)劑，研究對比了SLS法和傳統(tǒng)精鑄工藝所制備的精鑄型殼性能及其鑄件質(zhì)量，研究表明用SLS法制備的型殼及鋁鎂合金鑄件與傳統(tǒng)工藝差別不大，可以滿足一般鑄件的要求。趙開發(fā)等[13]為鈦合金精鑄設(shè)計(jì)了一種以熱塑性酚醛樹脂為粘結(jié)劑、鋯砂為型砂的材料體系，所制備的鋯砂型殼實(shí)例見圖4，型殼素坯成形后進(jìn)行加熱處理，澆注前在型殼表面噴涂氧化釔涂層以避免型砂與熔融鈦的反應(yīng)并改善表面質(zhì)量。

圖4 SLS法制備的鋯砂型殼[13]Fig.4 Zircon sand casting shell prepared by SLS process

為提高鑄型強(qiáng)度并去除部分有機(jī)粘結(jié)劑，SLS法制備的型殼往往需要加熱處理。用SLS法制備的莫來石型殼素坯進(jìn)行二次燒結(jié)后，莫來石相的含量、晶粒尺寸和晶粒平均長徑比均隨二次燒結(jié)溫度的升高而增大，型殼最高強(qiáng)度約為傳統(tǒng)工藝制備型殼的4倍[14]。通過研究加熱處理對SLS法制備型殼發(fā)氣的影響，表明加熱處理可以使粘結(jié)劑分解的部分氣體提前析出，減少澆注時(shí)型殼的發(fā)氣量，但過高的加熱溫度會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)劑過度分解和碳化，降低型殼強(qiáng)度，另外，加熱時(shí)間也對型殼強(qiáng)度有一定的影響[15]。

2.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。粘結(jié)劑用量少，激光燒結(jié)不完全，型殼致密度低；粘結(jié)劑用量多，激光燒結(jié)時(shí)收縮量大，型殼易變形甚至損壞。覆膜砂粉末越細(xì)，型殼表面質(zhì)量越高，但是過細(xì)粉末的鋪粉比較松散，不利于得到致密的型殼[16]。

制備工藝方面。由于激光照射時(shí)間短，燒結(jié)粉末的冷卻速度很快，不同部分之間的內(nèi)應(yīng)力大，型殼容易出現(xiàn)裂紋。激光功率和掃描速度的匹配決定了燒結(jié)區(qū)域的激光燒結(jié)能量，輸入能量密度過低時(shí)燒結(jié)可能不完全，輸入能量密度過高時(shí)可能存在粉末燒壞和燒結(jié)不均勻等問題[17]，因此，用SLS法制備型殼時(shí)必須嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程和預(yù)設(shè)參數(shù)。由于激光照射時(shí)部分粘結(jié)劑未能完全與粉末融結(jié)，型殼素坯一般需進(jìn)行后續(xù)加熱處理以改善表面、穩(wěn)定尺寸和提高性能。如果型殼與熔融金屬發(fā)生反應(yīng)，可采用噴涂保護(hù)層或者在原始粉末中加入合金元素等方法。

3 光固化成形法（SLA）

3.1 工藝原理和研究進(jìn)展

光固化成形法（Stereo lithography apparatus，SLA）利用紫外激光照射液態(tài)光敏樹脂和鑄造耐火材料的混合物[18]，光敏樹脂發(fā)生固化得到精鑄型殼素坯，通過脫脂和燒結(jié)工序后獲得精鑄型殼，其工藝原理見圖 5。SLA法有兩種光照射方式：SLA與MIP-SLA，二者的區(qū)別在于紫外光的掃描方式不同，MIP-SLA技術(shù)使用數(shù)字微鏡晶片（DMD）將型殼CAD模型處理成截面投影，將紫外激光線掃描方式變?yōu)槊鎾呙璺绞剑岣吡顺尚涡?。SLA法制造精度明顯高于3DP法和SLS法，但對型殼素坯的后續(xù)處理要求較高。

圖5 SLA法原理Fig.5 Schematic diagram of SLA process

混合漿料除了確定耐火材料和光敏樹脂的種類、比例、混合工藝外，還要研究其光固化工藝以保證漿料固化的均勻性和穩(wěn)定性。王瑞昌等[19]在研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片陶瓷型芯的MIP-SLA成形工藝過程中，考察了光敏樹脂類型、固相含量、粉末粒徑、分散劑含量和球磨時(shí)間對漿料性能的影響，分析了膜層厚度和曝光時(shí)間對成形質(zhì)量的影響，評估了成形素坯的尺寸精度和表面質(zhì)量。Wang等[20]采用MIP-SLA工藝制備了ZrO2增韌Al2O3（PSZ）陶瓷型殼（見圖6），研究了漿料流動(dòng)性、光固化參數(shù)、素坯燒結(jié)工藝對型殼及鑄件質(zhì)量的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)。當(dāng)混合漿料的粘度過高時(shí)，會(huì)難以涂覆并影響型殼的力學(xué)性能和表面粗糙度，加入稀釋劑或加熱光固化系統(tǒng)的方法可以改善混合漿料的粘度問題[21]，但加入稀釋劑會(huì)增加燒結(jié)收縮率，降低型殼的致密度，而加熱光固化系統(tǒng)會(huì)引起光敏樹脂的非掃描固化，因此還需進(jìn)一步研究更有效的解決方案。

型殼素坯的燒結(jié)工藝對精鑄型殼的質(zhì)量也非常關(guān)鍵。研究SLA法制備石英砂型殼發(fā)現(xiàn)，致密度和抗彎強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而增加，但β-α-方石英轉(zhuǎn)變過程中的收縮導(dǎo)致微裂紋的形成和抗彎強(qiáng)度的下降[22]。研究SLA法制備ZrO2-Al2O3復(fù)合陶瓷型殼發(fā)現(xiàn)，型殼材料的實(shí)際密度、硬度和斷裂韌性隨著燒結(jié)溫度的升高而增加，當(dāng)溫度到達(dá)臨界點(diǎn)后，晶粒的異常長大使型殼的力學(xué)性能降低[23]。

圖6 SLA法制備的PSZ陶瓷型殼[20]Fig.6 PSZ ceramic shell prepared by SLA process

3.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。SLA法對混合漿料的要求是高固相含量和低粘度，固相含量決定了鑄造型殼的致密度，粘度則決定了漿料的涂覆難易。影響混合漿料性能的因素較多：不同的光敏樹脂在固化后的脆性不一樣；固相含量會(huì)影響漿料流動(dòng)性和型殼質(zhì)量；采用粒徑較大的耐火材料粉末，漿料的粘度較低，但是粒徑太大又可能導(dǎo)致光敏樹脂固化不完全；合適的分散劑會(huì)保證耐火材料粉末在光敏樹脂中的分散性良好并避免發(fā)生團(tuán)聚；合理的球磨工藝會(huì)使混合漿料成分更均勻、性能更穩(wěn)定。

制備工藝方面。耐火材料粉末在漿料中會(huì)導(dǎo)致紫外光的折射率發(fā)生變化，影響光敏樹脂的固化深度，因此光固化成形過程中要確保漿料的穩(wěn)定性和均勻性。型殼素坯的后續(xù)處理主要是脫脂和高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程的收縮會(huì)導(dǎo)致型殼精度、尺寸和致密度發(fā)生變化，因此SLA工藝需要對燒結(jié)等后續(xù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。

4 漿料擠出法

4.1 工藝原理和研究進(jìn)展

圖7 漿料擠出法原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of slurry extrusion process

漿料擠出法是利用耐火材料漿料擠出絲的分層堆積來構(gòu)建型殼的各個(gè)截面，其工藝原理見圖7。漿料可以通過柱塞擠出或者螺旋擠出，逐層堆積形成素坯，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)得到型殼或者型芯。耐火材料漿料一般具有剪切變稀特性，從擠出頭擠出時(shí)具有較好的流動(dòng)性，擠出后粘度升高而能夠保持一定的形狀。可以使用具有交聯(lián)作用的粘結(jié)劑制備漿料，擠出絲在擠出后快速固化。當(dāng)采用熱塑性材料為粘結(jié)劑時(shí)，可以直接采用熔融擠出沉積法（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）制備型殼素坯。漿料擠出法能靈活設(shè)計(jì)不同的擠出頭種類、數(shù)量和運(yùn)動(dòng)方式，復(fù)雜形狀的構(gòu)造能力強(qiáng)，可使用的材料廣泛，能量消耗低、設(shè)備成本低。

漿料擠出法需要對耐火材料漿料及其流變性進(jìn)行研究。Revelo等[24]用Malvern流變儀研究漿料的流變行為，通過改變擠出口直徑獲得不同的剪切速率，分析了剪切速率對漿料擠出絲的影響。Yang等[25]將CaCO3和SiO2粉末加入聚乙二醇和硅溶膠中制備漿料，測試了漿料的粘度-剪切速率曲線，通過擠出實(shí)驗(yàn)確定了合理粘度范圍，控制氣壓活塞的運(yùn)動(dòng)速率，使?jié){料擠出時(shí)的粘度在此范圍內(nèi)，制備的型芯具有較高的精度和彎曲強(qiáng)度以及良好的水中潰散性。

擠出工藝和燒結(jié)工藝對型殼或者型芯的精度、表面質(zhì)量、致密度和力學(xué)性能的影響比較復(fù)雜，研究者多采用單因素試驗(yàn)或正交試驗(yàn)等方法優(yōu)化制備工藝。唐世艷[26]研究了層高、擠出頭內(nèi)徑與成形速度對Al2O3型殼精度的影響規(guī)律及機(jī)理，表明理想的截面形狀應(yīng)為板狀截面，并根據(jù)擠出頭前端與已沉積漿料之間的距離推導(dǎo)出層高、擠出速度、成形速度、擠出頭內(nèi)徑等工藝參數(shù)之間的關(guān)系式，所制備的Al2O3型殼及其澆注的鋁合金鑄件實(shí)例見圖8。Abdeljawad等[27]研究了型殼燒結(jié)行為及其微觀結(jié)構(gòu)變化，如表面粗化、晶粒生長和微孔收縮等，所使用的介觀模型框架能夠解釋熱力學(xué)和界面性質(zhì)以及質(zhì)量傳輸機(jī)制，研究為從微觀結(jié)構(gòu)上探索型殼燒結(jié)工藝提供了參考。

圖8 漿料擠出法制備的Al2O3 型殼及其澆注的鋁合金鑄件Fig.8 Al2O3 casting shell prepared by slurry extrusion process and its Al alloy casting

4.2 影響因素和存在問題

成形材料方面。漿料在擠出時(shí)應(yīng)具有合適的粘度，保證擠出過程流暢，避免擠出絲不均勻和斷絲等問題。漿料應(yīng)具有較高的固相含量以降低燒結(jié)收縮，但過高的固相含量會(huì)導(dǎo)致漿料粘度過高、所需擠出力過大、擠出困難等問題。除此之外，漿料混制和裝載時(shí)的氣泡、漿料擠出時(shí)的液相遷移、擠出絲堆積時(shí)的變形坍塌等問題在漿料擠出法制備型殼過程中也可能出現(xiàn)。

制備工藝方面。擠出停止時(shí)過度擠出（流涎現(xiàn)象）和擠出絲不均勻是擠出過程中的常見問題，前者是因?yàn)閿D出口前端的漿料中存在殘余壓力，后者與擠出驅(qū)動(dòng)方式及材料性質(zhì)有關(guān)，這些問題導(dǎo)致漿料擠出法在制備復(fù)雜形狀型殼時(shí)難以實(shí)現(xiàn)對擠出絲的精確控制。在逐層堆積成形復(fù)雜形狀精鑄型殼時(shí)，一般需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)以免坍塌變形，采用單擠出頭設(shè)備時(shí)，支撐的去除有可能影響型腔表面質(zhì)量，采用雙擠出頭設(shè)備時(shí)，還需要開發(fā)合適的可去除支撐材料，如水溶性材料等。

5 展望和總結(jié)

精鑄型殼的增材制造技術(shù)具有制造柔性好、綜合成本低、個(gè)性化訂制等優(yōu)點(diǎn)，在單件小批量精鑄件的快速生產(chǎn)時(shí)優(yōu)勢明顯。目前精鑄型殼增材制造技術(shù)的發(fā)展仍然存在很大的挑戰(zhàn)，原材料成本高、制備過程復(fù)雜、設(shè)備不夠成熟等因素阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。與傳統(tǒng)精鑄型殼相比，目前大部分增材制造技術(shù)制備的型殼力學(xué)性能和鑄造性能尚不夠理想，表面粗糙度、尺寸精度和形狀精確度也還不能滿足高質(zhì)量鑄件的要求。幾種主要的精鑄型殼增材制造技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)椋?DP法需繼續(xù)研發(fā)新材料和優(yōu)化后處理工藝；SLS法要繼續(xù)開發(fā)專用成形設(shè)備和優(yōu)化工藝參數(shù)；SLA法要進(jìn)一步優(yōu)化高粘度漿料的涂覆和固化工藝；漿料擠出法需要研究新型漿料和開發(fā)精密成形設(shè)備等。精鑄型殼增材制造技術(shù)的未來發(fā)展方向是通過技術(shù)、工藝和設(shè)備的研發(fā)，使型殼具有更高的精度、更光潔的型腔表面、更好的力學(xué)性能和鑄造性能，以滿足快速化、個(gè)性化、多樣化的市場需求。