光固化增材制造精密铸造型壳技术研究

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传统熔模精密铸件质量好、精度高,但是制备型壳的成本高、生产周期长,很难适应现代小批量、定制化、快速生产模式。数字光处理(Digital Light Processing,DLP)技术作为一种新的成型方法,有着速度快、精度高,能够成型复杂形状零件的优势。利用光固化技术制备型壳时需要在光敏树脂中加入足量的陶瓷粉末颗粒,这种混合浆料的流变性能改变使得常规光固化设备很难实现正常成型,型壳还需要烧结工艺才能产生良好的力学性能,因此对成型过程及设备的要求更加严格。基于上述原因,本文提出并设计可以成型高固相陶瓷浆料的DLP光固化型壳制备方案及其相应的试验用装置。首先对陶瓷浆料的流动性和成型后试样的性能进行了研究。在降低浆料粘度的试验中发现,丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)对高固含量浆料的改性效果最好,其浆料粘度对比添加其它分散剂的显著下降。添加量为粉体质量的4wt%时,浆料粘度和稳定性最佳。此外还研究了氧化铝陶瓷粉末级配的影响,结果显示当60wt%的10μm粒径+10wt%的5μm粒径+30wt%的3μm粒径的氧化铝陶瓷粉末进行级配时,浆料优化效果最好,粘度从未级配的7100 mPa·s降低至级配后的3100 mPa·s,烧结成型后试样的抗弯强度增大到7.2 MPa,收缩率在12%左右,主要原因是级配减小了粉体之间的间隙,增大了烧结连接的面积,使试样弯曲强度更大、收缩率更小。根据上述陶瓷浆料的研究提出了高粘度陶瓷浆料光固化设备的整体设计思路。采用DLP上置式和双缸成型作为整个装置的主体结构,选用了刮刀铺料、自动进料和浆料防漏等工艺方案,解决了设备整体布局、工作流程等问题。最后,采用PLC控制运动,编写合理的PLC程序实现了设备运动的控制,各个机构可以稳定精确的按照设计方案工作运动,设备有自动循环和手动调节两种工作方式,拥有多种基本功能。调试设备和光源参数,成功验证了装置100μm的精度,并用40vol%以上的固含量浆料成型出了多种试样,最终实现了设备的功能要求。
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