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清華大學呂志剛教授團隊：點陣結(jié)構(gòu)中空陶瓷型芯的光固化增材制造
專欄：行業(yè)資訊
發(fā)布日期：2022-10-20
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作者：
研究背景 使用陶瓷型芯是熔模鑄造實現(xiàn)鑄件內(nèi)腔中空結(jié)構(gòu)的重要工藝手段之一，復雜陶瓷型芯對于提高熔模鑄件復雜內(nèi)腔鑄造能力具有重要意義。目前陶瓷型芯常采用熱壓注成形方法制備，模具的制造方法對結(jié)構(gòu)的復雜性有所限制。另外，陶瓷型芯脫芯困難是需要解決的重要工藝問題。 光固化陶瓷增材制造技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種陶瓷成形工藝，其技術(shù)原理是將光敏樹脂與陶瓷粉體均勻混合成陶瓷漿料，利用光固化陶瓷增材制造設備成形坯件，再通過脫脂、燒結(jié)得到陶瓷制品。該技術(shù)具有成形精度高，可成形復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，從而應用于熔模鑄造陶瓷型芯、型殼的制備，特別是可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的空心結(jié)構(gòu)型芯，實現(xiàn)性能優(yōu)化和高效脫芯。本文發(fā)揮光固化增材制造工藝特點，設計并制造了中空型芯以提升厚大型芯的工藝性能，壁內(nèi)空腔實現(xiàn)了點陣結(jié)構(gòu)的填充。 內(nèi)容摘要 陶瓷型芯是熔模鑄造的重要工藝手段，型芯性能對于鑄件生產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要影響。厚大的實心型芯在制造過程中常由于其收縮應力積累而產(chǎn)生缺陷。本文利用陶瓷光固化增材制造技術(shù)在生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件方面的優(yōu)勢，設計并制造了由點陣結(jié)構(gòu)填充的中空型芯。采用了有效的精度補償方法以保證坯體精度，燒結(jié)后型芯的尺寸精度和力學性能滿足鑄造工藝要求并經(jīng)過了澆注驗證。由于實現(xiàn)了厚壁型芯的中空結(jié)構(gòu)，鑄件脫芯效率提高了3倍以上。 研究方法和結(jié)果 (1) 通過中空點陣結(jié)構(gòu)避免燒結(jié)開裂 厚壁實心結(jié)構(gòu)的型芯收縮應力大，燒結(jié)時容易開裂，本文設計并制造了具有中空結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯。為了保證型芯的機械性能，通過點陣結(jié)構(gòu)對型芯厚壁內(nèi)腔進行了填充。研究中，首先對中空型芯的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，通過具有不同點陣結(jié)構(gòu)的圓柱形試樣進行單向壓縮試驗，對比不同結(jié)構(gòu)的力學性能，最終選擇了綜合性能優(yōu)異的交錯立方體結(jié)構(gòu)填充型芯厚壁部分，如圖1所示。采用的交錯立方體結(jié)構(gòu)具有33%的相對密度，單元尺寸為4 mm，型芯外壁厚為2 mm。  圖1 點陣結(jié)構(gòu)中空型芯的外部形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu) 采用DLP光固化增材制造技術(shù)制造中空點陣填充陶瓷型芯。陶瓷原料選取熔融石英粉、氧化鋁、硅酸鋯粉體，將其與光敏樹脂攪拌均勻得到光固化陶瓷漿料。而后通過陶瓷光固化增材設備（北京十維科技，AutoCera-L）逐層固化得到坯體，再通過脫脂燒結(jié)獲得最終的陶瓷型芯制品，如圖2所示。具有中空點陣結(jié)構(gòu)的型芯表面無裂紋，表面質(zhì)量好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，在壓蠟模具中定位準確。  圖2 通過陶瓷光固化增材制造工藝實現(xiàn)的點陣結(jié)構(gòu)中空型芯 (2) 通過預補償手段提升成形精度 在DLP面投影光固化成形過程中，光在漿料中的散射會導致成形邊界的誤固化，影響成形精度。本文對所用漿料在不同光強下的固化深度與誤固化寬度進行了測量，對型芯的三維模型進行預補償，如圖3所示。 圖3 誤固化預補償原理 對光固化成形的坯體進行三維掃描，并與原始設計模型進行對比，在預補償前后的尺寸偏差如圖4所示。通過預補償，實現(xiàn)了坯體成形精度的大幅提高。燒結(jié)后的陶瓷型芯滿足鑄造工藝要求。 圖4 預補償前后型芯生坯與原始設計的尺寸偏差： （a）補償前；（b）補償后 (3) 實際澆注驗證 光固化增材制造中空點陣結(jié)構(gòu)陶瓷型芯具有良好的成形精度，表面粗糙度優(yōu)于3.2 μm，強度滿足鑄造要求，熱變形量為0.3 mm。在實際工藝中使用該型芯并進行高溫合金澆注驗證，如圖5所示。X射線檢查結(jié)果表明型芯包芯效果好，無內(nèi)部缺陷，點陣結(jié)構(gòu)成形完整。  圖5 實際澆注驗證過程： （a）型殼與蠟模；（b）X射線檢測結(jié)果；（c）鑄件 將所得鑄件剖開，觀察其內(nèi)腔，并對其表面粗糙度與型芯表面進行對比，如圖6所示。鑄件內(nèi)腔成形完整，表面質(zhì)量符合要求。  圖6 型芯與鑄件內(nèi)腔表面粗糙度檢測 綜上，本文通過陶瓷光固化增材制造工藝獲得了具有點陣結(jié)構(gòu)的中空型芯，克服了厚壁實心型芯的燒結(jié)開裂問題，并通過工藝優(yōu)化保證了成形精度與力學性能。實際工藝流程和鑄件澆注驗證，證明了光固化增材制造陶瓷型芯在熔模鑄造工藝中的適用性。由于型芯厚壁采用中空結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅提高脫芯效率，脫芯時間從超過30 h減少到10 h以內(nèi)。 |
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