徐 禹

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東廣州 510300）

目前，隨著3D打印技術(shù)的高速發(fā)展，在各應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)出近20種不同的打印技術(shù)，其中應(yīng)用最廣泛、成熟的有：立體光固化（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、疊層實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、三維打印與膠粘（3DP）。在國(guó)內(nèi)，尤其是廣東省首飾業(yè)界，應(yīng)用最為成熟的主要是SLA及FDM兩種打印技術(shù)，分別是通過(guò)樹脂材料光固化及蠟材融積得到首飾模型，進(jìn)而進(jìn)行金屬鑄造得到成品的制作方式。本文重點(diǎn)關(guān)注以美國(guó)3D Systems公司開發(fā)的噴蠟3D打印系統(tǒng)，該打印機(jī)型也是目前廣東省首飾企業(yè)配備應(yīng)用數(shù)量多的。該系統(tǒng)分辨率高達(dá)750×750×1600 DPI，層厚16 μm，每25.4 mm零件尺寸偏差為0.025 mm～0.05 mm，能夠打印高質(zhì)量石蠟材質(zhì)模型，打印效果圖案精細(xì)，表面質(zhì)量光滑，有著非常良好的細(xì)節(jié)和卓越的精確度。其材質(zhì)與脫蠟鑄造中的灌注石蠟?zāi)Ｐ突鞠嗤?，適宜精密鑄造，一般鑄造廠鑄造工藝能夠直接應(yīng)用。

3D Systems公司為了節(jié)省材料成本和提高沉積效率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了雙噴頭。一個(gè)噴頭用于沉積原型材料（深藍(lán)色），一個(gè)噴頭用于沉積支撐材料（白色）。原型材料高分子固態(tài)蠟質(zhì)地細(xì)膩，成本較高，沉積效率較低，而支撐蠟質(zhì)較粗且成本較低，沉積的效率也較高。雙噴頭的優(yōu)點(diǎn)除了沉積過(guò)程中具有較高的沉積效率和降低原型制作成本以外，蠟質(zhì)支撐材料較原型蠟材具有更低的熔融溫度、水溶性和易剝離性。

1 沉積蠟基材料鑄造工藝設(shè)定

VisiJet Hi-Cast高分辨率微鑄造石蠟，是專門為3D Systems公司ProJet CPX 3500系列3D打印機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，具有高標(biāo)準(zhǔn)的性能特征、精度和分辨率的100%石蠟，也是目前業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的蠟基3D打印材料?；瘜W(xué)組成與物理特性與普通首飾鑄造用蠟?zāi)；疽恢?，材料軟化點(diǎn)在52℃～62℃，在加溫受熱至軟化溫度后，材料熔體開始軟化變形加大，70℃后材料開始熔融，105℃～110℃并達(dá)到完全熔融狀態(tài)，并具備脫離空腔所需的流出黏度，其含灰量＜0.05%，所以普通蠟?zāi)５牡蜏乇簾灩に囀峭瑯舆m宜該材料的。這一特質(zhì)決定了其鑄造工藝與普通蠟?zāi)５氖炶T造工藝應(yīng)該在設(shè)計(jì)上基本一致，但是根據(jù)其熔融特性又應(yīng)有所區(qū)別。為了降低珠寶首飾企業(yè)的鑄造成本，降低鑄造廢品率，提高鑄造質(zhì)量，本文在普通石蠟基材質(zhì)的首飾蠟?zāi)ｈT造的工藝制度基礎(chǔ)上，針對(duì)蠟基3D打印材料特性設(shè)計(jì)與之匹配的蠟?zāi)Ｓ『筇幚砉に嚺c焙燒制度。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 蠟?zāi)ｈT前處理

首飾蠟?zāi)拇蛴C(jī)工作臺(tái)面取下后（見圖1），需對(duì)打印完成的模型進(jìn)一步清理。通過(guò)藍(lán)色模型蠟與白色支撐蠟的蠟體分離與清潔兩個(gè)步驟，得到可供鑄造用的模型。支撐分離是通過(guò)一定溫度的溶解液去除白色的支撐蠟體。一般選取磁力攪拌機(jī)，在玻璃容器內(nèi)注入PPG液，并按照1：1比例注入乙醇，溫度設(shè)定為50℃.到達(dá)工作溫度后，開啟攪拌功能略微攪動(dòng)后，白色支撐蠟逐漸溶入溶液中。完成后，將藍(lán)蠟?zāi)Ｐ徒胍掖既軇┣逑春笕〕鲫幐?，圖2為清洗過(guò)程。

圖1 取下蠟?zāi)?

圖2 清洗蠟?zāi)?/p>

2.2 藍(lán)蠟?zāi)Ｐ蜆?/h3>

藍(lán)蠟?zāi)Ｖ苯影惭b水口蠟并上樹。為確保鑄造質(zhì)量，1棵蠟芯上應(yīng)全部安排藍(lán)蠟?zāi)Ｐ汀１匾獣r(shí)也可以混搭普通蠟?zāi)Ｒ徊㈣T造。種樹原則如圖3所示，輕薄件在樹上部及頂部，厚重件在樹下部。蠟樹頂端應(yīng)低于鑄筒口20 mm～25 mm；樹身與鑄筒內(nèi)壁距離不小于5 mm；蠟?zāi)ｉg間隔不小于3 mm；蠟?zāi)Ｅc主干夾角45°；樹干與樹枝連接處圓滑過(guò)渡。

2.3 石膏鑄型制作

圖3 種樹原則示意圖

石膏鑄型完全密封包裹蠟?zāi)?，在制作過(guò)程中通過(guò)合理調(diào)漿配比、經(jīng)過(guò)混料、灌漿、待凝等程序完成鑄型制作。

2.3.1 調(diào)漿

常規(guī)首飾制版用金屬主要為銀與銅合金，熔點(diǎn)低于1 100℃，企業(yè)一般采用中低溫石膏鑄粉制作鑄型；本例中以業(yè)內(nèi)常用的金星K金鑄造粉為例，該鑄粉主要由半水石膏、石英、方石英及添加劑等粉類混合組成。其中石英與添加劑成分保障了石膏鑄型的硬度。該鑄粉成型后的強(qiáng)度較普通鑄粉成型要強(qiáng)、石膏體表面更為細(xì)膩。鑄粉調(diào)漿可采取鑄粉（g）：水（ml）=100：（38～40）的比例。

2.3.2 混料與灌漿

鑄粉與水混合并劇烈攪拌時(shí)鑄漿內(nèi)會(huì)混入空氣，藍(lán)蠟?zāi)Ｔ诏B層打印過(guò)程中形成的表面，較傳統(tǒng)石蠟基模型表面略為粗糙，故而在灌漿過(guò)程中，氣泡易于吸附并停留在其表面，導(dǎo)致鑄造出現(xiàn)多余的金屬顆粒。為盡量消除石膏漿中的多余氣泡，尤其是造型復(fù)雜、壁面較薄、鑲口密集、精度要求高的首飾模型，盡量在全程真空狀態(tài)下進(jìn)行混合攪拌、灌漿制作，以便加速石膏漿中的多余氣體排除。

由于水、粉混合后的固化時(shí)間大約在9 min左右，整體鑄型混料、灌漿、真空除氣泡這三個(gè)工序需要嚴(yán)格控制在9 min內(nèi)全部完成，并盡可能加快灌漿速度，延長(zhǎng)真空除氣環(huán)節(jié)時(shí)間。本案例以企業(yè)鑄造部常用的鑄造抽真空一體機(jī)為主要操作機(jī)型，進(jìn)行開粉工藝制作。開粉與灌漿操作工序如下：

①將水注入攪拌容器內(nèi)；

②一次性快速均勻倒入鑄粉；

③啟動(dòng)攪拌棒（企業(yè)可選用專用攪拌機(jī)，也有采取電動(dòng)鉆配合十字?jǐn)嚢韫鞯氖殖趾?jiǎn)易攪拌機(jī)），鑄漿攪拌3 min；

④鑄漿灌入鑄筒（約1.5 min）.灌漿時(shí)，避免石膏漿直接澆注在蠟樹上，以減少?zèng)_擊力防止蠟?zāi)Ｃ撀?，可沿鑄筒內(nèi)壁注入，使得石膏漿從鑄筒底部開始堆積，直至沒(méi)過(guò)蠟樹頂部20 cm～25 cm即可。

⑤蓋好圓罩，啟動(dòng)抽真空機(jī)，維持抽真空狀態(tài)4 min后停止，抽真空期間應(yīng)仔細(xì)觀察石膏漿的“沸騰”狀態(tài)，手動(dòng)控制真空閥門，避免石膏漿溢出鑄筒，同時(shí)可根據(jù)需要啟動(dòng)振動(dòng)裝置，以幫助石膏漿內(nèi)的空氣排出；

⑥解除灌漿缸內(nèi)真空狀態(tài)，取下圓罩。圖4為灌漿完成。

圖4 灌漿完成

2.3.3 待凝

①鑄筒繼續(xù)停留在真空機(jī)臺(tái)面，10 min后方可移動(dòng)到陰涼處等待石膏凝固，見圖5；

②鑄筒可靜置12 h～48 h，以便通過(guò)自然蒸發(fā)排除鑄型內(nèi)的多余自由水。這種靜置待凝有利于鑄型在初期固化過(guò)程中完成石膏材料的膨脹與硬化，提升鑄型的硬度。若要提高生產(chǎn)效率，最低應(yīng)靜置2 h.

2.4 焙燒

圖5 待凝

焙燒制度的設(shè)定是鑄造工藝設(shè)計(jì)中最重要環(huán)節(jié)。焙燒鑄型的目的在于，通過(guò)焙燒使得石膏鑄型歷經(jīng)自由水及結(jié)晶水兩個(gè)排出階段，最終燒結(jié)石膏得到具備足夠強(qiáng)度的鑄型體；在焙燒時(shí)蠟?zāi)?huì)經(jīng)歷熔融流出以及殘留灰分燒失兩個(gè)階段，最終去除蠟質(zhì)模型，制成可供澆鑄用的鑄型空腔；同時(shí)通過(guò)焙燒控制鑄型達(dá)到合適的鑄造溫度，使得鑄型在達(dá)到適合溫度后即可進(jìn)入澆鑄工序。

一般的烘焙過(guò)程是：鑄型蒸汽脫蠟后，首先將電阻爐預(yù)熱到起始溫度，將石膏模水口向下放入爐中，以便使蠟液流出蒸發(fā)；在起始溫區(qū)恒溫1 h后，再以1 h～2 h的間隔逐步升/降溫和恒溫。注意升溫（或降溫）速度應(yīng)該保持在100℃/h～200℃/h，否則升溫過(guò)快容易形成石膏模的裂紋，嚴(yán)重的可能造成石膏模損壞或報(bào)廢，升溫過(guò)慢又容易造成遺蠟或石膏模干燥不徹底，影響鑄件的質(zhì)量。石膏模的烘焙時(shí)間主要取決于金樹的大小和復(fù)雜程度，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

考慮到3D打印藍(lán)模其化學(xué)與物理特性與普通首飾鑄造用蠟?zāi)；疽恢?，本例中焙燒制度為：①刪除蒸汽脫蠟程序；②采取敞門除水法（見圖6）；③延長(zhǎng)恒溫時(shí)段；④高溫階段加強(qiáng)空氣流通。通過(guò)改良4個(gè)工序環(huán)節(jié)，提升鑄件表面質(zhì)量的工藝設(shè)計(jì)，并制定了具體的焙燒制度，見表1及圖7.

表1 鑄造石膏模焙燒工藝及參數(shù)

圖6 敞門除水

圖7 熔融沉積成型蠟基材質(zhì)3D打印首飾模型鑄造焙燒曲線

2.5 鑄造

達(dá)到設(shè)定的澆鑄溫度并保溫1 h后，以負(fù)壓澆鑄法進(jìn)行鑄造。鑄造完畢后自然冷卻約15 min后，采取淬水爆粉處理。直接將鑄型完全浸入室溫的水中（也可在水中加入冰塊，將水溫降低至冰點(diǎn)附近效果更佳），利用急劇的熱脹冷縮，在石膏體粉碎后取出鑄件。

3 結(jié)論

本文對(duì)基于熔融沉積成型蠟基材質(zhì)為主要材質(zhì)，對(duì)業(yè)內(nèi)常用的VisiJet Hi-Cast高分辨率3D打印鑄造實(shí)蠟的精密鑄造工藝做出了一定程度的研究。在普通蠟?zāi)Ｊ炶T造基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鑄造工藝優(yōu)化設(shè)置，得到了一套符合其材料特性的鑄造程序：

1）刪除蒸汽脫蠟程序，避免蒸汽侵入石膏體，造成自由水增多。

2）采取敞門除水法，在低溫焙燒階段，加速了自由水的蒸發(fā)逃逸，有利于得到更堅(jiān)固的石膏鑄體，有利于延長(zhǎng)電阻絲壽命。

3）優(yōu)化設(shè)計(jì)了鑄型焙燒工藝參數(shù)，在焙燒設(shè)定的2、4保溫平臺(tái)基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了保溫時(shí)間（表1），目的在于確保鑄型外部與內(nèi)腔的溫度達(dá)到一致，消除后期升入高溫階段前鑄型的溫差。有利于下一步的升溫狀態(tài)下鑄型的溫度一致。

4）增加高溫階段30 min空氣輸送，加強(qiáng)爐內(nèi)空氣流通，有利于鑄型內(nèi)腔蠟質(zhì)模型的灰分消除。

5）增加730℃保溫階段30 min空氣輸送，利用鑄型內(nèi)外溫差逐漸降低的優(yōu)勢(shì)階段，徹底清除余碳，確保鑄造質(zhì)量。

6）增加到達(dá)鑄造溫度后保持1 h的恒溫狀態(tài)環(huán)節(jié)，利于鑄型散熱并拉平鑄型內(nèi)外溫差。

通過(guò)改進(jìn)后的鑄造工藝，得到的鑄件完整，鑄件表面平整，砂眼較少。說(shuō)明該鑄造工藝尤其是焙燒制度，是適宜基于熔融沉積成型蠟基材質(zhì)的3D打印首飾模型的高質(zhì)量鑄造要求的。