基于支撐強(qiáng)度可控的數(shù)字光處理三維打印工藝優(yōu)化技術(shù)

周 鑫，戴 寧，李大偉，孫登廣，王金強(qiáng)，程筱勝

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院航空宇航制造工程系，江蘇 南京 210016)

1 問(wèn)題的提出

數(shù)字光處理(Digital Light Process, DLP)三維打印技術(shù)是利用數(shù)字光投影設(shè)備投射紫外光掩碼對(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行選擇性固化的一種快速成型技術(shù)[1-2]。該技術(shù)固化過(guò)程中一次曝光可同時(shí)固化一層，從而提高了成型速度。隨著新材料的不斷出現(xiàn)，光固化快速成型可以制造具有各種不同屬性的零件模型，如高彈性、高透光率、生物相容等，在工業(yè)原型制造、航空航天、數(shù)字化醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3-7]。但是在DLP三維打印過(guò)程中，底板和支撐的去除會(huì)對(duì)零件表面質(zhì)量造成損壞(如圖1)，制約了DLP光固化三維打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光固化三維打印技術(shù)，為提高打印零件尺寸精度和表面質(zhì)量，在圖像處理、工藝方法、材料等方面進(jìn)行了大量的研究。Zhou等[8-9]采用圖像優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)控制像素點(diǎn)的灰度值改變掩碼上的光照強(qiáng)度，提高了制造模型XY方向的精度和表面質(zhì)量；Xu等[10]采用切片圖像多次曝光的方法減小了成型制件的變型程度；賈紅帥[11]對(duì)DLP三維打印過(guò)程中投影圖像畸變校正技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)不同的畸變來(lái)源分別對(duì)圖像校正、輻照度均勻化、投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究。Pan等[12]采用彎液面平衡法制造出具有光滑的上表面的模型，此方法能夠明顯減小向上凸起曲面的臺(tái)階效應(yīng)；Tumbleston等[13]提出一種連續(xù)液體界面成型的光固化制造方法，該方法的關(guān)鍵是在固化的實(shí)體部分和液槽底部之間形成透氧的“死區(qū)”，該區(qū)域的樹(shù)脂不會(huì)固化，通過(guò)上拉已固化的實(shí)體，“死區(qū)”之間的液體會(huì)被不斷補(bǔ)充上來(lái)。連續(xù)制造的方式不僅可以提高打印速度，還可以消除臺(tái)階效應(yīng)獲得光滑的表面。在支撐工藝研究方面，3D SYSTEMS[14]等商業(yè)公司采用多噴頭打印(multiJet printing)技術(shù)將液態(tài)光敏樹(shù)脂噴射到構(gòu)建平臺(tái)上，利用UV紫外光進(jìn)行固化，在成型過(guò)程中使用不同類型的光敏樹(shù)脂材料，一種用來(lái)生成實(shí)際的零件模型，另一種容易去除的材料用來(lái)生成支撐，通過(guò)加熱融化或在溶劑中浸泡來(lái)去除支撐材料，可獲得較好的零件表面質(zhì)量，但這種技術(shù)在制造過(guò)程中要采用全支撐的方式，需要消耗大量支撐材料，且設(shè)備和材料都十分昂貴；洪軍等[15]研究了光固化快速成型中零件非水平下表面的支撐設(shè)計(jì)規(guī)則，提出了針對(duì)非水平下表面的支撐的結(jié)構(gòu)形式、布局及支撐間距等參數(shù)的確定方法，這類方法能夠減小支撐對(duì)零件模型的非水平下表面質(zhì)量的影響；Zhang等[16]等提出一種能確定三維打印方向的感知模型，該模型利用大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，綜合考慮支撐區(qū)域、視覺(jué)特征、首選視點(diǎn)和光滑度4個(gè)屬性，從而避免在重要特征區(qū)域出現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)，保證在支撐去除后對(duì)模型在感官上造成最小影響；但是目前針對(duì)DLP光固化三維打印支撐去除問(wèn)題的工藝優(yōu)化研究相對(duì)較少。

本文針對(duì)下沉式DLP三維打印制造工藝過(guò)程中，制件模型的支撐去除后對(duì)支撐面產(chǎn)生破壞而引起表面缺損的問(wèn)題，通過(guò)控制軟件對(duì)零件部分和支撐部分設(shè)置不同的曝光時(shí)間，即在保證支撐部分具有一定支撐強(qiáng)度的前提下減少曝光時(shí)間，在僅用一種材料的條件下實(shí)現(xiàn)打印制件強(qiáng)度的差異控制。去除支撐過(guò)程中，曝光時(shí)間短的支撐材料強(qiáng)度小，很容易去除，在與零件分離的部位不會(huì)使模型表面產(chǎn)生破損，從而可以提高零件的表面質(zhì)量。

2 基于支撐強(qiáng)度可控的DLP三維打印工藝優(yōu)化理論分析

2.1 模型力學(xué)分析

在下沉式DLP三維打印(如圖2)過(guò)程中，已固化模型沉浸在液態(tài)光敏樹(shù)脂中，當(dāng)前層打印結(jié)束后，托板下降一個(gè)層厚距離，在刮板將液面刮平后投影設(shè)備曝光固化下一層。固化模型受到向上的浮力F浮和向下的重力G以及支撐力F的共同作用(如圖3)，其受力平衡方程如式(1)所示。

F+G+F浮=0。

(1)

由于固化模型的密度與液態(tài)光敏樹(shù)脂的密度相差不超過(guò)15%[17]，則支撐結(jié)構(gòu)所承受的力F小于模型重量的15%，因此可以適當(dāng)降低支撐模型的強(qiáng)度。

2.2 固化深度分析

光固化工藝所使用的材料為液態(tài)的光敏樹(shù)脂，主要由聚合物、稀釋劑、光引發(fā)劑以及顏料等組成。當(dāng)光敏樹(shù)脂受到特定波長(zhǎng)的光線照射時(shí),光引發(fā)劑吸收特定頻率的光能量，產(chǎn)生引發(fā)固化反應(yīng)的自由基或陽(yáng)離子，使單體和活性齊聚物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而生成高分子固化物。隨著光在樹(shù)脂中投射的深度增加，光強(qiáng)減弱，其吸收光的能量遵循Beer_Lamber定律[18]：

I=I0e-εcd。

(2)

式中:I為距離入射點(diǎn)為d處的光強(qiáng)，I0為入射光強(qiáng)，ε為摩爾吸光系數(shù)，c為光敏樹(shù)脂中引發(fā)劑的濃度。將式(2)中的光強(qiáng)用曝光量E代換得：

E=E0e-εcd。

(3)

式中:E為距離入射點(diǎn)為d處的曝光量，E0為初始曝光量。光敏樹(shù)脂固化時(shí)曝光量必須大于某一特定值，該特定值稱為臨界曝光量Ec，不同的樹(shù)脂具有不同的臨界曝光量，當(dāng)樹(shù)脂固化達(dá)到一定深度時(shí)，曝光量低于臨界曝光量，樹(shù)脂固化深度不再增加，此時(shí)樹(shù)脂固化厚度

(4)

在光固化打印過(guò)程中需要保證打印層厚度h小于樹(shù)脂在設(shè)定時(shí)間下的固化深度dmax，這樣才能使相鄰兩層粘結(jié)在一起，否則相鄰兩層會(huì)因粘結(jié)不牢而產(chǎn)生分離。h

2.3 建立固化強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型

隨著曝光時(shí)間的增長(zhǎng)，光敏樹(shù)脂吸收的光能增加，導(dǎo)致光引發(fā)劑的反應(yīng)活性增強(qiáng)，樹(shù)脂的固化率提高，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為緊密，因此制件的強(qiáng)度增大，反之亦然[19]。Evans[20-21]提出了光敏樹(shù)脂材料固化后的彈性模量Y與曝光量E0和曝光時(shí)間t的關(guān)系：

(5)

式中:Ymax為指樹(shù)脂完全固化后的楊氏模量，Ec為樹(shù)脂臨界曝光量，α、β為樹(shù)脂的無(wú)量綱常數(shù)，且β與Ec成正比。從式中可以看到，樹(shù)脂的彈性模量不僅取決于材料本身的屬性，還受到曝光強(qiáng)度和時(shí)間的影響。為了探究曝光時(shí)間對(duì)制件抗拉強(qiáng)度的影響，本文設(shè)定打印層厚為0.1 mm，參考式(5)提出針對(duì)基于DLP成型工藝打印制件強(qiáng)度方程：

(6)

式中:σmax為光敏樹(shù)脂最大抗拉強(qiáng)度，E為投影設(shè)備光照度，t為曝光時(shí)間，α、β是樹(shù)脂的無(wú)量綱常數(shù)。

3 固化強(qiáng)度模型標(biāo)定

3.1 材料標(biāo)定準(zhǔn)備

本文采用的光敏樹(shù)脂為Formlab公司的標(biāo)準(zhǔn)白色樹(shù)脂，其感光波段為405 nm。掩碼投射裝置采用紫外數(shù)字光投影儀，其核心部件為TI公司的數(shù)字微鏡裝置，該芯片上集成了大約100萬(wàn)個(gè)可單獨(dú)控制翻轉(zhuǎn)的微鏡，翻轉(zhuǎn)頻率能夠達(dá)到2 880 HZ，相鄰像素間距約為7.6 um，因此可以提供快速、精細(xì)的掩碼圖像。投影設(shè)備采用405 nm波長(zhǎng)的LED紫光燈作為光源，額定功率為600 mw，整體DLP三維打印設(shè)備實(shí)物如圖5所示。

3.2 拉伸試件設(shè)計(jì)

拉伸試驗(yàn)采用上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司的萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(如圖6)。光敏樹(shù)脂制件屬于脆性材料，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)力集中非常敏感。國(guó)家及ISO等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制件在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)斷裂位置在標(biāo)距外的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，標(biāo)距是指在拉伸試件中間部分標(biāo)定的兩條平行線之間的距離。為了提高試驗(yàn)的成功率與準(zhǔn)確度，并考慮到現(xiàn)有打印設(shè)備所能制造的制件尺寸，設(shè)計(jì)如圖7所示的拉伸試件，試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明試件設(shè)計(jì)合理可靠。

3.3 固化強(qiáng)度方程標(biāo)定

本試驗(yàn)探究打印層厚為0.1 mm、環(huán)境溫度15 ℃、試件姿態(tài)為豎直高度最大方向擺放的條件下，不同曝光時(shí)間t對(duì)固化試件的抗拉強(qiáng)度及彈性模量的影響。圖8是制件抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨曝光時(shí)間的變化折線圖。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨著曝光時(shí)間的增加，試件抗拉強(qiáng)度和彈性模量也逐漸增強(qiáng)且增強(qiáng)趨勢(shì)變緩。

將試驗(yàn)結(jié)果與式(6)進(jìn)行擬合，在平均方差為0.398的情況下，得到抗拉強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系式：

σ(t)h=0.1=42.72×(1-e-0.421(1.1t-1))

(1-e-0.434t)。

(7)

圖9為擬合方程曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比圖。從圖中曲線趨勢(shì)可知，樹(shù)脂抗拉強(qiáng)度σmax約為42.72 MPa,并且曝光時(shí)間t需大于某值才能保證樹(shù)脂開(kāi)始固化，這種現(xiàn)象與樹(shù)脂材料參數(shù)、臨界曝光量理論相吻合，說(shuō)明擬合結(jié)果與實(shí)際情況相符。

4 支撐強(qiáng)度可控的DLP三維打印工藝優(yōu)化

通過(guò)支撐強(qiáng)度差異控制的方法優(yōu)化DLP三維打印制件表面質(zhì)量。首先確定零件部分和支撐部分的曝光時(shí)間。根據(jù)材料的固化后強(qiáng)度與曝光時(shí)間的關(guān)系曲線可以觀察到，材料固化強(qiáng)度隨曝光時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)，但增加的趨勢(shì)變緩，最終強(qiáng)度趨近于材料的最大強(qiáng)度σmax。光固化打印零件的零件模型可以在制作完成后進(jìn)行二次曝光強(qiáng)化，因此在三維打印過(guò)程中不必一次性固化到材料最大強(qiáng)度(這樣做會(huì)極大地延長(zhǎng)三維打印的時(shí)間并且會(huì)增加對(duì)材料的光污染)。零件部分的首次固化強(qiáng)度要達(dá)到材料最大強(qiáng)度的80%以上，支撐強(qiáng)度達(dá)到零件強(qiáng)度的60%～80%之間，保證其具有支撐能力并且與零件部分有明顯的強(qiáng)度差異。再根據(jù)抗拉強(qiáng)度方程式(7)分別計(jì)算不同部分的曝光時(shí)間，設(shè)定支撐部分曝光時(shí)間為t1，零件模型曝光時(shí)間為t2。綜合考慮制造效率和實(shí)際情況，本文中零件部分曝光時(shí)間t2=6 s，支撐部分曝光時(shí)間t1=3.5 s，最終兩者強(qiáng)度差為12.5 MPa。

然后輸入零件模型和支撐模型的三維離散數(shù)據(jù)(如STL文件)，以絕對(duì)坐標(biāo)Z=0為底，將零件模型按照層厚為h進(jìn)行切片處理，生成圖片序列M={M0,M1,M2,…},支撐模型部分切片生成圖片序列S={S0,S1,S2,…}，零件和支撐模型切片結(jié)果示意圖如圖10所示。

再將切片數(shù)據(jù)、曝光時(shí)間以及層厚等參數(shù)輸入打印控制軟件，通過(guò)軟件控制曝光掩碼序列并向下位機(jī)發(fā)送控制指令。在第n層曝光之前對(duì)模型切片Mn進(jìn)行判斷，若判斷結(jié)果為0，說(shuō)明第n層切片中模型切片圖像為空，否則說(shuō)明第n層切片中包含模型切片圖像；采用同樣的判斷方式對(duì)第n層支撐切片Sn進(jìn)行判斷。因?yàn)槊繉悠毓猱?huà)面至少包含零件模型切片和支撐模型切片中的一種，所以根據(jù)Mn、Sn的判斷結(jié)果會(huì)有3種情況：①當(dāng)前切片中只包含支撐切片，則只曝光Sn圖像，曝光時(shí)間為t1；②當(dāng)前切片中只包含零件模型切片圖像，則只曝光Mn圖像，曝光時(shí)間為t2；③切片中既包括Mn又包括Sn，為節(jié)省制造時(shí)間，先將Mn+Sn圖像曝光t1，然后再將Mn圖像曝光t2-t1。當(dāng)前層曝光結(jié)束后，平臺(tái)下移一個(gè)層厚距離，刮板將樹(shù)脂液面刮平，繼續(xù)曝光下一層，直到打印制造出完整模型。光固化三維打印控制流程如圖11所示。

最后將打印完成的支撐強(qiáng)度與零件強(qiáng)度不同的模型從打印平臺(tái)上取出，去除支撐后進(jìn)行二次曝光強(qiáng)化，根據(jù)零件表面質(zhì)量要求進(jìn)行打磨、上色等處理操作。

5 試驗(yàn)結(jié)果

將對(duì)模型和支撐部分采用不同的曝光時(shí)間，控制支撐與零件強(qiáng)度差異，進(jìn)而提高零件支撐面表面質(zhì)量。表1為采用本文所提的優(yōu)化工藝和未采用工藝優(yōu)化的制造參數(shù)及去除支撐時(shí)間對(duì)比，圖12為零件模型去除支撐后表面質(zhì)量的對(duì)比結(jié)果，圖中，A為對(duì)照組B為采用本文工藝優(yōu)化方法結(jié)果。未采用工藝優(yōu)化的制件在去除支撐過(guò)程中，由于支撐強(qiáng)度和零件強(qiáng)度相同，很容易造成凹陷或者初步去除支撐后殘余支撐較多，并且去除大面積支撐時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用強(qiáng)度差異控制的工藝優(yōu)化方法進(jìn)行三維打印的零件，支撐容易被去除，并且對(duì)零件模型表面損傷更小，去除支撐所用時(shí)間更短。

表1 不同零件打印參數(shù)和去支撐所用時(shí)間

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)下沉式DLP三維打印工藝，建立了固化強(qiáng)度模型，將力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與固化強(qiáng)度方程進(jìn)行擬合得到了較為精準(zhǔn)的固化強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，為制件強(qiáng)度差異控制提供了理論依據(jù)；基于制件固化強(qiáng)度理論模型，提出了軟件控制掩碼序列曝光時(shí)間的方法，實(shí)現(xiàn)了打印制件的零件部分與支撐部分強(qiáng)度差異控制，并進(jìn)行了去除支撐對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在優(yōu)化零件去除支撐后表面質(zhì)量的可行性。本文工藝優(yōu)化方法仍有不足之處，例如并未對(duì)其他光敏材料數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和探究曝光強(qiáng)度差異對(duì)材料成形強(qiáng)度影響的材料學(xué)機(jī)理，今后將結(jié)合材料、支撐結(jié)構(gòu)與制造工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高DLP三維打印制件的尺寸精度和表面質(zhì)量。