立體光刻快速成型的模型布置分析及優(yōu)化

王琛 于嘉浩 蔣玉婷

摘 要：本文介紹了立體光刻快速成型技術(shù)的工作原理及工藝過程，通過具體實例探索模型布置規(guī)律，總結(jié)模型布置原則，對節(jié)省支撐材料、提高打印效率具有參考價值。

關(guān)鍵詞：立體光刻;快速成型;模型布置

立體光刻成型技術(shù)作為目前快速成型領(lǐng)域中最成熟的技術(shù)，以其精準(zhǔn)的尺寸、優(yōu)良的質(zhì)量被廣泛應(yīng)用于航空工程、機械制造、產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域。[1]立體光刻成型技術(shù)是基于光敏樹脂的光聚合原理而工作的，其缺點為材料成本高昂。因此，從模型布置角度探索節(jié)約支撐材料、提高打印效率的方法具有重要意義。

1 立體光刻快速成型

1.1 工作原理

立體光刻快速成型技術(shù)使用的材料為光敏樹脂和石蠟，光敏樹脂為成型材料，石蠟為支撐材料。[2]光敏樹脂由于其材料的特性，在一定強度和波長的紫外光照射下可以從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。紫外光束的移動軌跡受成型數(shù)據(jù)的控制，在光敏樹脂表面進行掃描，實現(xiàn)逐點固化。[3]完成當(dāng)前成型面的掃描后，打印頭上升固定高度重復(fù)上述過程，直到成型件完成。

1.2 工藝過程

立體光刻快速成型的工藝過程如下：

（1）載入模型。立體光刻快速成型機的控制軟件需要載入STL模型。[4]因此，參數(shù)化軟件中建立的模型必須轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式。為了保證成型精度和表面質(zhì)量，轉(zhuǎn)換過程中需要根據(jù)不同軟件設(shè)置恰當(dāng)?shù)年P(guān)鍵參數(shù)，避免環(huán)邊、破面等問題的出現(xiàn)。[5]

（2）模型布置。模型布置即在控制軟件中操作，對載入的STL模型進行空間排布。模型布置的好壞直接影響打印時間和支撐用材。因此，模型布置必需參考模型布置原則，探索最優(yōu)方案，實現(xiàn)打印過程的優(yōu)化。

（3）打印模型。打印模型前需要等待材料融化，檢查打印平臺是否處于水平面。一切就緒后，計算機將成型數(shù)據(jù)傳送給快速成型機，模型打印開始。打印過程中，成型材料從不同探頭同步噴射，需要保證探頭內(nèi)部的流通，避免設(shè)備損壞。[6]

（4）后處理工藝。后處理工藝將光敏樹脂和石蠟進行分離。首先，將模型放入冰柜中冷卻，使模型完全固化。然后，把模型放入烘箱中加熱，除去表面大部分石蠟。最后，通過油浴進一步除去表面及凹槽處的石蠟。后處理工藝需要控制好溫度和時間，在徹底分離石蠟的同時避免模型受熱變形。

2 模型布置分析

在立體光刻快速成型的工藝過程中，模型布置直接影響打印時間和材料用量。本研究使用的是projet-5000快速成型機，設(shè)計100mm*50mm*10mm的長方體試件。通過多個實驗分析，總結(jié)模型布置規(guī)律如下：

2.1 模型數(shù)量與打印時間的關(guān)系

以長方體試件為例，在打印平臺里排列一個長方體試件的打印時間與排列多個長方體試件的打印時間相同。由此可知，同一成型平面內(nèi)，模型數(shù)量對打印時間的影響很小。為了提高打印效率，在打印平臺內(nèi)應(yīng)盡可能多地排布模型。

2.2 成型高度與打印時間的關(guān)系

以長方體試件為例，調(diào)整長方體試件的成型高度，即長方體試件與打印平臺間的夾角（從90°到0°）。隨著長方體試件與打印平臺間夾角度數(shù)的減小，打印時間變短。因此，在打印模型時，應(yīng)盡量減少成型高度，增大支撐面的投影面積，使打印時間大大縮短。

2.3 成型高度與支撐用材的關(guān)系

以長方體試件為例，將長方體試件與打印平臺的夾角逐漸減小（從90°到0°），即成型高度逐漸降低。長方體試件處于懸空狀態(tài)，為了防止變形，需要在打印平臺和試件之間的空間里增加支撐結(jié)構(gòu)。支撐材料的用量由打印平臺和試件間相夾空間的體積決定，成型角度減小的過程中，相夾空間的體積逐漸減小，支撐材料的用量隨之變小。為了節(jié)省支撐材料，可以減少模型與成型平臺的夾角，即減少成型高度，增大支撐面的投影面積。因此，對同一模型而言，成型角度越小，成型高度越低，支撐材料用量越小。

3 模型布置優(yōu)化

根據(jù)模型布置分析，優(yōu)化模型布置的原則總結(jié)如下：

第一，立體光刻快速成型的同一成型平面內(nèi)，模型布置的數(shù)量對打印時間的影響很小，在布置模型時應(yīng)該充分利用打印平臺的空間，盡可能多地排布模型，這樣既可以提高成型效率，又能節(jié)省打印時間。

第二，空間模型布置時應(yīng)考慮打印時間及支撐用材兩個因素，應(yīng)盡量減小成型高度，增大支撐面的投影面積，在減少打印時間的同時節(jié)省支撐用材，使打印過程更加合理。

4 結(jié)語

立體光刻作為一種出現(xiàn)最早、技術(shù)成熟的快速成型技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。為了優(yōu)化打印過程，本文對立體光刻快速成型工藝進行了分析，通過具體實例對比，探索了模型布置規(guī)律，總結(jié)了模型布置原則，對該工藝的推廣應(yīng)用具有參考和啟發(fā)作用。

參考文獻：

[1] 王琛，于嘉浩，陸紅紅，蔣雨婷.基于快速成型技術(shù)的中國古典家具模型制作工藝研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.

[2] 郁舒蘭，施佳露，于娜，吳成.交互式老年人手指握力康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計[J].家具，2019，41（2）：84-88.

[3] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發(fā)平均生產(chǎn)周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[4] 王子軒，吳智慧.辦公環(huán)境中建筑與家具的文化體現(xiàn)[J].家具，2019，41（2）：41-45.

[5] 周季純，吳燕.圈椅的起源與發(fā)展[J].家具，2019，41（2）：62-65.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內(nèi)有害揮發(fā)物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院實驗師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計工程。