基于光敏樹脂的3D打印成型工藝優(yōu)化

張軍前，劉宇

(1.西安航空學院，西安 710077； 2.西安紅慶機械廠，西安 710077)

隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，低能耗、智能化以及個性定制化已成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢，其中3D打印技術作為其中具有代表性的先進制造技術之一[1-2]，其基于離散-堆積的制造思想，將三維模型二維化，按照點-線-面-體的制造順序，根據(jù)二維離散模型的形狀尺寸數(shù)據(jù)逐點、逐線、逐面進行制造累積，從而實現(xiàn)三維模型的立體化增材制造[3-4]。在眾多的3D打印工藝中，立體光固化(SLA)工藝作為出現(xiàn)最早的3D打印工藝之一，與其它3D打印工藝相比，其在打印效率、打印精度以及制件強度方面均有著較為明顯的優(yōu)勢，在保證零件強度和精度的前提下不受零件復雜程度的影響，實現(xiàn)了復雜零部件的“自由制造”[5-7]。

在SLA成型工藝中，成型工藝參數(shù)作為影響其成型質量最為重要的因素，相關學者對其展開了大量的研究：李晶晶等[8]以SLA成型件的力學性能作為衡量指標，研究了成型工藝參數(shù)對其成型質量的影響，得出SLA成型工藝參數(shù)對SLA成型件力學性能的影響及變化規(guī)律；蔣三生[9]和張新聚等[10]研究了SLA成型工藝參數(shù)對光敏樹脂成型件成型質量的影響，得出了在最佳成型強度及精度前提下的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并對其合理性進行了實驗驗證。然而筆者發(fā)現(xiàn)對于SLA成型件的成型精度而言，在實驗中常體現(xiàn)為收縮狀態(tài)，過大的尺寸收縮會在影響成型件成型尺寸精度的同時，還會使成型件出現(xiàn)較為嚴重的變形，從而使成型件的成型質量出現(xiàn)大幅下滑，因此在SLA成型工藝中對于模型尺寸進行修正是非常有必要的，而對于該方面的研究報道相對少見。因此筆者以SLA成型光敏樹脂成型件的收縮率作為衡量指標，研究了工藝參數(shù)對某國產光敏樹脂SLA成型精度的影響；通過控制變量法研究了主要工藝參數(shù)對其成型質量的影響及變化規(guī)律，并經過正交試驗和極差分析的方法確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合，在最優(yōu)條件下進行SLA成型實驗以確定該光敏樹脂的成型尺寸修正系數(shù)，最后使用該系數(shù)對模型X向、Y向和Z向的尺寸進行修正，并進行驗證成型實驗。這對于光敏樹脂的3D打印工藝在成型精度的保證方面提供了一定的理論基礎，對于光敏樹脂3D打印精度的提高具有一定的幫助與指導意義。

1 實驗部分

1．1 主要原材料

SLA專用型光敏樹脂：SZUV-W8001型，上海數(shù)造機電科技股份有限公司。

1．2 主要儀器與設備

SLA快速成型機：SPS500型，陜西恒通智能機器有限公司；

超聲波清洗機：SG3300HE型，杭州億捷科技有限公司；

UV固化機：JY-UV-1500型，東莞市精域環(huán)境測試設備有限公司；

數(shù)顯式游標卡尺：100型，量程為0～150 mm，溫州盛測儀器儀表有限公司。

1．3 實驗過程

(1)實驗方案設計。

首先為了得出各工藝參數(shù)對光敏樹脂SLA成型質量影響的基本規(guī)律，根據(jù)前期基礎性實驗的相關數(shù)據(jù)，得出能夠滿足光敏樹脂基本成型要求的工藝參數(shù)范圍，并對其進行等間距的劃分處理，作為后續(xù)單因素實驗工藝參數(shù)的變化值，具體工藝參數(shù)范圍如表1所示。

表1 實驗工藝參數(shù)范圍表

其次在通過控制變量法得出實驗結果的基礎上，分析得出在相同條件下能夠使SLA成型件質量較好的3個工藝參數(shù)值，將其作為工藝參數(shù)優(yōu)化實驗中的實驗變量；然后通過正交試驗和極差分析，并根據(jù)綜合平衡法原則得出最優(yōu)的成型工藝參數(shù)組合。

最后在最優(yōu)工藝參數(shù)組合的條件下進行SLA成型實驗，通過計算得出成型件在X向、Y向和Z向的成型尺寸收縮修正系數(shù)；通過修正系數(shù)對三維模型修正后進行SLA成型驗證實驗，以驗證實驗結果的準確性。

(2)試樣制備。

在環(huán)境溫度25℃、光斑直徑0.1 mm、輪廓掃描速度1 200 mm/s等基礎參數(shù)不變的條件下，參照GB/T 1043-2008中的相關要求制備尺寸為120 mm×15 mm×10 mm的試樣。同時為了排除其它次要因素對實驗結果的影響，在每組實驗中同時成型3個成型件，以三個成型件實驗結果測量值的均值作為最終的實驗結果[11]；此外為了排除因成型件表面多余光敏樹脂的附著以及固化效果差的原因而造成測量結果誤差較大的現(xiàn)象，首先選擇超聲波清洗機對成型件進行清洗以去除其表面的多余光敏樹脂，其次將清洗好的成型件瀝干水分后放入UV固化機進行后固化，處理時間在15 min左右，以保證實驗結果的準確性。

1．4 實驗結果的表征

(1)成型件收縮率的測量。

以成型件X向、Y向和Z向的尺寸收縮率作為成型質量的衡量指標，其值越接近于0則說明其成型質量更為優(yōu)良；尺寸收縮率的值為負值，當其值為正時表示成型件某方向尺寸大于設計尺寸。其具體的計算方法見式(1)[12-13]。

式中：S——成型件的尺寸收縮率，%；

A0——成型件設計尺寸，mm；

A1——成型件實際尺寸，mm。

(2)模型收縮修正系數(shù)的計算。

模型的成型尺寸收縮修正系數(shù)C計算方法見式(2)[14-15]。

2 結果與討論

在前期基礎性實驗中發(fā)現(xiàn)能夠基本滿足光敏樹脂成型要求的一組工藝參數(shù)組合為：激光功率350 mW，掃描速度5 000 mm/s，分層厚度0.15 mm，因此選擇以此組工藝參數(shù)作為單因素試驗的基礎變量，以分析各工藝參數(shù)變化對成型件成型質量的影響。

2．1 工藝參數(shù)對成型質量的影響

(1)激光功率對成型件收縮率的影響。

激光功率作為SLA工藝中光敏樹脂成型的唯一能量來源，當激光功率過小時，單位時間內光敏樹脂接收的激光能量如不能滿足光敏樹脂固化的基本要求，便會造成成型件各成型層之間發(fā)生嚴重的分層、錯層、翹邊等缺陷，從而使得成型件的成型精度受到極為不利的影響；但當激光功率過大時，過高的激光能量會使得成型件的周圍出現(xiàn)樹脂粘連現(xiàn)象，從而使得成型件的成型精度以及表面質量出現(xiàn)大幅下降。因此在表1的基礎上選定掃描速度和分層厚度分別為5 000 mm/s和0.15 mm，以激光功率值作為實驗變量進行光敏樹脂成型實驗，實驗結果如圖1所示。

圖1 不同激光功率下光敏樹脂的SLA成型精度

從圖1可以看出，在實驗范圍內隨著激光功率的增大，成型件X向和Y向的成型尺寸收縮率不斷減小，成型質量逐漸變好；但成型件的Z向成型尺寸收縮率基本偏向正值，即Z向尺寸并未出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，且尺寸偏差逐漸變大。因此綜合以上現(xiàn)象，可看出當激光功率為300～400 mW時，可兼顧成型件的X向、Y向以及Z向尺寸精度，因此選擇激光功率值分別為300，350，400 mW作為正交試驗中的三個水平變量。

(2)掃描速度對成型件收縮率的影響。

掃描速度決定著SLA成型工藝的成型效率，適當?shù)膾呙杷俣仍诒ＷC成型質量的同時還具有較高的成型效率，但當掃描速度過高時，激光作用在光敏樹脂上的時間過短，從而造成光敏樹脂固化效果下降，造成光敏樹脂“欠固化”，從而導致光敏樹脂成型件成型質量出現(xiàn)較為明顯的下降；但當掃描速度過低時，激光能量的作用時間大幅延長，導致激光能量在一定范圍內出現(xiàn)能量擴散現(xiàn)象，造成光敏樹脂的“過固化”，從而使得SLA成型件出現(xiàn)光敏樹脂粘連現(xiàn)象，導致成型質量變差，尤其在成型件的X向和Y向表現(xiàn)得極為突出。因此在表1的基礎上選定激光功率和分層厚度分別為350 mW和0.15 mm，以掃描速度值作為實驗變量進行光敏樹脂成型實驗，實驗結果如圖2所示。

圖2 不同掃描速度下光敏樹脂的SLA成型精度

從圖2可以看出，在實驗范圍內隨著掃描速度的不斷提高，成型件的X向、Y向以及Z向的尺寸收縮率均從正值逐漸變?yōu)樨撝?，且偏差值逐漸變大；當掃描速度為3 500～6 500 mm/s時各向尺寸收縮率總體上處于相對較小的狀態(tài)，因此選擇掃描速度值分別為3 500，5 000，6 500 mm/s作為正交試驗中的三個水平變量。

(3)分層厚度對成型件收縮率的影響。

分層厚度決定了光敏樹脂SLA成型件的“精細度”，根據(jù)3D打印的基本原理可知越小的分層厚度會使得成型件具有更高的“精細度”[16]，但在實際中發(fā)現(xiàn)當分層厚度過小時，刮板在刮平樹脂的過程中由于推動作用會造成成型層的微小移動，從而影響了光敏樹脂成型件的成型精度；但當分層厚度過大時，由于3D打印工藝的固有屬性，會導致成型件出現(xiàn)嚴重的“臺階效應”，從而使得成型件的成型質量急劇變差。因此在表1的基礎上選定激光功率和掃描速度分別為350 mW和5 000 mm/s，以分層厚度值作為實驗變量進行光敏樹脂成型實驗，實驗結果如圖3所示。

圖3 不同分層厚度下光敏樹脂的SLA成型質量

從圖3可以看出，在實驗范圍內隨著分層厚度的不斷增大，成型件的X向尺寸收縮率并未出現(xiàn)明顯變化，但對于成型件的Y向和Z向尺寸收縮率而言，其值逐漸從正值變向負值，當分層厚度為0.10～0.20 mm時，其成型尺寸收縮率總體上處于相對較小的狀態(tài)，因此選擇分層厚度值分別為0.10，0.15，0.20 mm作為正交試驗中的三個水平變量。

2．2 成型工藝參數(shù)的優(yōu)選

為了得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，選擇正交試驗以及極差分析的方法研究了各工藝參數(shù)對光敏樹脂成型質量的影響程度以及變化規(guī)律，并根據(jù)綜合平衡法的原則確定出了能夠同時滿足X向、Y向以及Z向尺寸精度要求的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。具體的“三因素三水平”正交試驗設計方案如表2所示，結果如表3所示。

表2 “三因素三水平”正交試驗設計方案

從表3可以看出成型件在X向尺寸收縮率變化范圍為-0.25%～-0.02%，Y向尺寸收縮率的變化范圍為-0.75%～0%，Z向尺寸收縮率變化范圍為-1.28%～1.21%。

對上述正交試驗的結果進行極差分析，其中X向、Y向及Z向的尺寸收縮率的極差分析結果分別如表4、表5及表6所示，其中Ki(i=1，2，3)值為同一因素三個水平下的結果之和，該值越接近于0，則證明結果越好。

從表4可以看出，以成型件X向成型尺寸收縮率作為衡量指標時，各工藝參數(shù)對其的影響程度大小為：掃描速度＞分層厚度＞激光功率；最佳的工藝參數(shù)組合為A3B1C2，即激光功率400 mW，掃描速度3 500 mm/s，分層厚度0.15 mm。

表3 正交試驗結果

表4 X向成型尺寸收縮率極差分析

表5 Y向成型尺寸收縮率極差分析

表6 Z向成型尺寸收縮率極差分析

從表5可以看出，以成型件Y向成型尺寸收縮率作為衡量指標時，各工藝參數(shù)對其的影響程度大小為：激光功率＞分層厚度＞掃描速度；其最佳的工藝參數(shù)組合為A2B2C1，即激光功率350 mW，掃描速度5 000 mm/s，分層厚度0.1 mm。

從表6可以看出，以成型件Z向成型尺寸收縮率作為衡量指標時，各工藝參數(shù)對其的影響程度大小為：掃描速度＞激光功率＞分層厚度；其最佳的工藝參數(shù)組合為A2B2C1，即激光功率350 mW，掃描速度5 000 mm/s，分層厚度0.1 mm。

綜合以上分析可知，分別以X向、Y向以及Z向成型尺寸收縮率作為衡量指標時其分別對應的最優(yōu)工藝參數(shù)組合不完全相同，同時還可看出，成型件Z向尺寸偏差多呈現(xiàn)為正值，這是因為Z向尺寸在成型過程中受到能量累積以及添加支撐等SLA固有屬性的影響較為嚴重，因此在后續(xù)進行工藝參數(shù)優(yōu)選中主要將其作為次要參考值進行評判。最后為了獲取能夠同時滿足X向、Y向以及Z向成型質量最優(yōu)時所對應的工藝參數(shù)組合，根據(jù)綜合平衡法原則進行綜合評判[17]：首先就激光功率而言，其對于X向成型尺寸精度的影響程度最小，對于Y向成型尺寸精度的影響程度最大，因此在對激光功率值進行優(yōu)選時，應考慮該值首先滿足Y向尺寸精度最優(yōu)時的需求，進而可知其最優(yōu)值為A2，即激光功率350 mW；其次就掃描速度而言，其對于X向成型尺寸精度的影響程度最大，對Y向成型尺寸精度的影響程度最小，因此在對掃描速度值進行優(yōu)選時，應考慮該值首先滿足X向尺寸精度最優(yōu)時的需求，進而可知其最優(yōu)值為B1，即掃描速度3 500 mm/s；最后對于分層厚度而言，其對于X向和Y向的成型尺寸精度影響程度一致，故同時參考其對于Z向成型尺寸精度的影響，進而可確定其最優(yōu)值應為C1，即分層厚度0.1 mm；進而可知能夠同時滿足X向、Y向以及Z向成型尺寸精度最優(yōu)時所對應的工藝參數(shù)組合為：A2B1C1，即激光功率350 mW，掃描速度度3 500 mm/s，分層厚度0.1 mm。

2．3 尺寸修正系數(shù)的確定

在最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行光敏樹脂SLA成型實驗，可得到成型件的X向、Y向以及Z向的成型尺寸精度分別為-0.092%，-0.19%和0.78%，從而可知在SLA工藝中模型X向、Y向以及Z向的尺寸收縮修正系數(shù)分比為1.001，1.002和0.992。根據(jù)得出的尺寸修正系數(shù)對模型進行修正，在最優(yōu)工藝參數(shù)組合下進行SLA成型驗證試驗，結果表明經過尺寸修正后模型X向、Y向以及Z向的打印尺寸精度分別為-0.01%，-0.11%和0.43%。

3 結論

(1)光敏樹脂SLA成型件的X向和Y向成型尺寸精度主要表現(xiàn)為收縮狀態(tài)，其成型尺寸偏差多為負值，對于Z向尺寸偏差由于受到能量累積以及添加支撐等SLA固有屬性的影響而主要表現(xiàn)為正值。

(2)以成型件X向、Y向和Z成型尺寸收縮率作為衡量指標，其綜合最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合為：激光功率350 mW，掃描速度3 500 mm/s，分層厚度0.1 mm。

(3)在實驗范圍內，光敏樹脂SLA成型件模型的X向、Y向以及Z向的成型尺寸收縮修正系數(shù)分別為1.001，1.002和0.992，對模型經過尺寸修正后進行SLA成型驗證實驗，成型件X向、Y向以及Z向的成型尺寸精度分別為-0.01%，-0.11%和0.43%。