對(duì)連續(xù)光固化面成型工藝參數(shù)與成型精度的關(guān)系研究

陳偉強(qiáng)

1. 江西理工大學(xué) 江西 南昌 330013；2. 中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室 福建 福州 350108

引言

區(qū)別于傳統(tǒng)的SLA工藝，連續(xù)面成型過(guò)程的工藝參數(shù)優(yōu)化無(wú)法直接參考SLA工藝的研究結(jié)果，需要在對(duì)連續(xù)面成型工藝過(guò)程進(jìn)行具體研究后，根據(jù)分析結(jié)果具體篩選影響制件成型精度的主要因素，再通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 成型精度影響因素分析

連續(xù)面成型的實(shí)際成型過(guò)程包括：①已固化樹(shù)脂形成的制件隨著成型平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，與樹(shù)脂槽底部成型區(qū)域形成空隙；②四周的樹(shù)脂迅速流入，填補(bǔ)成型區(qū)域；③光源連續(xù)投影制件截面的特征圖像，光敏樹(shù)脂接收到的能量逐漸累積，新補(bǔ)充至成型區(qū)域的樹(shù)脂發(fā)生固化。該過(guò)程在制件成型過(guò)程中不斷重復(fù)，直至整個(gè)制件的成型完成。在樹(shù)脂固化的同時(shí)打印臺(tái)沿Z向連續(xù)運(yùn)動(dòng)，成型區(qū)域出現(xiàn)短暫的樹(shù)脂缺失現(xiàn)象，需要四周的樹(shù)脂補(bǔ)充。對(duì)于本文中所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由于存在液體高度差，四周的樹(shù)脂會(huì)在壓力差的作用下向成型區(qū)域流動(dòng)。

根據(jù)之前對(duì)樹(shù)脂流平過(guò)程的分析，可以發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂的流平速度受到流動(dòng)過(guò)程中損失的壓力降ΔP、待流平區(qū)域大小以及樹(shù)脂本身流動(dòng)特性的影響，而與樹(shù)脂上下表面接觸到的固體界面的粗糙度無(wú)關(guān)[1]。

因?yàn)閷?shù)脂從四周流平到中心成型位置的過(guò)程視作為管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程，且為非圓管的層流流動(dòng)，因此需要計(jì)算該過(guò)程的等效水力直徑，有：

式中：A ─ 樹(shù)脂流經(jīng)的截面積/mm2；p ─ 流體接觸的固體周邊長(zhǎng)度/mm；h─ 樹(shù)脂流經(jīng)區(qū)域厚度/mm；b─ 樹(shù)脂流經(jīng)區(qū)域?qū)挾?mm。

根據(jù)管內(nèi)流動(dòng)公式，考慮流動(dòng)過(guò)程的對(duì)稱性，計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中的平均流動(dòng)速度：

根據(jù)Beer-Lambert定理，有：

公式（5）說(shuō)明隨著樹(shù)脂與光源間距離的不斷增大，該層樹(shù)脂所能接收到的能量也在逐漸減小。如圖3所示，考慮樹(shù)脂的填充時(shí)間，為保證最終成型件無(wú)表面缺陷，對(duì)于樹(shù)脂完全填充成型區(qū)域前接收的能量以及該層移動(dòng)至不再接收照射能量前的總能量需要滿足以下的邊界條件：

樹(shù)脂在完成成型區(qū)域的填充前保持液態(tài)狀態(tài)，即此時(shí)所吸收的能量小于樹(shù)脂的臨界曝光量，

在懋功，一些地主窖藏了不少歷年積存的糧食，他們逃走時(shí)這些藏糧是無(wú)法帶走的，因此各地蘇維埃政府能協(xié)助紅軍籌集到相當(dāng)數(shù)量的糧食。根據(jù)當(dāng)年新橋大壩口蘇維埃的成員余七爸回憶，僅大壩口這樣一個(gè)小村子，籌到的糧食就在1萬(wàn)斤左右。① 《紅軍長(zhǎng)征過(guò)懋功》，《中共阿壩州黨史研究資料》第12期，1986年8月內(nèi)部版，第54頁(yè)。另外，紅軍接管了國(guó)民黨在懋功的倉(cāng)庫(kù)存糧。當(dāng)時(shí)，在縣城禹王宮有一存糧倉(cāng)庫(kù)，名為“濟(jì)倉(cāng)”，存糧在20萬(wàn)斤左右。

在該層遠(yuǎn)離光源照射區(qū)域不再吸收能量繼續(xù)固化前，該層樹(shù)脂完成固化，因而有

根據(jù)分析可知，為了保證光固化連續(xù)成型的制件精度，需要嚴(yán)格控制成型過(guò)程中的曝光強(qiáng)度與打印速度。因此，本章將通過(guò)設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)，研究曝光強(qiáng)度、打印速度與制件成型精度間的具體關(guān)系。

2 工藝參數(shù)對(duì)連續(xù)成型制件精度的影響

根據(jù)對(duì)連續(xù)面成型過(guò)程的分析，可知在連續(xù)成型過(guò)程中，曝光強(qiáng)度與打印速度是主要影響制件成型精度的工藝參數(shù)，因此本節(jié)針對(duì)曝光強(qiáng)度與打印速度設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)，研究這兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)制件成型精度的影響。

2.1 打印速度對(duì)成型精度的影響

為了研究在實(shí)際的成型過(guò)程中打印速度與樹(shù)脂固化厚度之間的具體關(guān)系，利用已知固化特性的樹(shù)脂制作H型懸臂件。其懸臂部分能夠良好反映在不受限制的情況下采用不同打印速度制件的固化厚度，可用于測(cè)試不同打印速度設(shè)置下樹(shù)脂的實(shí)際固化厚度與設(shè)計(jì)厚度間的關(guān)系。

為了較為準(zhǔn)確的分析打印速度對(duì)制件固化厚度的影響，設(shè)置5個(gè)組別的實(shí)驗(yàn)，各分組實(shí)驗(yàn)環(huán)境相同，均采用曝光強(qiáng)度相同、打印速度改變的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?shí)驗(yàn)具體包括五組不同曝光強(qiáng)度（10～18mW/cm2），各組中打印速度均按照0.02mm/s的間隔從0.09mm/s增長(zhǎng)至0.17mm/s。使用千分尺測(cè)量H制件的固化厚度，測(cè)量精度為0.001mm。將測(cè)量值根據(jù)分組排列。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算相同參數(shù)下各測(cè)試件懸臂中心位置的平均固化厚度，按照組別依次繪制打印速度-固化厚度關(guān)系圖。

根據(jù)關(guān)系圖觀察得到制件的固化厚度隨著打印速度的改變，呈現(xiàn)一種近似線性的關(guān)系。對(duì)不同打印速度下固化厚度與曝光強(qiáng)度的關(guān)系作線性擬合，可得到隨著打印速度由0.09mm/s增大至0.17mm/s，曝光強(qiáng)度-固化厚度曲線的斜率由分別為0.0161、0.011、0.0096、0.0083、0.0092，整體呈現(xiàn)一種下降趨勢(shì)，即隨著打印速度的增大，相同曝光強(qiáng)度下光敏樹(shù)脂固化厚度的增長(zhǎng)率呈一個(gè)逐漸減小的趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步研究成型過(guò)程中打印速度與制件固化厚度的關(guān)系，根據(jù)假設(shè)成型中單位厚度樹(shù)脂所接收的能量即光敏樹(shù)脂接收能量總和與打印速度成反比，則在相同的條件下，光敏樹(shù)脂單位厚度所接收的能量相同。根據(jù)前期防粘控制的研究結(jié)果，測(cè)量時(shí)6組不同打印速度下H型制件懸臂中心位置處的固化厚度。

隨著速度的增加，光敏樹(shù)脂吸收相同曝光量后固化厚度逐漸減小，這意味著隨著速度的增加，固化指定成型厚度所需的能量隨之增加。因此在實(shí)際的固化過(guò)程中，需要引入與打印速度相關(guān)的比例系數(shù)Cv，用以相應(yīng)增大固化時(shí)所使用光源的曝光強(qiáng)度，來(lái)獲得與設(shè)計(jì)尺寸一致的固化厚度。

2.2 曝光強(qiáng)度對(duì)成型精度的影響

光固化反應(yīng)中只有當(dāng)光敏樹(shù)脂吸收的曝光量超過(guò)臨界值，即滿足時(shí)才能發(fā)生固化，因此曝光強(qiáng)度的設(shè)置將直接影響制件的固化。

若曝光強(qiáng)度太低，固化所需時(shí)間長(zhǎng)，制件固化程度低。在成型平臺(tái)快速移動(dòng)過(guò)程中，制件吸收到的曝光量低，導(dǎo)致光敏樹(shù)脂未能發(fā)生固化或固化程度低，制件邊緣存在大量缺陷，成型制件尺寸小于原設(shè)計(jì)尺寸，出現(xiàn)“分層”甚至部分邊緣缺失的現(xiàn)象；若曝光強(qiáng)度過(guò)大，制件吸收曝光量增加，則會(huì)導(dǎo)致制件與樹(shù)脂槽底部防黏膜之間的分離力驟增，導(dǎo)致打印失敗。

根據(jù)前期大量實(shí)驗(yàn)，可以得出曝光強(qiáng)度是影響制件XY平面的精度的主要工藝參數(shù)，為了研究不同曝光強(qiáng)度與XY平面內(nèi)成型精度的具體關(guān)系，以及成型不同截面形狀時(shí)制件的精度變化，分別采用0.15mm/s、0.17mm/s以及0.19mm/s的打印速度，打印截面形狀為長(zhǎng)方體、回字形、圓柱、圓環(huán)的制件。根據(jù)前文的研究，成型過(guò)程中的曝光強(qiáng)度范圍設(shè)置為6～18mW/cm2之間，按照打印速度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

為了排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的隨機(jī)誤差以及測(cè)量過(guò)程中的人為誤差，采用相同工藝參數(shù)制作多個(gè)制件，中空制件由于千分尺無(wú)法夾持，因此采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，精度為0.01mm。

將測(cè)得的不同截面形狀的制件的具體尺寸按照打印速度的不同分為3組，繪制曝光強(qiáng)度-成型尺寸關(guān)系圖。隨著曝光強(qiáng)度的增加，不同截面形狀的制件的尺寸都有明顯增加，更接近設(shè)計(jì)尺寸，但相同的打印速度、曝光強(qiáng)度下，不同截面形狀的制件的變化趨勢(shì)之間仍存在明顯差異，為了較為準(zhǔn)確地研究不同截面形狀對(duì)成型精度的影響，將計(jì)算所得的各制件的精度誤差百分比按照截面形狀分組，以曝光強(qiáng)度為自變量，繪制曝光強(qiáng)度-成型制件尺寸誤差關(guān)系圖。對(duì)于不同截面形狀的制件，其固化后的尺寸誤差都隨著曝光強(qiáng)度的增大而逐漸減小，在曝光強(qiáng)度的設(shè)置值達(dá)到14～18mW/cm2時(shí)，各打印速度下制件的線尺寸誤差均降至7%左右[2]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同截面形狀制件的收縮都會(huì)隨曝光強(qiáng)度的增大而逐漸減小，在增大曝光強(qiáng)度的設(shè)置值至14～18mW/cm2時(shí)，各截面形狀制件的尺寸誤差均降至5%上下，由此可推斷在一定范圍內(nèi)增大曝光強(qiáng)度能有效降低制件固化后實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差。但若繼續(xù)增大曝光強(qiáng)度，隨著曝光量的增大，制件與樹(shù)脂槽底部的防黏膜之間的分離力也會(huì)急遽增大，導(dǎo)致打印的失敗。因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所使用的樹(shù)脂材料，為了進(jìn)一步減小制件在XY平面內(nèi)實(shí)際成型尺寸與設(shè)計(jì)尺寸之間的誤差，需要對(duì)制件在XY平面內(nèi)的尺寸進(jìn)行補(bǔ)償。

采用優(yōu)化的曝光強(qiáng)度與打印速度打印出的制件的Z向精度的尺寸誤差已經(jīng)減小至0.6%以下，可以良好匹配制件的理論分層厚度，達(dá)到較高的Z向分辨率，從而保證制件細(xì)節(jié)特征的完整。

在針對(duì)提高制件Z向精度而對(duì)曝光強(qiáng)度與打印速度進(jìn)行優(yōu)化后，根據(jù)前文對(duì)制件XY平面精度的分析，需要通過(guò)補(bǔ)償以減小制件在截面內(nèi)的精度誤差。為了確定制件的補(bǔ)償規(guī)律，使用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的打印參數(shù)制作不同截面形狀零件。通過(guò)測(cè)量各打印參數(shù)下制件的實(shí)際尺寸，計(jì)算制件在該參數(shù)下與理論尺寸間的誤差，獲取補(bǔ)償制件XY平面精度的具體參數(shù)。

通過(guò)分析連續(xù)面成型過(guò)程可知，制件打印過(guò)程中，因?yàn)楣庠匆恢北３珠_(kāi)啟，光敏樹(shù)脂隨著平臺(tái)上升由四周向成型區(qū)域補(bǔ)充時(shí)也一直在接收紫外光能量，因此制件截面內(nèi)中心區(qū)域與四周接收的能量大小有所差異，而基于Z向精度優(yōu)化的打印參數(shù)為了保證制件的實(shí)際固化厚度與理論值一致，并未將四周邊緣位置的樹(shù)脂固化過(guò)程考慮在內(nèi)。

因此，為了補(bǔ)償因?yàn)槠毓饬吭跇?shù)脂補(bǔ)充過(guò)程中的差異導(dǎo)致的制件尺寸偏小，采用較大曝光強(qiáng)度的打印參數(shù)組合，根據(jù)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在基于Z向精度優(yōu)化的工藝參數(shù)中，選取曝光強(qiáng)度設(shè)置為18mW/cm2，打印速度為0.25mm/s時(shí)，對(duì)制件的XY尺寸也進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，并根據(jù)工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)中空制件與實(shí)體制件的截面分別采用5%與7%的誤差補(bǔ)償。

基于制件Z向精度，根據(jù)推導(dǎo)公式計(jì)算分層厚度為25.4μm時(shí)，使用打印速度為0.25mm/s，曝光強(qiáng)度為18mW/cm2打印制件，并按照成型工藝實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，對(duì)該打印參數(shù)下實(shí)體制件與中空制件的XY平面精度分別進(jìn)行7%與5%的尺寸補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)對(duì)制件各截面的尺寸補(bǔ)償，各制件最終的打印尺寸與理論尺寸間的誤差均被降低至1%以下，實(shí)體制件的誤差則在0.2%左右[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文首先通過(guò)對(duì)成型過(guò)程的分析，列出影響制件成型精度的主要工藝參數(shù)；然后利用搭建的光固化連續(xù)面成型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究工藝參數(shù)與制件在XY平面內(nèi)及Z方向精度的關(guān)系；最終通過(guò)平衡各工藝參數(shù)對(duì)成型精度的影響，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，提高制件的成型精度。