基于響應(yīng)面法SLA光敏樹脂3D打印工藝策略

郭小鋒，王坦，崔陸軍，谷明輝

(中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，鄭州 450000)

3D打印技術(shù)是一種基于計算機(jī)科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展起來的一體化成型技術(shù)，相對于傳統(tǒng)機(jī)械加工的“減材制造”技術(shù)而言，其又被稱為增材制造技術(shù)[1–2]。它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料、金屬粉末、樹脂或漿料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造實(shí)體的技術(shù)[3–5]。目前，3D打印類型有立體光固化成型(SLA)、熔融沉積成型(FDM)、數(shù)字光處理(DLP)、選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)等，而SLA以成型精度高、打印幅面較大、能夠打印細(xì)節(jié)復(fù)雜的零件等特點(diǎn)獲得最為廣泛的應(yīng)用[6–9]。目前，SLA成型材料主要為液態(tài)的光敏樹脂，其主要成分包括齊聚物、光引發(fā)劑、活性單體。SLA技術(shù)是一種通過高速掃描振鏡控制紫外光束對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行逐層固化的3D打印技術(shù)，光敏樹脂在紫外光的照射下發(fā)生聚合反應(yīng)，經(jīng)過不斷堆疊累積，最終完成零件的打印成型[10–12]。

在SLA 3D打印裝備的研發(fā)過程中，研究者發(fā)現(xiàn)激光功率、掃描速度、掃描間距等打印工藝參數(shù)對成型試件的性能具有重要的影響。張軍前等[13]以成型件的收縮率為評價指標(biāo)，研究了工藝參數(shù)對某國產(chǎn)光敏樹脂SLA成型精度的影響，通過正交試驗(yàn)和極差分析確定了最優(yōu)參數(shù)組合。李晶晶等[14]探究了打印層厚、掃描速度、填充線距及后固化時間等工藝參數(shù)對SLA成型質(zhì)量的影響，得出了各工藝參數(shù)對試件力學(xué)性能的影響及變化規(guī)律。蔣三生[15]研究了激光功率、光斑直徑、切片厚度和掃描速度等工藝參數(shù)對SLA 3D成型試件質(zhì)量的影響，得出了最佳成型精度下的工藝組合。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的研究主要側(cè)重于工藝參數(shù)對打印精度或試件強(qiáng)度的影響。而事實(shí)上，工藝參數(shù)對打印模型的打印精度、強(qiáng)度及時間效率存在著耦合的影響關(guān)系；此外，增材制造中存在的普遍問題是打印成型中需要耗費(fèi)太多的時間，通過對SLA 3D打印過程的分析研究發(fā)現(xiàn)，在一些應(yīng)用場景下，用戶希望在滿足打印精度和強(qiáng)度的前提下，打印時間越短越好。因此，僅以打印質(zhì)量為評價目標(biāo)的工藝策略研究不能滿足這一需要，而綜合考慮打印精度、試件強(qiáng)度和打印效率三個評價指標(biāo)，研究工藝參數(shù)對它們的影響規(guī)律，進(jìn)而制定智能的成型工藝具有重要的意義。

針對這些問題，筆者首先分析了影響SLA打印精度、強(qiáng)度和效率的工藝參數(shù)；利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計方法建立二次回歸模型。采用方差分析對所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，討論了輸入變量和輸出響應(yīng)之間的關(guān)系，以及輸入變量之間的相互作用[16–17]。最后，通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析開發(fā)了適應(yīng)于SLA 3D打印的智能工藝策略包。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

SLA工業(yè)應(yīng)用光敏樹脂材料：SK-810A，材料顏色為乳白色，密度為1.09 g/cm3(25℃)，黏度為350 mPa·s (28℃)，中山精合電子材料有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

SLA 3D打 印 機(jī)：SLA-600型，打 印 幅 面為600 mm×600 mm，全固態(tài)紫外激光器，波長355 nm；

電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)：WAW-600C型，長春新試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；

Dino-Lite顯微鏡：上海巴拓儀器有限公司。

1.3 測試件設(shè)計

力學(xué)性能測試件設(shè)計：為了便于后期進(jìn)行拉伸性能測定，根據(jù)GB/T 1040.2–2006設(shè)計拉伸試件的形狀和尺寸；

精度測試件設(shè)計：設(shè)計了一個標(biāo)準(zhǔn)中空正方體，設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)是為了減小打印殘余應(yīng)力對零件翹曲變形的影響。

測試件的設(shè)計形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 測試件的形狀和尺寸

1.4 試驗(yàn)方法

利用響應(yīng)面分析軟件Design-Expert，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計原理，以激光功率(以設(shè)備最大激光功率的百分?jǐn)?shù)表示)、掃描速度、掃描間距作為輸入變量，成型誤差、拉伸強(qiáng)度、打印時間作為響應(yīng)值，設(shè)計了三因素三水平試驗(yàn)。采用逐步回歸法對擬合出的二次回歸模型進(jìn)行方差分析，利用等高線圖、3D響應(yīng)圖，分析各變量相互間對輸出響應(yīng)值的影響，采用滿意度函數(shù)求得較優(yōu)化工藝參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化。

1.5 性能測試與表征

(1)成型誤差測量。

在打印完成后，從基板上取下試件放入超聲波清洗機(jī)中清洗表面多余的樹脂，利用Dino-Lite顯微鏡測量精度測試件X和Y方向的尺寸。激光掃描路徑采用層間垂直掃描，這樣X方向和Y方向誤差相差不大，在精度測試件不同位置分別測量5組，取平均值作為實(shí)際成型誤差。

(2)拉伸強(qiáng)度測試。

將試件在電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，每組工藝參數(shù)拉伸5個試件，剔除不合理數(shù)據(jù)，取平均值作為實(shí)際拉伸強(qiáng)度，加載速度為0.05 mm/s。

(3)打印時間統(tǒng)計。

利用SLA 3D打印機(jī)的打印軟件自動計時功能，記錄每組工藝參數(shù)下的打印時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

首先在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立合理的工藝參數(shù)水平編碼表，再利用Design-Expert軟件中Box-Behnken試驗(yàn)方法得到科學(xué)的設(shè)計方案，共17組工藝參數(shù)組合，其中5組中心點(diǎn)重復(fù)組用于評估試驗(yàn)誤差，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計方案分別對每組工藝參數(shù)進(jìn)行上機(jī)試驗(yàn)，保證每組試驗(yàn)在環(huán)境溫度26℃、濕度40%以下進(jìn)行。各工藝參數(shù)和編碼級別見表1，Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計方案和試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 各工藝參數(shù)水平編碼表

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計方案和試驗(yàn)結(jié)果

2.2 成型誤差

通過對精度測試件進(jìn)行測量和計算，得出成型誤差。采用逐步回歸法，進(jìn)行F檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。圖2為激光功率和掃描速度對成型誤差的交互影響。表3中模型整體方差分析表明，p值遠(yuǎn)小于0.000 1，說明模型是成立的，有統(tǒng)計學(xué)意義。分析得到模型決定系數(shù)(R2)為0.980 5，調(diào)整決定系數(shù)(R2adj)為0.965 4，說明響應(yīng)值的變化96.54%來源于所選因素。模型失擬項(xiàng)F值為0.3，p值大于0.05，說明模型擬合良好，無需再引入更多項(xiàng)。預(yù)測決定系數(shù)(R2pred)為0.946 9，表明模型對新響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測效果出色。信噪比(S/N)值為26.875，通常希望該值大于4，說明模型的充分性和合理性。因此，擬合出的模型具有足夠高的精確度，能夠準(zhǔn)確地反映試驗(yàn)結(jié)果，式(1)的二次回歸方程能夠作為數(shù)據(jù)擬合的統(tǒng)計模型對后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測分析。

表3 成型誤差的方差分析

圖2 激光功率與掃描速度對成型誤差的交互作用影響圖

根據(jù)表3中各因素F值大小可知，對成型誤差影響等級為B＞B2＞A＞A2＞C＞BC＞AB，掃描速度對成型誤差的影響最顯著。由于激光功率和掃描速度是決定最大固化深度和最大固化寬度的主要因素，而最大固化深度和最大固化寬度是影響SLA成型試件尺寸精度和表面質(zhì)量的重要參數(shù)，故主要討論激光功率和掃描速度對成型誤差的交互影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)激光功率一定時，掃描速度對成型誤差的影響先減少后增加，其原因?yàn)楫?dāng)激光功率一定時，掃描速度越大光敏樹脂在單位時間內(nèi)吸收的激光能量越少，不能滿足固化的基本要求，試件相鄰層之間會產(chǎn)生嚴(yán)重的錯層、斷層等缺陷；當(dāng)掃描速度過小時，激光作用在光敏樹脂上的時間過長，造成固化區(qū)域周圍發(fā)生過固化現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象都會影響試件的成型誤差。

2.3 拉伸強(qiáng)度

通過拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)得到各工藝參數(shù)組合下的拉伸強(qiáng)度，對拉伸強(qiáng)度進(jìn)行F檢驗(yàn)，主要結(jié)果見表4，二次回歸方程見式(2)。根據(jù)表4中各因素F值大小可知，對拉伸強(qiáng)度影響等級為C＞B＞A＞A2＞C2＞AB，掃描間距對成型誤差的影響最顯著。在同一掃描區(qū)域內(nèi)，掃描間距越大，激光掃描線越稀疏，會造成掃描線內(nèi)部間隙殘余樹脂不完全固化現(xiàn)象；掃描間距過小時，相鄰掃描線之間的過固化區(qū)域增大，出現(xiàn)已固化的樹脂再次固化現(xiàn)象。因此，掃描間距對拉伸強(qiáng)度的影響較為顯著。拉伸強(qiáng)度=63.43–7.09A–10.13B–10.92C–6.05AB–

表4 拉伸強(qiáng)度的方差分析主要結(jié)果

圖3 為激光功率和掃描速度對拉伸強(qiáng)度交互作用影響圖。由圖3可以看出，當(dāng)掃描速度一定時，激光功率對拉伸強(qiáng)度的影響先增加后減少，其原因?yàn)楫?dāng)掃描速度一定時，激光功率過大，固化層吸收激光能量過多，易發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致試件發(fā)生翹曲變形；激光功率過小時，光敏樹脂在單位時間內(nèi)吸收的激光能量不能滿足固化的基本要求，試件相鄰層之間會產(chǎn)生嚴(yán)重的錯層、斷層等缺陷，造成應(yīng)力集中，都會影響試件的拉伸強(qiáng)度。

圖3 激光功率與掃描速度對拉伸強(qiáng)度交互作用影響圖

2.4 打印時間

通過SLA 3D打印軟件的自動計時功能，記錄每組工藝參數(shù)下試件的打印時間。對打印時間進(jìn)行F檢驗(yàn)，主要結(jié)果見表5，二次回歸方程見式(3)。

表5 打印時間的方差分析主要結(jié)果

打印時間=189.89–10.37B–7.38C+3.00BC+

根據(jù)表5中各因素F值大小可知，對打印時間影響等級為B＞C＞B2＞BC＞C2，掃描速度對打印時間的影響最顯著。圖4為掃描間距和掃描速度對拉伸強(qiáng)度交互作用影響圖。由圖4可以看出，當(dāng)掃描速度一定時，掃描間距越大對打印時間的影響越大。其原因是掃描速度一定時，掃描間距越大，試件所需的掃描時間越少，所用的總體打印時間也就越小。激光功率對打印時間影響不顯著，說明激光功率對打印時間幾乎沒有影響。

圖4 掃描速度與掃描間距對打印時間交互作用影響圖

2.5 工藝策略

在Design-Expert軟件中使用優(yōu)化器，即滿意度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分別以成型誤差、拉伸強(qiáng)度、打印時間為衡量指標(biāo)，通過給各個變量和響應(yīng)值不同的權(quán)重和界限，得到最佳工藝推薦表。將優(yōu)先考慮打印質(zhì)量的工藝策略定義為質(zhì)量模式，將優(yōu)先考慮時間效率的工藝策略定義為速度模式，將均衡考慮打印質(zhì)量和時間效率的工藝策略定義為均衡模式。以質(zhì)量模式為例，優(yōu)先考慮成型誤差和拉伸強(qiáng)度，由于機(jī)器本身存在系統(tǒng)誤差，一般認(rèn)為成型誤差在0.15 mm以內(nèi)為較優(yōu)；拉伸強(qiáng)度則根據(jù)光敏樹脂的不同，參考試驗(yàn)結(jié)果而確定，由此指定的各變量和響應(yīng)值不同的權(quán)重及界限見表6。

表6 各變量和響應(yīng)值不同的權(quán)重和界限表

在Design-expert軟件Optimization模塊中設(shè)置完成各個變量和響應(yīng)值的權(quán)重和界限后，使用優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化計算，從而得到質(zhì)量模式的工藝參數(shù)復(fù)合合意函數(shù)推薦表，見表7 (Design-Expert優(yōu)化器給出36組質(zhì)量模式的工藝參數(shù)，表7僅取6組為例)。

表7 質(zhì)量模式的工藝參數(shù)復(fù)合合意函數(shù)推薦表

對于速度模式和均衡模式的優(yōu)化過程與質(zhì)量模式優(yōu)化方法一致，只需改變各個變量和響應(yīng)值不同的權(quán)重和界限，故不再論述。綜合各個模式的工藝參數(shù)復(fù)合合意函數(shù)推薦表，得到質(zhì)量模式、速度模式、均衡模式下工藝策略推薦范圍見表8。

表8 工藝策略推薦范圍表

為了驗(yàn)證模型預(yù)測值與實(shí)際試驗(yàn)值之間的相關(guān)性，檢驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化模型的可靠性，在最佳工藝參數(shù)范圍中，三種模式分別選取5組進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，速度模式下的誤差為3.5%，質(zhì)量模式下的誤差為6.3%，均衡模式下的誤差為8.6%，誤差都較小，表明二次回歸模型可靠性較好。因此，面對不同的工藝策略，優(yōu)化計算相對應(yīng)的工藝參數(shù)范圍，對于提高SLA 3D打印生產(chǎn)效率具有重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

(1)通過對SLA 3D成型工藝參數(shù)的研究，以成型精度、試件拉伸強(qiáng)度和打印時間為評價指標(biāo)，研究的工藝策略及方法可以幫助使用者快速便捷地制定打印工藝，滿足不同的應(yīng)用場景需求。

(2)采用Box-Behnken設(shè)計方法設(shè)計了SLA 3D打印成型工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與分析表明了工藝參數(shù)對SLA 3D打印試件質(zhì)量和打印效率密切相關(guān)。掃描速度是影響成型誤差和打印時間的最重要因素，掃描間距是影響試件拉伸強(qiáng)度的最重要因素，激光功率對打印時間幾乎沒有影響。

(3)分別對建立的二次回歸模型進(jìn)行優(yōu)化分析，建立不同模式下的工藝策略，使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)測值和實(shí)際值誤差均在8.6%以下，說明響應(yīng)面優(yōu)化效果很好。