光固化3D打印成型工藝參數(shù)對樣條性能的影響

盧依婷 杜鑫 段悅 李松 黃宇剛,2*

(1.湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院,湖南 株洲,412007；2.先進包裝材料研發(fā)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,湖南 株洲,412007)

立體平版印刷(SLA)打印技術(shù)是以光敏樹脂為原料,通過微機控制,經(jīng)紫外光照射,液體光敏樹脂逐層疊加固化成型,最終制造出模型制件[1]。利用SLA打印技術(shù)制作一些成型困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密制件時,不同的打印工藝參數(shù)對制件的性能影響不同[2]。

Zhang Z C等[3]研究了SLA打印技術(shù)在不同打印層厚下制件的尺寸精度,發(fā)現(xiàn)制件尺寸精度隨著層厚的減小而增加。Kaze mi M等[4]通過光固化3D打印層厚、打印方向和固化后時間參數(shù)建立了拉伸強度經(jīng)驗方程,使用回歸分析法以有效參數(shù)的形式對工藝過程進行優(yōu)化,使拉伸強度最大化。以下通過對SLA成型工藝探索,研究影響樣條性能的打印工藝參數(shù),為打印高質(zhì)量SLA成型制品提供參考。

1 試驗部分

1.1 主要原料與儀器設(shè)備

光敏樹脂,JS-UV-2015-T,深圳市金石三維打印科技有限公司；無水乙醇,分析純,天津市致遠化學(xué)試劑有限公司。

3D打印機,JS6000-H,深圳市金石三維打印科技有限公司；萬能試驗機,CMT-6104,深圳三思檢測技術(shù)有限公司；游標卡尺,LT-MT518,勒塔實業(yè)(上海)有限公司。

1.2 打印樣條

標準樣條的設(shè)計尺寸:長度150.00 mm,寬度10.00 mm,厚度4.00 mm。參數(shù)設(shè)置:流平時間3 s,掃描線距0.08 mm,支撐、填充和輪廓的掃描速度分別為3 000,5 000,4 000 mm/s,固化深度0.24 mm,刮平速度55 mm/s。

不同打印方向下的樣條示意如圖1所示。樣條用3D打印機分3個方向打印:方向1是將樣條水平放置打印平臺上,樹脂逐層疊加累積為樣條的厚度；方向2是將樣條側(cè)向放置打印平臺上,樹脂逐層疊加累積為樣條的寬度；方向3是將樣條垂直放置打印平臺上,樹脂逐層疊加累積為樣條的長度。打印層厚設(shè)置為0.05～0.20 mm。

1.3 分析與測試

制件成型的缺陷及誤差分析:觀察成型制件的外觀透明度差異,分析原因；使用游標卡尺測量制件的尺寸,記錄制件設(shè)計尺寸與成品尺寸的誤差,并對誤差進行分析。

拉伸強度按照GB/T 1040.3—2006測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印層厚對樣條拉伸強度影響

圖2是不同層厚樣條的拉伸強度。由圖2可知,隨著打印層厚增加,樣條的拉伸強度呈下降趨勢。打印相同方向的樣條:層厚最小(0.05 mm)時,樣條的拉伸強度最大；層厚最大(0.20 mm)時,樣條的拉伸強度最小。原因是樹脂的固化分為層內(nèi)固化和層間固化,打印層內(nèi)主要是由紫外光的中心固化斑點固化樹脂而成,打印層間主要是由激光輻射固化樹脂累積而成。因此,層厚越小,打印層內(nèi)固化樹脂所占含量越多,中心照射光斑的數(shù)量越多,所體現(xiàn)出的力學(xué)性能較好；層厚越大,打印層間累積的固化樹脂所占含量越多,輻射光斑數(shù)量越多,所體現(xiàn)出的力學(xué)性能較差。

2.2 打印方向?qū)訔l拉伸強度影響

不同層厚下,比較不同打印方向樣條的拉伸強度,如表1所示。

由表1和圖2可知,在相同層厚下,打印方向1、方向2的樣條拉伸強度均大于打印方向3。打印方向1、方向2的樣條拉伸強度與打印方向3的樣條拉伸強度差先減小后增大,且以層厚0.14 mm為分界點,此時打印方向1、方向2的樣條拉伸強度比打印方向3分別大0.8,3.6 MPa；層厚為0.20 mm時,打印方向1、方向2的樣條拉伸強度比打印方向3分別大7.3,9.3 MPa。因為打印方向3的樹脂逐層疊加累積方向與拉伸方向的夾角為0°或180°,在拉伸過程中樣條受力部分主要為打印層間的結(jié)合處,打印層自身無法提供力,所以拉伸強度受限。而打印方向1、方向2的樹脂逐層疊加累積方向與拉伸方向成90°夾角,在拉伸過程中樣條受力部分主要為打印層,因此打印層的固化程度對制件的拉伸性能有較大影響。

表1 不同打印方向下樣條的拉伸強度變化情況

由表1還可以看出,層厚為0.05,0.08,0.11 mm時,打印方向1的樣條拉伸強度比打印方向2分別大3.5,3.8,1.1 MPa。拉伸強度有區(qū)別是因為:層厚較小時,層數(shù)較多,打印層間紫外輻射區(qū)固化樹脂所占含量大,由于打印層間主要是輻射光斑固化成型,所以對打印方向1的拉伸強度影響比方向2小。另外,支撐頂端與樣條之間有0.10 mm左右可以嵌入,起到一定程度增強作用。打印方向1單位橫截面上支撐嵌入樣條的數(shù)量大于打印方向2,而且打印高度小于打印方向2,所以支撐頂端對打印方向1的影響大于打印方向2,進而使打印方向1的樣條拉伸強度大于打印方向2。打印層厚越小,打印層數(shù)越多,支撐頂端嵌入樣條越牢固,對拉伸強度影響越明顯。因此,支撐頂端嵌入對打印層厚小且接觸面積大的樣條拉伸強度具有較大影響。層厚為0.14,0.17,0.20 mm時,打印方向2的樣條拉伸強度比打印方向1分別大2.8,1.7,2.0 MPa。綜上所述,打印方向?qū)訔l拉伸強度有較大影響。

2.3 樣條尺寸分析

測量樣條在不同打印方向和不同層厚下的實際尺寸,如表2所示。根據(jù)實際尺寸計算不同打印方向下樣條寬度、厚度、長度的尺寸偏差率,結(jié)果如圖3所示。

表2 不同打印方向和不同層厚下樣條的實際尺寸 mm

由表2和圖3(a)可知,打印方向1的樣條寬度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要小(-1.80%～-0.60%),厚度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要大(5.50%～21.00%),長度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要大(0.87%～3.95%)。

由表2和圖3(b)可知,打印方向2的樣條寬度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要大(2.40%～11.00%),厚度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要小(-5.00%～-3.00%),長度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要大(0.83%～3.68%)。

由表2和圖3(c)可知,打印方向3的樣條的寬度、厚度打印尺寸都比設(shè)計尺寸要小(-2.40%～-0.20%,-5.00%～-1.50%),長度打印尺寸均比設(shè)計尺寸要大(0.88%～2.57%)。

樣條尺寸偏小的原因是光敏樹脂在液態(tài)下,經(jīng)過紫外光照射會產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng),使得光敏樹脂由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài),出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。尺寸偏大的原因是不同方向的樣條平放在打印平臺上,與打印平臺接觸的截面由于支撐會有部分鑲嵌在樣條內(nèi)部,增加了樣條與打印平臺接觸面方向的尺寸。

2.4 樣條透明度分析

圖4是打印方向3的樣條(層厚0.20 mm)表面結(jié)構(gòu)示意。從圖4可以看出,樣條左側(cè)透明度好,右側(cè)透明度差且顏色發(fā)白。造成的原因如圖5所示。

樣條左側(cè)透明部分的長度剛好與打印方向2樣條的寬度一致。在完成打印方向2的樣條之前,打印機同時打印2個或3個方向的樣條,此時刮刀沿Y軸運動的軌跡長,來回所需要的時間久。樹脂有足夠的流平時間,分布也更加均勻。

完成方向1和方向2的樣條打印后,打印方向3的樣條時,刮刀僅在方向3樣條的周圍運動,樹脂流平時間減少。在樹脂沒有充分流平時,由于刮刀的運動,層面上的樹脂被刮在打印面周圍,緊接著在激光的作用下樹脂開始固化,所以打印方向3樣條右側(cè)的透明度差。

3 結(jié)論

a) 隨著打印層厚增加,樣條的拉伸強度下降。

b) 樣條的拉伸強度呈現(xiàn)顯著的各向異性,在相同層厚下,垂直方向放置的樣條拉伸承載能力小于水平放置和側(cè)向放置樣條的。

c) 樣條尺寸偏差與打印方向相關(guān)。

d) 打印樣條的外觀透明度與樹脂流平時間相關(guān)。流平時間充分,樹脂透明度較好；流平時間不足,樹脂透明度較差。