基于SLA成型的薄板件制備與工藝參數(shù)優(yōu)化

劉艷，周昊瑞，李煒融，袁賢浦

(1.上海材料研究所有限公司，聲學超構材料實驗室，上海 200437；2.上海材料研究所有限公司，上海消能減震工程技術研究中心，上海 200437)

隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，低消耗、輕量化的制造技術逐漸成為現(xiàn)代制造行業(yè)的發(fā)展趨勢。增材制造技術，即3D打印技術，是近年來發(fā)展最迅速，也是最具有先進制造技術特征的技術之一。特別是以成型時間短和制造樣件美觀著稱的SLA 光固化成型技術，在復雜模型成型及個性化定制方面具有巨大優(yōu)勢。然而，采用SLA光固化技術加工薄壁構件，易發(fā)生尺寸偏差大、力學性能差、良品率低[1-4]等問題，嚴重制約了航天、精密儀器等高精尖裝備領域的輕量化發(fā)展。為此，很多專家學者針對薄壁構件的3D 打印制備技術進行了廣泛研究，通過改變構件在打印系統(tǒng)中的結構與技術[5-8]，研究路徑規(guī)劃[9-11]、優(yōu)化工藝參數(shù)[12-15]等方法來解決問題。李彬等[16]使用SLA 技術研究薄板件的翹曲變形，發(fā)現(xiàn)薄板件的最大變形發(fā)生在邊界區(qū)域，靠近基座部分與薄板下表面處產生臺階效應，且高度方向翹曲變形最大；許洪斌[17]等對光固化成型薄殼類零件的成型精度與時間做了探討，研究在最優(yōu)擺放角度的條件下，不同支撐的薄板的翹曲變形，提出了提高薄殼零件快速成型精度的工藝；而汪楊智[18]研究了光固化成型的薄壁件的擺放位置，創(chuàng)建打印位置優(yōu)化算法，提出優(yōu)化樣件的擺放角度以最小化臺階效應對表面質量的影響。

上述相關文獻中，其研究對象的薄壁厚度均大于1 mm。但在高端裝備制造領域，輕量化的需求迫切且極端[19-21]，需要壁厚低于1 mm的薄壁構件制備技術。由于3D打印加工精度的限制(0.1 mm)，壁厚低于1 mm的高分子薄壁構件，在固化加工過程中，SLA 樹脂長時間使用，樹脂黏度過大，極易發(fā)生層間樹脂填充不充分，形成空固化[22]，導致構件表面出現(xiàn)不規(guī)則的凹陷、凸起以及氣泡等表面缺陷[23]，直接影響薄壁構件的成型質量，甚至無法成型。

筆者以壁厚為0.5 mm的薄壁平板構件(表面積0.18 m×0.18 m)為研究對象，研究壁厚低于1 mm 的薄壁構件制備技術。首先針對同一切片模型，采用控制變量法，逐一改變制作過程延時、平臺初始高度、液位高度、刮刀參量、樣件擺放位置等工藝參數(shù)，利用SLA光固化成型技術制備樣件；隨后，提出表面缺陷面積比這一評價指標，并采用蒙特卡洛撒點法，確定各個試驗樣件的表面缺陷面積比；分析各個關鍵工藝參數(shù)對薄板表面缺陷的影響規(guī)律，并提出最適宜壁厚小于1 mm的薄壁平板構件成型方案。為改善薄平板件的光固化成型技術表面缺陷問題提供了有效的技術方案，使成品滿足在極端工況或在特殊需求小于1 mm薄壁平板構件的輕量化制備需求。

1 實驗部分

1.1 原材料

光敏樹脂:C-UV9400E，東莞愛的合成材料科技有限公司。

1.2 儀器及設備

加支撐軟件:Polydevs 3.0，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

切片軟件:UnionTech_BPC，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

SLA 快速成型設備:Lite600 型，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

超聲波清洗機:F-020SD型，深圳福洋科技集團有限公司。

1.3 樣品制備

研究SLA 打印平板時的表面缺陷問題，設計3×3 九塊平板的實驗模型，平鋪在打印平臺上如圖1所示。每塊平板的厚度為0.5 mm，尺寸為180 mm×180 mm，各個平板之間間距為8 mm。并且在每塊平板的背面標號，做好方位標記，以便后續(xù)實驗觀察與討論。

圖1 打印模型擺放圖

考慮以下影響因素:(1)液位參數(shù)(延時/平臺初始高度/液位高度)；(2)刮刀工藝參數(shù)(刮平次數(shù)/刮刀速度/表面涂覆)；(3)樣件擺放位置。液位參數(shù)中，延時是指打印平臺(圖1中的網格化底面)每次改變位置的等待時間，平臺初始高度是指該打印平臺的初始高度，而液位高度是指激光器到液面的距離，即每層切片固化時液面的高度。三者均直接影響樹脂流動至成型表面的填充率。

在保證環(huán)境溫度23 ℃，環(huán)境濕度為31%，填充掃描速度8 000 mm/s 等不變的情況下，設計和使用初始的工藝參數(shù)列于表1初始參數(shù)值所示。觀察這套實驗參數(shù)制備出來的樣件出現(xiàn)的表面缺陷的問題。通過控制變量法，在滿足基本的光敏樹脂成型的要求下，只改變一個工藝參數(shù)[24-25]，保證其他的工藝參數(shù)不變進行實驗制備列于表1 參數(shù)值變化范圍，評價最后的實驗結果。

表1 SLA成型工藝參數(shù)

1.4 性能測試

完成制備后，使用蒙特卡洛撒點法[26]，對樣件表面缺陷進行統(tǒng)計。圖片撒點數(shù)量成均勻隨機分布時，不規(guī)則圖形面積與撒入圖形內點的數(shù)量成正比。圖2為蒙特卡洛撒點法示意圖。將圖片劃分為10×10 的網格，統(tǒng)計凹坑與“氣泡”占整個樣件的面積之比，即:

圖2 蒙特卡洛撒點法示意圖

式中:s1——不規(guī)則圖形面積；

s2——圖片總面積；

m1——撒點到不規(guī)則圖形的數(shù)量；

m2——總撒點數(shù)量。

2 結果與討論

2.1 結果統(tǒng)計

按照1.3實驗控制參數(shù)中，表1的實驗初始參數(shù)完成打印。觀察得到的結果圖，用來比較后續(xù)實驗結果與初始參數(shù)打印結果的差異，以及改善工藝參數(shù)后的作用大小。

采用表1初始參數(shù)值進行多次3D打印，均在薄板表面發(fā)現(xiàn)典型缺陷，如圖3所示。

圖3 初始參數(shù)打印結果

由圖3可知，在1#，2#，3#位置表面缺陷的表征形式是凹坑結構，圖示凸起位置的厚度為0.5 mm，符合實驗模型設計厚度，而凹坑部分的厚度小于0.5 mm。在4#，5#，6#位置表面缺陷的表征形式是凹坑以及“氣泡”結構，表面凹坑最深0.1 mm，即最小的固化層厚。在7#，8#，9#位置的平板相比于前面6 個位置的平板打印的結果較好，但7#和8#平板的右下角位置也有少量凹坑。

按照表1 的參數(shù)打印樣件，用蒙特卡洛撒點法統(tǒng)計打印表面凹陷與“氣泡”占樣件面積之比，結果統(tǒng)計列于表2和表3。

表2 樣件表面凹陷面積比結果統(tǒng)計

表3 樣件表面氣泡面積結果統(tǒng)計

2.2 液位參數(shù)對改善表面缺陷的影響

(1)改變延時。

延時參數(shù)設置發(fā)生在平面沉降、掃描、平面下沉和刮刀移動過程，影響樹脂流動的時間。延時過小或不設置延時，將導致樹脂未填充完成就開始固化下一層；延時過大，將導致制備的時間太長，影響制備效率。設置恰當?shù)难訒r可以改善因樹脂流動性差，樹脂填充率低而導致的表面缺陷的問題。

初始延時參數(shù)設置為:z軸沉降結束5 s、掃面結束3 s、下沉等待1 s、刮平結束3 s、總延時為12 s。初始參數(shù)對應結果如圖4 所示，適當增加各個參數(shù)的數(shù)值，得到兩組參數(shù):

圖4 不同延時表面凹陷

z軸沉降結束10 s、掃面結束5 s、下沉等待5 s、刮平結束5 s、總延時為25 s。

最后，在不考慮打印時間的條件下，大幅度增加各項延時參數(shù):

z軸沉降結束20 s、掃面結束20 s、下沉等待20 s、刮平結束20 s、總延時為80 s。

隨著總延時的增加，1#，2#，3#位置的凹陷沒有消除；4#，5#，6#位置的凹陷結構雖然得到一定改善，但延時從25 s增加至80 s，改善效果不明顯，且仍存在“氣泡”結構；7#，8#，9#位置出現(xiàn)了更大面積的缺陷。改變打印延時對最終結果影響微弱，即使總延時80 s，給樹脂充足時間填充平板表面，表面缺陷的問題也沒有解決。延時時間為80 s時，影響生產效率，但仍然達不到預期效果。增大延時參數(shù)并不能改善表面缺陷問題，SLA打印產生的表面缺陷問題與延時無關。

(2)改變平臺初始高度。

升高下沉高度即降低制作平臺托板的初始高度。制作平臺高度降低后，黏度較大的樹脂也能流入平臺表面，使平板樣件表面的樹脂越多。增加了激光固化表面而不是空固化的概率，解決表面缺陷的問題。

改變下沉高度的工藝參數(shù)，初始設置的下沉高度為5 mm，后增加下沉高度至10 mm 以及20 mm，查看實驗結果如圖5所示。

圖5 不同下沉高度表面缺陷

通過實驗結果與表2 對比發(fā)現(xiàn)，增加下沉高度后與初始參數(shù)打印出來的結果相似，總體趨勢不變。增加下沉高度后，1#，2#，3#位置的凹坑面積占比變化不大，4#，5#，6#位置的凹坑在增加下沉高度到20 mm后有所減少，但表面缺陷問題沒有得到改善。從表3數(shù)據(jù)得知，增加下沉高度仍然有“氣泡”結構。所以，SLA打印平板件時的表面缺陷問題與下沉高度無關。

(3)改變液位高度。

液位調節(jié)系統(tǒng)的作用是保證激光到液面的距離不變；保證每一層涂覆的樹脂一致。液位高度參量是激光器到液面的距離，所以降低液位高度即升高液位。液位高度降低越多，液位升高的越多。通過降低樹脂液位高度，增加樹脂平鋪在平板上的數(shù)量，達到樹脂鋪滿平板樣件表面的結果。

先設定初始的液位高度50.56 mm，得到實驗結果如圖3 所示。降低液位高度分別到50.40，50.25，50.10 mm，分別觀察結果如圖6所示。

圖6 不同液位高度表面凹陷

通過表2和表3與圖6結果發(fā)現(xiàn)，SLA打印平板時的表面缺陷問題與液位高度有關，從表3“氣泡”面積占比可得，當下降液位高度時，表面缺陷中的“氣泡”問題得到解決。但從圖6 可得，降低液位高度有助于減小表面凹陷的面積，液位高度為50.25 mm時的表面凹陷問題集中于1#，2#，3#位置，而液位高度為50.1 mm時的表面凹陷明顯小于液位高度為50.56 mm時的數(shù)據(jù)。即當液位高度越小時，表面缺陷的問題得到了改善，但得不到解決，而且液位高度太低會導致制件質量較差，制備出來的樣件偏軟，力學性能太差，以及制件失敗等問題。所以，不推薦通過降低液位高度來達到解決制件表面缺陷問題的目的。

2.3 刮刀參量對改善表面缺陷的影響

(1)改變刮平次數(shù)。

當平板鋪滿托板時，刮刀移動時無法充分地吸附上樹脂，導致刮刀里沒有充足的樹脂量平鋪在打印結構表面，造成SLA 打印平板產生表面缺陷問題。增加刮刀的刮平次數(shù)，讓刮刀在完成一次層間打印之后刮平多次，增加吸附樹脂的時間，即增加刮刀吸附樹脂的數(shù)量。但增加刮刀刮平次數(shù)也會讓打印時間增加。

在初始參數(shù)刮刀刮平次數(shù)為1，保證其他參數(shù)不變的情況下，增加刮刀刮平次數(shù)到2，得到實驗結果列于表2和表3。

改變刮平次數(shù)之后樣件表面無凹坑以及“氣泡”結構產生。表面缺陷與刮平次數(shù)有關，適當?shù)脑黾庸蔚兜墓纹酱螖?shù)可以解決SLA 打印平板時的表面缺陷問題，一般將刮刀刮平次數(shù)增加到2即可。

(2)改變刮刀速度。

同樣的，降低刮刀的刮平速度即增加刮刀在每一次層間打印時的刮平時間。也能增加樹脂被吸附上的數(shù)量及刮刀平鋪樹脂在樣件表面的時間。但是，減小刮平速度也會導致打印時間變長。

減小刮刀的刮平速度，從原來的60 mm/s 降低到40 mm/s的速度。

由表2和表3可知，當減小刮刀速度到40 mm/s時，樣件表面無凹坑，凸起以及“氣泡”等缺陷結構產生。給予刮刀充足時間將樹脂吸附與涂覆到表面，表面缺陷的問題得到解決。所以SLA打印平板時表面缺陷問題的產生，與刮刀的移動速度有關，但刮刀的移動速度太慢嚴重影響打印速度，建議適當減小刮刀速度。

(3)啟用表面涂覆。

表面涂覆技術即根據(jù)平臺上每一層所需固化樹脂的面積占比，動態(tài)修改刮刀參量。其主要控制參數(shù)有兩個，涂覆次數(shù)與下潛深度。涂覆次數(shù)即上述提到的刮刀刮平次數(shù)；下潛深度即每一次打印層間，托板下潛到樹脂液里的深度，數(shù)值越大，每一次托板下潛的深度越大，使鋪入平板件表面的樹脂就越多。如果下潛深度太低或者不使用涂覆技術，導致樹脂還沒鋪滿整個平板表面就開始打印，自然就會出現(xiàn)激光空固化的情況，導致表面缺陷的產生。

控制變量，保持其他參數(shù)不變，使用表面涂覆技術，設置涂敷次數(shù)為2次，下潛深度為3 mm，得到實驗結果，如圖7所示。

圖7 使用表面涂覆后的打印結果

通過實驗結果圖7 與表2、表3 發(fā)現(xiàn)，使用表面涂覆技術后，打印的結果沒有“氣泡”、凸起、凹坑現(xiàn)象，表面缺陷問題得到解決。SLA打印平板時的表面缺陷問題與表面涂覆有關，使用表面涂覆工藝可以解決表面缺陷問題。

2.4 物件擺放位置對改善表面缺陷的影響

(1)錯開打印。

將實驗模型中的9 塊平板分為兩次打印，第一次先打印1#，3#，5#，7#，9#位置的平板，樣件錯開擺放如圖8所示，第二次將剩下的2#，4#，6#，8#4塊平板按原位置打印。錯開擺放可以保證各個平板之間有足夠大的間隙讓刮刀吸附樹脂，以完成樹脂平鋪的要求。由表2 和表3，與初始參數(shù)打印結果對比可知，錯開打印后，1#~9#樣件無凹陷面積，均表面平整，解決了表面凹陷與“氣泡”問題，時間也會變得更久。統(tǒng)計兩次成型一次性打印完成需要時間大約為3.5 h，而分批次打印則大約需要4 h。在小數(shù)目平板件打印時，可以將平板均布在不同方位，保持大間距。

圖8 樣件錯開擺放

(2)傾斜擺放。

將打印樣件傾斜30°擺放，減小每層打印面積代替直接打印大平層。解決平板件水平放置時，樹脂無法流入樣件的中心位置而導致產生表面缺陷問題。

由表2 和表3 的初始參數(shù)打印結果對比可知，樣件傾斜放置打印后，1#~9#樣件無凹陷面積，均表面平整，解決了表面凹陷與“氣泡”問題。傾斜打印通過減少各層片成型面積，有利于樹脂流動填充，改善缺陷，但存在耗時長，廢料多的問題。傾斜角越大，支撐體積增大，樣件總層數(shù)增加，打印時間大大加長。統(tǒng)計樣件打印時間可知，水平放置打印時間平均為3.5 h，傾斜10°打印平均為6.3 h，傾斜30°，平均為14.7 h。

3 結論

(1)表面涂覆技術、樣件擺放位置、刮刀刮平次數(shù)、刮刀移動速度對SLA打印平板時表面缺陷問題有顯著影響。液位高度對表面缺陷問題有一定的影響。平臺初始高度與延時對表面缺陷問題影響不大。

(2)刮刀刮平次數(shù)越多，刮刀刮平速度越慢，刮刀吸附的樹脂數(shù)量越多，表面缺陷問題得以改善，這兩個工藝參數(shù)旨在增加刮刀吸附樹脂的時間；使用表面涂覆技術，采用其中的下潛深度，使平臺在完成一次層間打印后下降一定深度，有助于解決表面缺陷問題，旨在改善樹脂的填充效果；改善樣件擺放位置，增加刮刀吸附樹脂的空間，可以解決表面缺陷的問題。

(3)使用SLA 技術打印精度要求達到0.1 mm，厚度要求小于1 mm 的薄平板件時，提出了增加刮刀刮平次數(shù)到3 次，減小刮刀刮平速度到30 mm/s，使用表面涂覆技術，改善樣件擺放位置來解決打印過程中的表面缺陷問題。