增材制造技术在3D打印应用中面临的某些困难_吴开明.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1762023 年 第 03 期文章编号：2095-6835（2023）03-0176-03增材制造技术在 3D 打印应用中面临的某些困难吴开明1，汪宇一2（1.浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053；2.先临三维科技股份有限公司，浙江 杭州 311200）摘要：21 世纪初，西安交通大学一部分学者已开始涉足国内增材制造领域的理论研究，经过近 10 年的市场应用，增材制造得到了快速发展。近些年，很多学者对增材制造工艺中 3D 打印技术的理论方面做了大量的科学研究，然而在实际打印过程中还是会出现一些问题。主要研究了各厂商光固化树脂的特性以供科研与生产者参考，并给出了在打印过程中可能存在的缺陷及相应的解决办法。关键词：增材制造技术；光固化技术；光敏树脂；STL 格式中图分类号：TH161文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.054增材制造指通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术。根据它快速成型、任意成型的特点又称其为增材制造。增材制造技术现在被广泛应用于各种工业领域，以及医药、教育、建筑、娱乐等相关行业中。3D 打印技术只是增材制造工艺的一种。增材制造通过降低模具成本、减少材料、减少装配、减少研发周期等优势来降低企业制造成本，提高生产效益。13D 打印制造具备的优势与传统的大规模生产方式相比，在经济上具有吸引力的是小批量定制产品；直接从三维模型生产意味着不再需要模具与工具，同时也没有转换成本；以数字模型的形式进行设计方便人们共享，方便组装、定制和产品的修改；该工艺的可循环性使材料得以节约使用，同时还能重复利用未在制造过程中使用的废料（如粉末、树脂），本实验室高分子激光打印机新旧粉末采用的是 13 比例混合使用；对于复杂的结构，如蜂窝状、局部支撑类、自由形式的封闭结构和通道是可以实现的，使最终部件的孔隙率非常低；订货减少了库存风险，没有未售出的成品，同时也改善了收入流，因为货物是在生产前支付的；分销允许本地消费者/客户和生产者之间的直接交互。2光固化技术原理本文通过采用 3D 打印技术路线中典型技术光固化成型技术（SLA）为代表来详细说明。光固化是采用特定的波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，被激光照射到的光固化材料发生聚合而固化。因此，按每层的二维图像由激光束扫描辐照后，液态的高分子材料就会被特定形状的图案凝固。完成一个层面的固化之后，成型平台在垂直方向移动一个层片的高度，待新一层液面平稳之后再固化另一个层面，这样层层叠加便最终构成一个三维实体。UV 树脂即光敏树脂，是 3D 打印中光固化技术所用的主要材料。其原理就是利用激光引发感光树脂的聚合，通过电脑控制光束，逐层固化，最后得到所需的立体构件。同时感光树脂需要具备低黏度、低收缩、高固化速度、对光的敏感度高、层间黏附相容性好等特点。目前市面上的光敏树脂成本依旧较高，且机械强度、耐候性和耐热性大多低于工程塑料，在一定程度上影响了材料的应用范围1。很多研究主要集中在光敏树脂材料与设备原理上，如杨娜娜2研究了国产和进口的一些同类型树脂，其力学性能相当，不同体系的光敏树脂，其性能和断裂方式差异较大；刘海涛等3研究了快速原型件表面质量受到光敏树脂组分、透射深度、单层固化强度和黏度的影响；蒋三生4研究了光敏树脂3D 打印材料中打印工艺参数对打印制品质量及力学性能的影响。然而树脂的材料特性与使用过程中可能出现的问题却很少涉及，即研发较为活跃，但能够进入商业化使用的比较有限。特别是国产光敏树脂与进口光敏树脂的材料特性存在较大差距。本文主要从以下 2 方面进行探讨。3光敏树脂的特性以及分析本实验室采用的是先临公司 iSLA-650Pro3D 打印基金项目浙江机电职业技术学院课题思政教学改革研究项目（编号：A-0152-20-349）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期177机，本设备主要采用的是 SH8800 光固化树脂。目前市面上主要光固化树脂参数如表 1 所示。表 1光固化树脂参数表参数型号Somos 8000Somos 128塑成 LA04正邦 UV9400联泰 18420SomosWCUltra11122树脂参数临界曝光量 Ec/（lxs-1）0.130.0930.10.0930.06730.115透射深度 Dp/mm0.158 750.109 220.158 750.153 9240.116 0780.165 1成型参数层厚深度 h/mm0.10.10.10.10.10.1过固化深度 ho/mm0.050.050.050.050.050.05固化深度 Cd/mm0.150.150.150.150.150.15激光参数光斑半径o/mm0.40.10.10.10.10.1扫描间距 hs/mm0.320.080.080.080.080.08激光功率 P/W1 300300350200300100扫描速度 Vs/（ms-1）7 753.951 4856 518.223 582 10 855.532 086 475.363 3019 768.680 9472 796.843 666参数型号SH8800科创NH-S12NH-S02Perform树脂参数临界曝光量 Ec/（lxs-1）0.0760.09680.320.10.078透射深度 Dp/mm0.148 9710.124 9680.104 9020.187 5030.109 22成型参数层厚深度 h/mm0.10.10.10.10.1过固化深度 ho/mm0.080.050.050.050.05固化深度 Cd/mm0.180.150.150.150.15激光参数光斑半径o/mm0.10.10.10.10.2扫描间距 hs/mm0.080.080.080.080.16激光功率 P/W200150300200800扫描速度 Vs/（ms-1）6 271.963 722.7951 790.2397 170.33910 362.3通过上述表格可以计算出不同种类树脂的固化线宽 Lw 和固化深度 Cd，因为这 2 个参数直接关系到光固化后模型的表面细节、韧性、成型精度等方面。树脂固化说明如图 1 所示。图 1固化单线示意图其计算公式分别为：=EcVPDpCdso2In（1）DpCdLw22o=（2）式（1）（2）中：Ec、Dp 分别为树脂的临界曝光量（lx/s）和透射深度（mm），是光敏树脂的固有参数；o为光斑的半径，mm；P 为功率，W；Vs为扫描速度，m/s。通过这 2 个参数可以验证一个普遍的观点：在 3D打印中都希望降低固化的线宽 Lw，为了满足此条件在3D 打印机制造企业工程师不断地改变式中的参数，比如不断地缩小光斑的半径以降低线宽。在固化深度方面，由于光线透过复合树脂时强度逐渐减弱，故深层树脂往往聚合不完全，当通过一定深度后，单体的聚合程度极小，树脂的强度非常低，这一临界深度成为“固化深度”。所以在表 1 中发现市面上很多材料的固化深度几乎都是一样的。4模型缺陷3D 打印过程本质上来说是采用离散和叠加的思想5。离散过程即是将三维模型切片，将得到的层片信息进行数据处理，其中不仅包含结合 3D 打印机设置加工参数，也包含对切片得到的层片轮廓内部进行扫描填充即路径规划等，从而得到数据文件6。而叠加过程就是将打印数据文件发送到打印机，打印机接收到指令后，开始逐层累积打印，最终就可得到实体模型7。一般来说，三维模型成型的质量取决于所选工艺的成型精度和 3D 打印的工艺的选择8。总体上，影响快速成型精度的因素分为 3 类，即计算机切片处理误差、打印过程误差和后处理误差9。以上 3 种误差中，在各类 3D 打印工艺前处理过程中共同会存在的问题就是计算机的软件切片产生的误差，同时产生的误差机理也是相同的。在日常打印中经常会发现一个问题，即模型放入打印机软件中会产生破面。然而很多人觉得自己的模激光光束Lw科技与创新Science and Technology&Innovation1782023 年 第 03 期型完全看不到破面，那这又是为何呢？在建立三维模型时，由于采用的是不同的软件，不同的软件默认保存的格式不尽相同，但是最终都是需要转化为 STL 格式才能进行 3D 打印。在实际教学中发现，不同的专业使用不同的建模软件，有些软件无法转化为 STL 格式或者有些模型在转化后模型产生的误差较大。当保存STL 文件后，设计的所有表面和曲线都会被转换成网格，网格一般由一系列的三角形组成，代表着设计原型中的精确几何含义。很多三角形的面可以表现流畅的曲线，这就需要导出高分辨率的 STL 文件，所以需要将 STL 文件保存为合适的分辨率。一般弦高要达到0.05 mm 以下，角度值控制在 0.1以下，控制界面如图2 所示。图 2控制界面然而当不断地控制三角面片各项尺寸时，随之而来的就是在格式转换过程中可能有些三角面片会变得很小，以至于机器无法察觉。STL 文件必须是全封闭的，正如上面所说的原因，即使设计的物体已经创建完成后，很有可能仍存在一些没有留意到的小孔。此时要导出 STL 文件格式时，软件则会自动报错。这些错误并非发生在浏览阶段，而是存在于该模型的对象中。目前很多切片软件会自动帮助修复 STL 文件错误。综上所述，为了消除以上所涉及到的问题，需要在建立模型时仔细留意是否存在破面或结合处产生误差，同时在模型格式转换中需要注意在曲面中的弦高与角度控制值。5结束语光固化打印技术是目前各种打印技术中，在综合模型质量、单价、效率等方面综合考虑后最适合大规模推广的。本文在综合考虑市面上多种光敏树脂后从材料本身的特性出发，选择了一种性价比较高的SH8800 材料。通过这种材料打印出的模型能够满足日常教学科研的需要。同时在实际科研中通过不断尝试，找到了比较合适的弦高与角度控制参数，解决了模型转换过程可能出现的问题，进而可以极大地提高打印零部件的效率。参考文献：1梁晓静，于晓燕.3D 打印用高分子材料及其复合材料的研究进展J.高分子通报，2018（4）：27-35.2杨娜娜.SLA 光固化树脂的力学行为研究J.橡胶技术与装备，2017，43（8）：52-54.3刘海涛，黄树槐，莫健华，等.光明树脂对快速原型件表面质量的影响J.高分子材料科学与工程，2007，23（5）：170-173.4 蒋三生.基于 SLA 成型的光敏树脂 3D 打印工艺及性能J.工程塑料应用，2019，47（1）：76-81.5贺强，程涵，杨晓强.面向 3D 打印的三维模型处理技术研究综述 J.制造技术与机床，2016（6）：54-57.6雷聪蕊，葛正浩，魏林林，等.3D 打印模型切片及路径规划研究综述J.计算机工程与应用，2021，57（3）：24-32.7娄平，尚雯，张帆.面向 3D 打印切片处理的模型快速载入方法研究 J.武汉理工大学学报，2016，38（6）：97-101.8王琛.3D 打印快速成型计算机切片处理误差分析J.软件，2021，42（4）：87-89.9瞿娟，郁舒兰.基于网络爬虫的用户评论数据分析J.智能计算机与应用，2020，10（10）：170-173.作者简介：吴开明（1991），男，江苏盐城人，硕士研究生，助理实验师，主要从事 3D 打印与流体机械方面的工作。（编辑：丁琳）