SLA增材制造的模型放置與支撐策略

劉辛夷

(南京市第一中學, 江蘇 南京 210001)

1 SLA的基本原理

增材制造(additive manufacturing)技術也稱三維打印(3D printing)技術，是利用逐層堆積原理制造實體零件的一種工藝，它不需要模具就可以快速制造出具有復雜內外型面的零件，在航空航天、醫療、汽車、建筑等領域得到了廣泛應用。光固化成型(stereo lithography apparatus，SLA)是發展較早、工藝也較為成熟的一種增材制造方法，其系統組成如圖1所示，主要由激光源、光束掃描系統、刮板、樹脂液槽、升降工作臺等部件組成。

圖1 SLA系統組成

SLA的工藝流程如圖2所示。首先進行三維建模，轉換模型數據格式為STL 文件，優化并確定模型放置方向，添加必要的支撐結構，然后進行離散分層處理，將分層數據導人SLA設備中進行光固化成型，SLA設備精確控制激光束所照射區域，激光照射之處的光敏樹脂由液態轉變為固態，工作臺逐層向下移動，在樹脂槽中實現由下至上的逐層固化堆積，直至零件成型完畢，最后清洗零件,去除支撐,打磨。

圖2 SLA工藝流程

2 模型放置與支撐結構對成型結果的影響

2.1 模型放置方向

模型放置或者說模型的成型方向，是光固化成型模型前處理的首要環節。模型放置方向很大程度上決定了零件最終成型精度、成型成本、所耗時間以及支撐結構的形式與多少，不恰當的模型放置方向會導致成型失敗[1-3]。

例如，不同的模型放置方向會導致不同的階梯效應，進而影響到成型表面粗糙度及質量。模型的分層切片處理會在傾斜表面上留下大量呈階梯狀的邊界，這種階梯效應是光固化成型零件與原始CAD 模型之間體積誤差的根源，這種誤差過多會造成成型表面質量的下降[1]。圖3是階梯效應示意圖，三角片面的法矢與成型方向之間的夾角α(0°～90°)越小，階梯效應則越大。

不同的模型放置方向還會影響到零件的成型時間，最終影響到零件的制造效率。在光固化成型工藝中，零件的制造時間包括成型準備時間、光束掃描或者投影時間、Z軸的下降時間等。

圖3 階梯效應

合理的模型放置方向，可以降低零件在成型方向的高度，減少零件的分層切片數量，最終達到減少零件成型時間、提高成型效率的目的。

如圖4所示，一長方體的長(L)、寬(W)、高(H)分別為20mm、10mm、10mm，在分層厚度均為0.25mm的情況下，圖4(a)所示的放置方向與圖4(b)所示的放置方向的分層數量分別為40與80。該零件的總成型時間可表示為[4]：

(1)

圖4 成型方向對分層數目的影響

式中：Ti為每層制造時間；Tw為層間等待時間；N為分層數目。可以看出，在分層厚度和光束功率不變的條件下，對制件的掃描固化時間基本可以看成是一個定值，而降低分層數目可以降低成型過程中層間等待時間的總和。以3D System SLA 350機床為例，如圖4(a)、(b)所示的模型，其預估的加工時間分別為46min和1h20min[4]。

光固化成型技術在成型過程中需要對零件的懸空部分進行支撐。模型放置方向直接影響到支撐結構的數量，且支撐結構不但在成型過程中需要消耗能量、樹脂材料、加工時間，而且在成型結束后也需要人工去除[5]。如圖5所示，零件總成型體積應為模型體積與支撐體積之和，即：

(2)

式中：V為模型體積；Vj為支撐體積；M為支撐數量。結合式(1)可以看出，成型體積的增加必然導致每層制造時間Ti的增加，這在很大程度上也會導致分層數目N的增加，最終使得總成型時間T增加。以“T”型結構為例，如圖6所示，圖6(a)的放置方向無需添加支撐結構，但圖6(b)所示的放置方向就需要考慮為懸臂部位增加支撐。

圖5 支撐結構所致的成型體積增加

圖6 模型放置對支撐結構的影響

2.2 支撐結構

支撐結構是一種輔助成型結構，在SLA成型過程中必不可少，其主要原因在于：1)未被激光束照射部分的材料仍為液態，不能對零件切片上的獨立輪廓和懸臂結構起到定位作用；2)零件的底面以及某些角度下的傾斜面在成型過程中會發生變形。因此，必須設計并添加一些支撐來穩定模型的懸臂、懸空結構，防止模型塌陷、變形，成型后再將其剝落和清除干凈。支撐結構的好壞也可以決定樣件成型的成敗[3]。

文獻[6]、[7]認為，利用光固化成型技術制作零件時，模型上有4種幾何特征需要設計并添加適當的支撐，如圖7 所示，它們分別是：1)傾斜角度較大的傾斜面；2)懸吊面；3)懸吊線；4)懸吊點。在SLA成型過程中，懸吊結構在重力、熱應力作用下易產生下垂、塌陷或者翹曲，從而導致成型失敗。

圖7 需要添加支撐的結構

由圖7可以看出，懸吊線及懸吊點必須添加支撐結構，傾斜面及懸吊面的情況需要進行具體分析。文獻[8]認為，傾斜面及懸吊面可簡化為不同傾斜角度的懸臂梁結構，如圖8所示。在SLA成型過程中，懸臂梁由于重力作用極易向下產生下垂。此外，液態樹脂材料凝固時的收縮也會產生力的作用，從而導致彎矩的產生。一般而言，上表面的冷卻收縮比下表面劇烈，因而彎矩多會導致懸臂向上翹曲變形。如圖9所示，懸臂結構的主要幾何參數包括傾斜角β和懸臂梁長度l，這兩個參數的大小決定了是否需要支撐結構，具體討論如下。

圖8 懸臂結構翹曲示意圖

1)β=0°時，存在一個不需要添加支撐的臨界懸臂長度，這個臨界懸臂長度與樹脂類型、分層層厚、成型精度有關[7]。

2)0°<β<90°時，若角度較大，則可以利用自支撐抵抗下垂；若角度較小，則需要添加支撐。

3)β<0°時，必須添加支撐。

圖9 懸臂結構示意圖

3 模型放置策略

通過以上分析可以得出，模型放置方向是一個復雜的多目標優化問題，需要綜合考慮零件的平衡、切片的數量、階梯效應、支撐結構形式與數量、成型時間、成型精度等多種因素[2，4，9]。文獻[2]從成型效率及成型表面精度兩個角度入手，提出了若干模型放置策略。文獻[4]認為，模型成型方向需要綜合考慮成型精度和成型效率，簡單模型的成型方向往往一目了然，而復雜模型的成型方向選擇則需經過計算機的精確計算。文獻[9]認為在SLA成型方向的選擇上應同時考慮成型質量、生產率和經濟性3個因素，在保證零件制作質量的前提下，盡可能地縮短制作時間，降低制作成本。綜合現有研究結果，本文提出如下模型放置策略。

首先考慮成型精度。模型放置方向應該使得成型后的階梯效應最小，即零件成型后的階梯面積占總面積的比例最小。如圖10所示，圖10(b)的放置方向顯然要優于圖10(a)的放置方向[10]。此外，模型放置方向要以外表面為支撐表面，即外表面向下、內表面向上，盡量避免在筋條等結構上設計支撐。

其次考慮成型效率。模型擺放時盡量降低整體高度，這樣可以使得模型的分層切片數量減少，縮短總成型時間，有利于提高成型效率。以圖11所示的例子來說明，零件的長、寬、高分別為14mm、13.987mm、20mm，取分層厚度為0.10mm。圖11(a)所示的放置方向得到的分層數為200，圖11(b)所示的放置方向得到分層數為139，且滿足成型精度要求[4]。因此圖11(b)的放置方案優于圖11(a)。

最后考慮使支撐結構最少。額外的支撐結構不但增加材料的消耗量，也增加了成型時間以及后續的支撐結構去除時間，最終會影響到成型效率和成本。因而，模型的放置方向應該使得支撐數量和體積最小化。

圖10 模型放置方向對成型精度的影響

圖11 模型放置方向對成型效率的影響

以圖12(a)的模型為例，按圖12(b)所示的方向放置顯然能獲得最小的支撐結構體積[11]。

圖12 模型放置方向對支撐結構數量的影響

4 模型支撐結構設計策略

不同的增材制造工藝所需要的支撐結構也不盡相同。對于SLA工藝而言，其支撐結構設計需要考慮的重點問題是材料收縮變形機理及工件定位機理，且在成型結束后易于清除[8]。當模型較為復雜時，支撐結構設計需要通過計算機精確計算生成。國內外針對SLA增材制造的支撐結構設計發表了較多研究成果[1,6-7,11-12]，在支撐區域識別方法、支撐結構形式、支撐結構自動生成方面提出了不少算法，并進行了實例驗證。總體而言，SLA工藝的支撐結構設計應滿足以下幾個方面的要求：

1)確保制件不會發生變形及塌陷等問題，使得制件在成型過程中具有足夠的穩定性。

2)在滿足1)的基礎上，支撐結構體積應盡可能小，以便于節省材料及提高成型效率。

3)成型完成后，要易于液態樹脂材料的流出，要易于與零件分離，減少后處理工作量。

傳統的SLA成型工藝的支撐結構為片狀，比利時Materialise公司的商業化軟件Magics是這種支撐結構設計方式的代表。其主要支撐形式有：

1)點支撐形式，如圖13所示，主要適用于懸垂點和微小平面的支撐。

2)線支撐形式，如圖14所示，主要應用于狹長平面和懸垂邊的支撐。

3)面支撐形式，如圖15所示，主要適用于較大平面或者底面的支撐。

4)角板支撐形式，如圖16所示，適用于懸臂梁特征的支撐。

圖13 點支撐

近年來，對樹狀支撐結構的設計研究越來越得到重視，其支撐結構的截面形狀為圓形，目前Autodesk公司的商業化軟件MeshMixer就采用這種方法實現支撐結構的自動生成[13]，其基本原理如圖17所示。首先，尋找模型上需要添加支撐的懸垂部分，若曲面法矢與垂直方向的夾角小于閾值，就判定該部位需要支撐，如圖17(a)、(b)所示；其次通過力學分析，將懸垂部位轉化為一組支撐點集，然后通過優化算法，以所需支撐耗材最少的方向生成樹狀支撐結構，如圖17(c)、(d)所示。

5 結束語

在光固化成型制造工藝中，模型放置方向和支撐結構設計是兩個非常關鍵的步驟，它關系到成型精度、成型效率、材料消耗、后處理的難易等一系列問題，是值得重點探究的課題。

圖14 線支撐

圖15 面支撐

圖16 角板支撐

圖17 樹狀支撐結構設計

本文在總結現有研究成果的基礎上，介紹了模型放置方向對成型結果的影響，提出了相應的模型放置策略。與此同時，總結了支撐結構設計策略，對現有兩個商品化增材制造軟件的支撐結構設計形式進行了介紹。筆者認為，在SLA增材制造技術未來的發展方向上，應該進一步研究、提煉適用于SLA成型的零件設計方法，在零件設計的早期階段就充分考慮到SLA成型特點，使得零件幾何結構特征更加適合SLA成型工藝，減少模型的數據處理時間，簡化模型放置方向及支撐結構的優化設計時間，這樣可以從總體上提高SLA工藝的制造效率。