光敏樹脂和光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

周愛梅 楊利花 張如輝

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，3D技術(shù)應(yīng)用范圍也不斷擴大，針對復(fù)雜構(gòu)建制造快速成型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，推動了光敏樹脂和光固化3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，下面文章就對這方面展開分析和探討。

關(guān)鍵詞：光敏樹脂；光固化；打印技術(shù)；技術(shù)發(fā)展

基金項目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項目（項目編號：2017ZZX107）。

從產(chǎn)品開發(fā)周期、生產(chǎn)成本、滿足個性化定制需求、打印質(zhì)量等快速成型技術(shù)共性要求方面考慮，光固化3D打印技術(shù)具備非常大的優(yōu)勢。而由于光固化3D打印技術(shù)能夠保證成型件表面質(zhì)量、尺寸精準(zhǔn)度，對于制造業(yè)、建筑、醫(yī)療等成型件精準(zhǔn)度、表面質(zhì)量要求較高的行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。但隨著時代的不斷發(fā)展進步，人們對3D打印技術(shù)有了新的要求，為了能夠滿足人們的多方面需求，現(xiàn)階段人們將研究重點集中在了對成型技術(shù)原理、成型精度、光敏樹脂等方面的研究上。

1 3DSystems光固化3D打印技術(shù)原理

光固化3D打印系統(tǒng)的基礎(chǔ)所在就是DLP技術(shù)，在發(fā)展過程中通過對打印配套的低成本光敏樹脂的開發(fā)以及經(jīng)濟性光固化3D打印設(shè)備的自主開發(fā)研究兩方面開展研究，能夠不斷促進光固化3D打印技術(shù)朝向節(jié)能化、高速化、微型化方向發(fā)展。從一定程度上來說可以將3D打印技術(shù)認(rèn)為成是一種增材制造方式，能夠通過剖切物體三維數(shù)字模型得到剖面層的方式，利用打印設(shè)備打印每一層剖面，并將所打印出來的各個剖面依次堆積并粘合在一起，形成成品。光固化3D打印整個打印過程主要分為建模、分層、打印和后期處理四大階段。三維建模階段：此階段是準(zhǔn)備階段，此階段的關(guān)鍵所在就是根據(jù)實際需求選擇不同的三維CAD軟件將構(gòu)想中的三維立體圖案模型設(shè)計出來。除去構(gòu)想、設(shè)計模式之外也能夠通過利用專業(yè)3D掃描儀對已有物體進行掃描獲取三維數(shù)據(jù)的方式生成三維模型或者是直接使用其他已做好的3D模型，總的來說此三種方式都需要提供有準(zhǔn)確參數(shù)的3D模型。分層處理階段：此階段利用離散程序?qū)θS立體數(shù)字模型進行分離處理，分離成連續(xù)的、不同的截面，而每個截面厚度都需要根據(jù)打印材料屬性和打印機的規(guī)格來決定。實體打印階段：需要在分層處理基礎(chǔ)之上設(shè)計打印機的掃描路徑，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制激光頭和升降臺，通過數(shù)控裝置掃描器指導(dǎo)激光束能夠嚴(yán)格按照所涉及的路徑開展在液態(tài)光敏樹脂表面上的投射工作，在液槽表面樹脂作用下達到固化作用，完成一個截面的打印工作。在一個截面打印完成之后需要通過升降臺下降數(shù)據(jù)設(shè)定距離，在通過覆蓋另一層液態(tài)樹脂在固化層上的方式開展第二層掃描，通過不斷的掃描和固化層的不斷疊加最終形成三維工件原型，確保3D打印效果能夠更好的達到三維立體模型設(shè)計要求。后期處理階段：在打印完成之后需要取出原型，并通過固化處理的方式對打印之后所存在的層紋或是粗糙的截面進行處理，之后就是打磨、噴漆著色、電鍍、雕刻等處理工作，這些工序都要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求或原產(chǎn)品形態(tài)進行處理，保證最終打印產(chǎn)品形態(tài)能夠更好的符合要求。

2 技術(shù)特點

DLP光固化快速成形技術(shù)相較于其他的快速成形技術(shù)來說具備以下四點優(yōu)勢和特點：第一點成形速度相對較快，從最初的設(shè)計到原型打印完成時間范圍控制在幾小時到十幾個小時范圍內(nèi)，和傳統(tǒng)建模、成形來說加工周期能夠節(jié)省大約百分之七十的時間。第二點高度柔性化：在設(shè)備成形尺寸范圍內(nèi)，能夠隨意改變所加工零件的形狀，甚至是裝配體。逐層掃描成形并不受到零件復(fù)雜程度和工具的影響，不需要根據(jù)零件形狀使用專用夾具或工裝就能夠完成加工設(shè)計。第三點具備非常高的成形精度，此技術(shù)能夠充分利用光學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)DMD各個像素成像，避免讓光源直接在樹脂上成像，能夠大大提升分辨率和特征尺寸。此技術(shù)所能夠達到的最小層厚在0.05mm，能夠精準(zhǔn)、全面的把握各種薄壁結(jié)構(gòu)、成品件表面細膩光滑精密等特征結(jié)構(gòu)。

3 光敏樹脂和光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

3.1 3D打印成型測試

切片控制軟件選用速度快、界面簡潔的Creation Workshop。光固化3D打印成型過程主要包括：1）尺寸校準(zhǔn)點擊控制面板和尺寸校準(zhǔn)，投影儀投放紅色網(wǎng)格，用專用網(wǎng)格紙校準(zhǔn)；2）參數(shù)設(shè)置點擊參數(shù)配置中的Configure Slicing Profile，設(shè)置打印層厚，曝光時間，底層曝光等參數(shù)；3）模型導(dǎo)入與分層設(shè)置將需打印的STL文件導(dǎo)入軟件，并完成模型調(diào)整以及支撐添加。當(dāng)點擊完成切片后，可在切片視圖中觀察每層二維視圖。

3.2 數(shù)據(jù)模型前處理

成形方向的選擇以及支撐設(shè)計都是數(shù)據(jù)模型前處理過程中非常關(guān)鍵的兩大技術(shù)。成形方向布置就是模型造型方向、定位，主要是指保證3D打印機工作平臺上模型布置的合理性。對于零件打印來說造型方向是重要的影響因素。雖說當(dāng)前的DLP成形精度逐漸提升，已經(jīng)達到了0.05mm，但臺階效應(yīng)依舊存在。在零件成形方向選擇過程中需要保證重要模型表面能盡可能的呈現(xiàn)出水平方向。同時在打印件成形過程中其質(zhì)量也會受到殼內(nèi)、外部支撐設(shè)計合理性的影響，支撐設(shè)計合理性甚至?xí)σ淮未蛴〕蓴∑鸬經(jīng)Q定性作用。在中控模型抽殼后，如果殼內(nèi)支撐足夠合理就能夠從內(nèi)部支撐間距、支撐桿大小兩方面保證零件總體強度能夠符合要去。外部支撐設(shè)計中支撐區(qū)域、支撐類型的選擇以及支撐形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計等是其中的重要內(nèi)容，而主要的控制參數(shù)就包含有基本厚度、圓錐長度、端點分支、分叉最小高度等。支撐設(shè)置只有保持在合理范圍內(nèi)才不會造成負面影響，如果出現(xiàn)設(shè)置過多或過于粗壯，不但會造成樹脂材料的浪費，還會造成后期處理支撐時出現(xiàn)剝離困難，對零件表面質(zhì)量造成影響；支撐太細或者太稀疏則會給模型制作帶來塌陷、變形等各種缺陷。同時在對支撐進行設(shè)計過程中應(yīng)該盡可能的將易于打磨處理或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量要求相對較低的區(qū)域作為支撐區(qū)域。

4 結(jié)語

綜上所述，光固化3D打印快速成型技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，隨著光固化3D打印快速成型技術(shù)的不斷完善和技術(shù)水平的提升，其應(yīng)用前景將更加廣闊。

參考文獻

[1]戴京濤，趙培仲，魏華凱，等.光固化復(fù)合材料的研究進展[J].化工新型材料，2016，44（3）：15-16.

[2]李東方，陳繼民，袁艷萍，等.光固化快速成型技術(shù)的進展及應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，41（12）：1769-1774.

[3]邵中魁，姜耀林.光固化3D打印關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機電工程，2015，32（2）：180-184.