SLA光固化3D打印成型技術(shù)研究

孔祥忠

（湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414000）

3D打印機(jī)的原理是將數(shù)據(jù)和原材料放入3D打印機(jī)中，然后機(jī)器根據(jù)該程序制造產(chǎn)品。光敏樹脂選擇性光固化是采用立體雕刻（Stereo Lithography Apparatus）原理工藝，并且也是最早，最成熟且使用最廣泛的快速成型技術(shù)。SLA光固化3D打印技術(shù)已進(jìn)入所有領(lǐng)域，提高了打印精度，簡化了復(fù)雜零件的制造，節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了人工成本。目前，國內(nèi)外制造商正在出現(xiàn)小收縮、快速固化并具有高強(qiáng)度的光敏材料，正是這些因素使SLA光固化3D打印機(jī)在我國越來越受歡迎。本文以SLA光固化3D打印成型技術(shù)為研究對象，簡述在教學(xué)過程中的體會。

1 SLA光固化3D打印成型技術(shù)

SLA光固化3D打印主要以光敏樹脂為原料，其基本理論是以光敏樹脂快速固化為基礎(chǔ)，光敏樹脂在特定波長（250～400nm）的紫外線照射下，會發(fā)生聚合反應(yīng)立并固化，從點(diǎn)到線依次固化，完成層截面繪制，然后層層重疊，完成3D實(shí)體打印工作。圖1為SLA立體光固化工藝的原理。

圖1 SLA 3D光固化成型工藝原理圖

2 SLA光固化3D打印成型工藝

2.1 前處理

前處理的主要操作步驟包括CAD模型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、確定擺放方位、施加支撐和切片分層等。

（1）CAD三維模型。3D實(shí)體建模是CAD模型所需的原始數(shù)據(jù)源的最佳表示，可以使用CAD軟件（例如UG，Pro/E）來實(shí)現(xiàn)CAD模型的3D建模。圖2為扳手的3D建模。

圖2 CAD模型圖

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如圖3，數(shù)據(jù)處理實(shí)際上使用了許多小三角形近似CAD模型，在這一階段需要關(guān)注的是STL文件生成的精度控制。

圖3 STL數(shù)據(jù)模型

（3）確定擺放方位。為了提高原型制作的質(zhì)量和一些關(guān)鍵尺寸和形狀的精度，最大尺寸的方向必須是層疊方向。由于上述扳手的尺寸較小，選擇將其豎立，如圖4所示，以確保軸外徑和內(nèi)孔的精度。同時，將大端朝下放置，可以減少支撐量。

圖4 模型的擺放方位

（4）施加支撐。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，施加支撐直接原型的制作過程質(zhì)量。目前，先進(jìn)支撐類型主要為點(diǎn)支撐，圖5就是點(diǎn)支撐。

圖5 模型施加支撐

（5）切片分層。施加支撐后，沿著高度方向切片生成SLC形式所需的層數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行原型制作。

2.2 原型制作

光固化過程是在專用光固化系統(tǒng)上進(jìn)行的。在制作原型前，需要啟動光固化的制作原型系統(tǒng)，使樹脂材料溫度達(dá)到設(shè)置的溫度。激光打開后，設(shè)定的溫度保持不變。設(shè)備正常工作后，啟動原型控制軟件，讀取前處理的層數(shù)據(jù)文件。在制造模型前，為了保證支撐和工作臺的網(wǎng)板之間穩(wěn)定連接，調(diào)整網(wǎng)板零位和樹脂的液位之間的位置。

2.3 后處理

（1）在原型制作完成后，工作臺升至液面上方，停留5～10分鐘左右，干燥去除多余的樹脂。（2）將原型和工作臺合并，干燥后浸泡在丙酮或酒精之類的清潔溶液中，然后攪拌約45分鐘以除去剩余的氣泡，將其放置在水池中以洗滌工作臺約5分鐘。（3）從工作臺上取下原型，拆下支撐結(jié)構(gòu)。洗干凈后，放在UV烤箱里固化。

3 光固化3D打印成型的誤差

3.1 幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差

在開始成型過程之前，必須將3D CAD模型切成薄片并以STL格式分層，以獲取該過程所需的橫截面輪廓信息集，但是，在數(shù)據(jù)處理期間會導(dǎo)致誤差。

3.2 激光掃描方式對成型精度的影響

掃描方式與成品內(nèi)部的應(yīng)力緊密相關(guān)，適當(dāng)掃描方式可抑制成品的收縮，防止翹曲和提高成品的精度。SLA工藝在成型過程中，采用定向平行路徑法進(jìn)行固體填充，即每條填充路徑相互平行，并在邊界內(nèi)來回掃描填充，稱為Z字形掃描法。這種掃描法避免激光切換，提高成型效率，消除分區(qū)收縮應(yīng)力，從而降低了收縮變形和提高成型的精度。

3.3 光斑直徑大小對成型尺寸的影響

在光固化過程中，圓形光斑直徑為恒定，固化線寬度相當(dāng)于光斑直徑，未校正光斑掃描路徑，在成型品的外周放大一個光斑半徑，造成正偏差。為了降低或消除正偏差，通常將實(shí)體內(nèi)的光斑掃描路徑縮小一個光斑半徑。

4 結(jié)語

本文研究了SLA光固化3D打印成型技術(shù)，分析了SLA光固化3D打印成型技術(shù)的基本原理、成型工藝和精度；在教學(xué)過程中需要著重強(qiáng)調(diào)紫外線波長為250～400nm這一特定條件，并分析SLA光固化3D打印成型技術(shù)的優(yōu)劣勢，以及SLA光固化3D打印成型的前處理、原型制作、后處理的工藝過程。