填充角度對(duì)3D打印原型件側(cè)表面質(zhì)量的影響

康小青　段玉崗

摘 要：對(duì)光敏樹脂3D打印填充角度開展了工藝研究，并進(jìn)行了光鏡和表面粗糙度試驗(yàn)，獲得了填充角度對(duì)側(cè)表面質(zhì)量的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)屋喞畛浣嵌葘?duì)側(cè)表面質(zhì)量影響表現(xiàn)為隨著填充角度的增大，表面粗糙度值越小，側(cè)表面質(zhì)量越好；三輪廓填充角度對(duì)側(cè)表面質(zhì)量影響很小，表面粗糙度值相差很小。

關(guān)鍵詞：3D打印；填充角度；側(cè)表面質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U463.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）04-0028-03

1 引言

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)[1-3]，它實(shí)際上是快速成型領(lǐng)域里面的一種新興技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[4]。就其打印設(shè)備來說分成熔融沉積式（FDM）、分層實(shí)體制造（LOM）、立體光固化成型法（SLA）、電子束自由成形制造（EBF）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光熔化成型（SLM）、選擇性熱燒結(jié)（SHS）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等[5]。立體光固化成型是最早、最廣泛用于工業(yè)上的3D打印技術(shù)，其具有成型速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，立體光固化成型主要集中在掃描速度、激光功率、掃描間距，分層厚度等工藝研究，而填充角度對(duì)樣件側(cè)表面質(zhì)量的影響的工藝研究較少。因此，本文著重研究了填充角度對(duì)成型件側(cè)表面質(zhì)量的影響，為進(jìn)一步制作好的成型件提供了工藝參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

光敏樹脂，陜西恒通智能機(jī)器有限公司自制。

2.2 主要設(shè)備及儀器

激光快速成型設(shè)備，SPS600陜西恒通智能機(jī)器有限公司；光學(xué)顯微鏡，上海萬衡精密光學(xué)儀器廠；北京凱達(dá)科儀科技有限公司NDT150便攜式表面粗糙度儀。

2.3 樣品制備

用激光快速成型機(jī)將光敏樹脂制成長(zhǎng)×寬×高×厚為50mm×50mm×300mm×1mm中空的長(zhǎng)條體，此樣品作為光鏡和表面粗糙度測(cè)試件。其中，工藝參數(shù)為：激光功率350mw，掃描速度7500mm/s，分層厚度為0.1mm。

2.4 快速原型件側(cè)表面質(zhì)量測(cè)試

使用光鏡對(duì)制件側(cè)表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，并使用表面粗糙度儀對(duì)制件表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 光敏樹脂性能測(cè)試

利用已經(jīng)過設(shè)備標(biāo)定和光斑標(biāo)定后的SPS600設(shè)備，激光功率為400mw，掃描間距0.1mm，樹脂工作溫度32℃，掃描間距從1000～5000mm/s，平面掃描制作一層厚的20mm×20mm的正方形薄片，酒精清洗后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量薄片厚度。所測(cè)得的數(shù)據(jù)見表1所示，光敏樹脂曝光能量自然對(duì)數(shù)與固化深度的關(guān)系曲線圖1所示。

根據(jù)最小二乘法擬合求出所用光敏樹脂的特性參數(shù)[6-7]，臨界曝光量和透射深度分別為Ec=16.1mJ·cm-2，Dp=0.116mm。了解樹脂的特性后，可以得到此光敏樹脂最佳的掃描速度、掃描間距以及激光功率等工藝匹配，從而獲得好的側(cè)表面質(zhì)量制件。

3.2 單重輪廓填充角度對(duì)側(cè)表面質(zhì)量的影響

由于樣件制作時(shí)分層厚度為0.1mm，根據(jù)3D打印原理，都存在臺(tái)階效應(yīng)，側(cè)表面應(yīng)是以0.1mm為單元的層層累加，肉眼看到的紋路也應(yīng)該是比較均勻的0.1mm分層[8]。當(dāng)改變填充角度從圖2-6所示可以看出，填充角度對(duì)側(cè)面的質(zhì)量影響表現(xiàn)為以180°為一個(gè)周期產(chǎn)生明顯條紋間距，如90°、60°、45°、30°、15°分別為約0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm、1.2mm。圖7所示填充角度為15°時(shí)的斷面圖，可以看出肉眼看到的紋路大概為1.2mm，即證明了上述填充角度對(duì)側(cè)面紋路影響的規(guī)律。

3.3 三重輪廓填充角度對(duì)側(cè)表面質(zhì)量的影響

由圖8-12所示可以看出，當(dāng)輪廓增加到三條時(shí)，填充角度對(duì)側(cè)面條紋不再產(chǎn)生影響，具有很明顯的0.1mm分層，并且側(cè)表面質(zhì)量很好。這是由于當(dāng)輪廓數(shù)增加到三條時(shí)，輪廓固化區(qū)域已經(jīng)將填充固化區(qū)域超出部分全部覆蓋，填充固化區(qū)域?qū)?cè)表面產(chǎn)生不了影響，表現(xiàn)為側(cè)表面質(zhì)量變好。

3.4 表面粗糙度表征側(cè)表面質(zhì)量

由表2可以看出當(dāng)填充角度越小時(shí)，表面粗糙度越大，側(cè)表面質(zhì)量越差，這是由于當(dāng)角度越小時(shí)，填充固化范圍超出輪廓固化范圍越多，對(duì)側(cè)表面質(zhì)量影響越大。

由表3可以看出，當(dāng)輪廓為三條時(shí)，填充角度對(duì)表面粗糙度的影響很小。這是因?yàn)檩喞龆嗪螅畛涔袒瘏^(qū)域已全部被輪廓固化區(qū)域包圍，提高了側(cè)表面質(zhì)量。

3.5 制作零件

在SPS600激光快速成型機(jī)上按照激光功率350mw，掃描速度7500mm/s，分層厚度為0.1mm，填充角度為90°打印三陽(yáng)開泰模型，見圖13所示。

圖13所示的制件，側(cè)表面比較光滑，并且曲面部分臺(tái)階效應(yīng)也不明顯，說明目前所用的工藝參數(shù)，尤其是填充角度90°驗(yàn)證了側(cè)表面良好的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）單輪廓填充角度對(duì)側(cè)表面質(zhì)量影響表現(xiàn)為，以180°為一個(gè)周期產(chǎn)生明顯條紋間距，如90°、60°、45°、30°、15°分別為約0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm、1.2mm，隨著角度的增大，側(cè)面表面粗糙度值越小，側(cè)表面質(zhì)量越好。（2）三輪廓填充角度對(duì)側(cè)表面質(zhì)量影響很小，表面粗糙度值相差也很小。考慮到實(shí)際制件中三輪廓會(huì)影響效率，因此如果只要精度不要效率可以用三輪廓，任意的填充角度，但是如果追求高效應(yīng)選取單輪廓90°的填充角度。

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