LCD型3D打印機中光固化成型參數優選

朱炯光，李華雄，張 煒

（佛山職業技術學院 智能制造學院，廣東 佛山 528137）

3D打印技術起源于美國，自20世紀80年代首次應用以來[1]，在全球范圍內掀起了一場關于3D打印的熱潮，被英國雜志《經濟學人》喻為第三次工業革命的重要標志之一。其中光固化3D打印技術是“增材制造”領域研究最早，也較為成熟的打印技術之一，兼具3D打印成型的精密、快速、可控、安全等技術優勢以及光固化的固化速度快、穩定性高、表面粗糙度低、環境友好等諸多優點，受到了世界各國科學家們的重點關注，現已發展成為應用最為廣泛的3D打印技術[2-6]。

3D打印技術分類很多[7]，根據打印方式不同分為SLA技術（立體光刻技術）、DLP技術（數字成像技術）、LCD技術（液晶成像技術）、CLIP技術（連續液面制造技術）、CAL技術（計算軸向光刻技術）。SLA技術是通過紫外光由點到線、由線到面進行掃描固化，打印速度較慢；DLP技術是將模型的截面圖形投射到光敏樹脂表面上，逐層的開展光固化，以面面疊加的方式成型，打印速度較SLA技術大幅增加[8]。LCD打印技術誕生于DLP技術的基礎上，兩者核心技術的主要差別是LCD技術的每層圖像由液晶成像控制，取代了DLP技術昂貴的光機系統[9]，LCD技術可利用400 mm～600 mm的可見光，可用普通的LCD顯示面板，不加任何改裝或改背光，直接作為光源（相當于光源升級）。CLIP技術和CAL技術是近五六年來發展的新技術，分別利用氧阻聚效應和累積光照的方式使打印速度比DLP技術更快。綜合比較打印質量和速度，現階段LCD技術普及率較高。

光固化成型的優點為材料利用率高，材料浪費少；缺點為材料成本高昂，普及度較低[10]。潘金龍等人從打印設備參數設置、零件加工擺放及支撐設計兩個方面，基于理論及實踐經驗分析了光固化快速成型技術中影響成型件質量的主要因素，提出了激光功率、打印層厚、刮刀運動速度等設備參數的建議取值范圍，從而對成型質量進行控制[11]。朱岳論述了組成光敏樹脂的預聚物、稀釋劑、光引發劑和阻聚劑等其他助劑的作用，選擇黏度、收縮率、反應速度等合適的各組分制備出符合3D打印要求的光敏樹脂。王琛研究光固化成型的工作原理和工藝流程，通過Projet-5000切片軟件探索光固化成型的模型布置規則，從而對節省打印材料、提高打印效率。

本研究采用正交試驗設計針對LCD型打印設備的參數進行篩選和優化設計，提高打印效率和質量，進而達到節約成本的目的。

1 方法

1.1 設備和打印材料選擇

本方法使用的打印設備為GMI光固化3D打印機，采用面曝光成型制作單元技術，功率100 W，屏幕8.9英寸，打印尺寸192120270 mm。使用的打印材料為壁掛式吹風機的集風嘴，如圖1（a）所示。集風嘴對表面光滑要求高，其凸環部分橫截直徑較小且對打印參數敏感，如圖1（b）所示。

圖1 掛壁式吹風機及集風嘴

1.2 方案設計

LCD型光固化打印過程可調整的參數過多，導致設計全面實驗法工作量過大，而且有些數據不易統計，故采用正交試驗法。考慮打印成型質量和速度的因素，選擇層高、曝光時間、抬升速度、抬升距離這4個打印參數。層高L（材料模型的切片厚度）決定了打印質量和打印時間，一般在0.025～0.2 mm之間；曝光時間t（每一層被紫外線照射固化的時間）影響打印質量和時間，過短不能成型，過長模型會膨脹；抬升速度V（打下一層平臺移動速度），過快會拉斷模型；抬升距離D主要用來脫離離型膜，過小離型膜不易和模型脫落導致打印失敗。

本次試驗采用四因素四水平的正交試驗設計，根據一般情況確定各因素的水平，如表1所示。選取L16（44）正交表，因素水平按表2進行組合。

表1 四因素四水平表

表2 L16（44）正交表

打印質量和打印時間，分別用光滑度和耗時兩個指標去衡量。為了量化評價，采用綜合評價法，將光滑度和耗時分為4個評價等級（表3），基于1∶1的權重進行求和即可得到每組試驗的綜合評價。

表3 指標評價標準

2 試驗

2.1 進行正交試驗

根據L16（44）正交表，將16組參數做好切片模型導入GMI光固化3D打印機（圖2a），得到16組試驗結果（圖2b）依照表3評價后填入綜合評價表4。打印過程中，第13組無法成型，故在圖2b中用框表示缺失。

表4 評價指標輸出結果

圖2 按正交表的打印過程

2.2 極差分析

表4得到了16組試驗結果的綜合評價。為了得到各因素對試驗結果的影響程度以及因子的重要程度，利用極差分析法對綜合評價進行判斷。

計算公式為：

式中：j為水平序號，其值為1～4；i為因素序號，其值為1～4；n為每個因素下的水平總數，其值為4；xij為第i個因素下第j個水平的輸出結果。結合公式（1）～（3）及表2和表4的內容，可得表5。

表5 極差分析表

Ri的值的大小代表著因素對綜合評價的影響程度，由表5可知，層高L＞抬升距離D＞抬升速度V＞曝光時間t，并作出各因素水平（水平按從低到高分為4個等級）對其綜合評價的影響程度的折線圖，如圖3所示。

圖3 各因素水平的綜合評價影響程度

從圖3知，隨著因素L、t、V、D水平等級的增大；L的綜合評價趨勢逐步增大，在第3水平達到峰值后再減小；t的綜合評價趨勢總體較平穩，在第3水平達到峰值；V的綜合評價趨勢在第1水平達到峰值，隨后下降趨于平穩；D的綜合評價趨勢逐步增大，在第3水平達到峰值再減小。由表5和圖3可得在綜合評價指標下理論較優組合為L3T3V1D3。

由雖然極差分析可以得到各因素的重要程度，但不能定量的對影響程度的重要性（是否顯著）進行區分。更精確的分析可以將不重要的因素去除，從而提高試驗效率。

2.3 方差分析

作為極差分析的補充，為得到更精確的顯著程度，通過L、t、V和D這4個因素對這3個指標（綜合評價、光滑度、耗時）進行方差分析，分別得到表6所示結果。

表6反映了各因素對綜合評價（反映質量和效率的指標）、光滑度、耗時的影響，就綜合評價而言，層高L對其影響顯著較高，抬升速度V、抬升距離D對其影響低顯著，曝光時間t對其影響不顯著，故在極差分析中將t剔除，最終調整為L3D3V1；僅考慮光滑度，L、D對其影響低顯著，t、V對其影響不顯著，故將極差分析中的t、V剔除，最終調整為L3D3；僅考耗時，L對其影響中度顯著，V、t對其影響低顯著，D對其影響不顯著，故將極差分析中的D剔除，最終調整為L3T3V1。

表6 綜合評價、光滑度、耗時的方差分析

3 驗證

為了證明通過極差分析所得綜合評價指標下的組合有效，按照L3D3V1的因素組合（層高L取0.1 mm、抬升距離D取5 mm、抬升速度V取40 mm/min）進行3次重復試驗，并根據表2進行打分。試驗結果的綜合評價、光滑度以及耗時的平均值分別為17、9和8。從表7中可看出其綜合評價分值高于表4中的綜合評價分值，證明L3D3V1這組參數組合在綜合評價指標下是有效的。

表7 驗證結果

4 結論

針對LCD型光固化打印的質量和效率進行了四因素四水平的正交試驗，然后對試驗結果進行了極差分析、方差分析，最后對優選的參數進行實驗驗證。跟以往同類論文相比，本研究不僅探討了四因素下打印參數的優選，更進一步地探討四因素在指標中的重要度，找到顯著性參數并刪減不顯著參數，以便在不同情形下能高效地完成作業并減少使用樹脂的成本。

理論上，若只針對光滑度指標優化，應選擇層高L、抬升距離D兩組參數，在本試驗范圍內理論較優組合為L3D3；對于耗時指標，應選擇層高L、曝光時間t、抬升速度V三組參數，在試驗范圍內理論較優組合為L3T3V1；以上優化對單一指標具有指導意義。但在實際使用時，往往考慮綜合性指標（同時具備較好表面質量和效率），也就是根據綜合評價指標優化，選擇L3D3V1組合（層高L取0.1 mm、抬升距離D取5 mm、抬升速度V取40 mm/min）。研究結論可為后續LCD型光固化打印參數優化提供參考。