對連續光固化面成型工藝參數與成型精度的關系研究

陳偉強

1. 江西理工大學 江西 南昌 330013；2. 中國福建光電信息科學與技術創新實驗室 福建 福州 350108

引言

區別于傳統的SLA工藝，連續面成型過程的工藝參數優化無法直接參考SLA工藝的研究結果，需要在對連續面成型工藝過程進行具體研究后，根據分析結果具體篩選影響制件成型精度的主要因素，再通過工藝實驗對參數進行優化。

1 成型精度影響因素分析

連續面成型的實際成型過程包括：①已固化樹脂形成的制件隨著成型平臺的運動，與樹脂槽底部成型區域形成空隙；②四周的樹脂迅速流入，填補成型區域；③光源連續投影制件截面的特征圖像，光敏樹脂接收到的能量逐漸累積，新補充至成型區域的樹脂發生固化。該過程在制件成型過程中不斷重復，直至整個制件的成型完成。在樹脂固化的同時打印臺沿Z向連續運動，成型區域出現短暫的樹脂缺失現象，需要四周的樹脂補充。對于本文中所搭建的實驗平臺，由于存在液體高度差，四周的樹脂會在壓力差的作用下向成型區域流動。

根據之前對樹脂流平過程的分析，可以發現樹脂的流平速度受到流動過程中損失的壓力降ΔP、待流平區域大小以及樹脂本身流動特性的影響，而與樹脂上下表面接觸到的固體界面的粗糙度無關[1]。

因為將樹脂從四周流平到中心成型位置的過程視作為管內流動過程，且為非圓管的層流流動，因此需要計算該過程的等效水力直徑，有：

式中：A ─ 樹脂流經的截面積/mm2；p ─ 流體接觸的固體周邊長度/mm；h─ 樹脂流經區域厚度/mm；b─ 樹脂流經區域寬度/mm。

根據管內流動公式，考慮流動過程的對稱性，計算管內流動過程中的平均流動速度：

根據Beer-Lambert定理，有：

公式（5）說明隨著樹脂與光源間距離的不斷增大，該層樹脂所能接收到的能量也在逐漸減小。如圖3所示，考慮樹脂的填充時間，為保證最終成型件無表面缺陷，對于樹脂完全填充成型區域前接收的能量以及該層移動至不再接收照射能量前的總能量需要滿足以下的邊界條件：

樹脂在完成成型區域的填充前保持液態狀態，即此時所吸收的能量小于樹脂的臨界曝光量，

在懋功，一些地主窖藏了不少歷年積存的糧食，他們逃走時這些藏糧是無法帶走的，因此各地蘇維埃政府能協助紅軍籌集到相當數量的糧食。根據當年新橋大壩口蘇維埃的成員余七爸回憶，僅大壩口這樣一個小村子，籌到的糧食就在1萬斤左右。① 《紅軍長征過懋功》，《中共阿壩州黨史研究資料》第12期，1986年8月內部版，第54頁。另外，紅軍接管了國民黨在懋功的倉庫存糧。當時，在縣城禹王宮有一存糧倉庫，名為“濟倉”，存糧在20萬斤左右。

在該層遠離光源照射區域不再吸收能量繼續固化前，該層樹脂完成固化，因而有

根據分析可知，為了保證光固化連續成型的制件精度，需要嚴格控制成型過程中的曝光強度與打印速度。因此，本章將通過設計工藝實驗，研究曝光強度、打印速度與制件成型精度間的具體關系。

2 工藝參數對連續成型制件精度的影響

根據對連續面成型過程的分析，可知在連續成型過程中，曝光強度與打印速度是主要影響制件成型精度的工藝參數，因此本節針對曝光強度與打印速度設計工藝實驗，研究這兩項參數對制件成型精度的影響。

2.1 打印速度對成型精度的影響

為了研究在實際的成型過程中打印速度與樹脂固化厚度之間的具體關系，利用已知固化特性的樹脂制作H型懸臂件。其懸臂部分能夠良好反映在不受限制的情況下采用不同打印速度制件的固化厚度，可用于測試不同打印速度設置下樹脂的實際固化厚度與設計厚度間的關系。

為了較為準確的分析打印速度對制件固化厚度的影響，設置5個組別的實驗，各分組實驗環境相同，均采用曝光強度相同、打印速度改變的實驗模式。實驗具體包括五組不同曝光強度（10～18mW/cm2），各組中打印速度均按照0.02mm/s的間隔從0.09mm/s增長至0.17mm/s。使用千分尺測量H制件的固化厚度，測量精度為0.001mm。將測量值根據分組排列。

根據測量結果，計算相同參數下各測試件懸臂中心位置的平均固化厚度，按照組別依次繪制打印速度-固化厚度關系圖。

根據關系圖觀察得到制件的固化厚度隨著打印速度的改變，呈現一種近似線性的關系。對不同打印速度下固化厚度與曝光強度的關系作線性擬合，可得到隨著打印速度由0.09mm/s增大至0.17mm/s，曝光強度-固化厚度曲線的斜率由分別為0.0161、0.011、0.0096、0.0083、0.0092，整體呈現一種下降趨勢，即隨著打印速度的增大，相同曝光強度下光敏樹脂固化厚度的增長率呈一個逐漸減小的趨勢。

為了進一步研究成型過程中打印速度與制件固化厚度的關系，根據假設成型中單位厚度樹脂所接收的能量即光敏樹脂接收能量總和與打印速度成反比，則在相同的條件下，光敏樹脂單位厚度所接收的能量相同。根據前期防粘控制的研究結果，測量時6組不同打印速度下H型制件懸臂中心位置處的固化厚度。

隨著速度的增加，光敏樹脂吸收相同曝光量后固化厚度逐漸減小，這意味著隨著速度的增加，固化指定成型厚度所需的能量隨之增加。因此在實際的固化過程中，需要引入與打印速度相關的比例系數Cv，用以相應增大固化時所使用光源的曝光強度，來獲得與設計尺寸一致的固化厚度。

2.2 曝光強度對成型精度的影響

光固化反應中只有當光敏樹脂吸收的曝光量超過臨界值，即滿足時才能發生固化，因此曝光強度的設置將直接影響制件的固化。

若曝光強度太低，固化所需時間長，制件固化程度低。在成型平臺快速移動過程中，制件吸收到的曝光量低，導致光敏樹脂未能發生固化或固化程度低，制件邊緣存在大量缺陷，成型制件尺寸小于原設計尺寸，出現“分層”甚至部分邊緣缺失的現象；若曝光強度過大，制件吸收曝光量增加，則會導致制件與樹脂槽底部防黏膜之間的分離力驟增，導致打印失敗。

根據前期大量實驗，可以得出曝光強度是影響制件XY平面的精度的主要工藝參數，為了研究不同曝光強度與XY平面內成型精度的具體關系，以及成型不同截面形狀時制件的精度變化，分別采用0.15mm/s、0.17mm/s以及0.19mm/s的打印速度，打印截面形狀為長方體、回字形、圓柱、圓環的制件。根據前文的研究，成型過程中的曝光強度范圍設置為6～18mW/cm2之間，按照打印速度進行相應調整。

為了排除實驗過程中可能產生的隨機誤差以及測量過程中的人為誤差，采用相同工藝參數制作多個制件，中空制件由于千分尺無法夾持，因此采用數顯游標卡尺進行測量，精度為0.01mm。

將測得的不同截面形狀的制件的具體尺寸按照打印速度的不同分為3組，繪制曝光強度-成型尺寸關系圖。隨著曝光強度的增加，不同截面形狀的制件的尺寸都有明顯增加，更接近設計尺寸，但相同的打印速度、曝光強度下，不同截面形狀的制件的變化趨勢之間仍存在明顯差異，為了較為準確地研究不同截面形狀對成型精度的影響，將計算所得的各制件的精度誤差百分比按照截面形狀分組，以曝光強度為自變量，繪制曝光強度-成型制件尺寸誤差關系圖。對于不同截面形狀的制件，其固化后的尺寸誤差都隨著曝光強度的增大而逐漸減小，在曝光強度的設置值達到14～18mW/cm2時，各打印速度下制件的線尺寸誤差均降至7%左右[2]。

根據實驗結果不同截面形狀制件的收縮都會隨曝光強度的增大而逐漸減小，在增大曝光強度的設置值至14～18mW/cm2時，各截面形狀制件的尺寸誤差均降至5%上下，由此可推斷在一定范圍內增大曝光強度能有效降低制件固化后實際尺寸與設計尺寸之間的誤差。但若繼續增大曝光強度，隨著曝光量的增大，制件與樹脂槽底部的防黏膜之間的分離力也會急遽增大，導致打印的失敗。因此對于實驗中所使用的樹脂材料，為了進一步減小制件在XY平面內實際成型尺寸與設計尺寸之間的誤差，需要對制件在XY平面內的尺寸進行補償。

采用優化的曝光強度與打印速度打印出的制件的Z向精度的尺寸誤差已經減小至0.6%以下，可以良好匹配制件的理論分層厚度，達到較高的Z向分辨率，從而保證制件細節特征的完整。

在針對提高制件Z向精度而對曝光強度與打印速度進行優化后，根據前文對制件XY平面精度的分析，需要通過補償以減小制件在截面內的精度誤差。為了確定制件的補償規律，使用經過優化的打印參數制作不同截面形狀零件。通過測量各打印參數下制件的實際尺寸，計算制件在該參數下與理論尺寸間的誤差，獲取補償制件XY平面精度的具體參數。

通過分析連續面成型過程可知，制件打印過程中，因為光源一直保持開啟，光敏樹脂隨著平臺上升由四周向成型區域補充時也一直在接收紫外光能量，因此制件截面內中心區域與四周接收的能量大小有所差異，而基于Z向精度優化的打印參數為了保證制件的實際固化厚度與理論值一致，并未將四周邊緣位置的樹脂固化過程考慮在內。

因此，為了補償因為曝光量在樹脂補充過程中的差異導致的制件尺寸偏小，采用較大曝光強度的打印參數組合，根據采集到的實驗數據，在基于Z向精度優化的工藝參數中，選取曝光強度設置為18mW/cm2，打印速度為0.25mm/s時，對制件的XY尺寸也進行相應補償，并根據工藝實驗結果對中空制件與實體制件的截面分別采用5%與7%的誤差補償。

基于制件Z向精度，根據推導公式計算分層厚度為25.4μm時，使用打印速度為0.25mm/s，曝光強度為18mW/cm2打印制件，并按照成型工藝實驗的測量結果，對該打印參數下實體制件與中空制件的XY平面精度分別進行7%與5%的尺寸補償，經過對制件各截面的尺寸補償，各制件最終的打印尺寸與理論尺寸間的誤差均被降低至1%以下，實體制件的誤差則在0.2%左右[3]。

3 結束語

綜上所述，本文首先通過對成型過程的分析，列出影響制件成型精度的主要工藝參數；然后利用搭建的光固化連續面成型實驗平臺，通過實驗研究工藝參數與制件在XY平面內及Z方向精度的關系；最終通過平衡各工藝參數對成型精度的影響，獲得最優的工藝參數組合，提高制件的成型精度。