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(kuò)大，針對(duì)復(fù)雜構(gòu)建制造快速成型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，推動(dòng)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(duì)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(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017ZZX107）。

從產(chǎn)品開發(fā)周期、生產(chǎn)成本、滿足個(gè)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(duì)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(shí)代的不斷發(fā)展進(jìn)步，人們對(duì)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(diǎn)集中在了對(duì)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(duì)打印配套的低成本光敏樹脂的開發(fā)以及經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(gè)剖面依次堆積并粘合在一起，形成成品。光固化3D打印整個(gè)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(shí)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(jì)出來。除去構(gòu)想、設(shè)計(jì)模式之外也能夠通過利用專業(yè)3D掃描儀對(duì)已有物體進(jìn)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(jìn)行分離處理，分離成連續(xù)的、不同的截面，而每個(gè)截面厚度都需要根據(jù)打印材料屬性和打印機(jī)的規(guī)格來決定。實(shí)體打印階段：需要在分層處理基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)打印機(jī)的掃描路徑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制激光頭和升降臺(tái)，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(dá)到固化作用，完成一個(gè)截面的打印工作。在一個(gè)截面打印完成之后需要通過升降臺(tái)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(dá)到三維立體模型設(shè)計(jì)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(duì)打印之后所存在的層紋或是粗糙的截面進(jìn)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(jì)要求或原產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)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(diǎn)

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(diǎn)優(yōu)勢和特點(diǎn)：第一點(diǎn)成形速度相對(duì)較快，從最初的設(shè)計(jì)到原型打印完成時(shí)間范圍控制在幾小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)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(shí)間。第二點(diǎn)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(jì)。第三點(diǎn)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(shí)現(xiàn)DMD各個(gè)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(dá)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(xì)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(diǎn)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(diǎn)擊參數(shù)配置中的Configure Slicing Profile，設(shè)置打印層厚，曝光時(shí)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(diǎn)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(jì)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(jī)工作平臺(tái)上模型布置的合理性。對(duì)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(dá)到了0.05mm，但臺(tái)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(shí)在打印件成形過程中其質(zhì)量也會(huì)受到殼內(nèi)、外部支撐設(shè)計(jì)合理性的影響，支撐設(shè)計(jì)合理性甚至?xí)?duì)一次打印成敗起到?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(qiáng)度能夠符合要去。外部支撐設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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(huì)造成負(fù)面影響，如果出現(xiàn)設(shè)置過多或過于粗壯，不但會(huì)造成樹脂材料的浪費(fèi)，還會(huì)造成后期處理支撐時(shí)出現(xiàn)剝離困難，對(duì)零件表面質(zhì)量造成影響；支撐太細(xì)或者太稀疏則會(huì)給模型制作帶來塌陷、變形等各種缺陷。同時(shí)在對(duì)支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)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(xiàn)

[1]戴京濤，趙培仲，魏華凱，等.光固化復(fù)合材料的研究進(jìn)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(jìn)展及應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jī)電工程，2015，32（2）：180-184.