3D打印技術在圖學模型中的應用研究

馮志徽，黃偉莉

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330000）

0 引言

目前市場常用的組合模型一直以來是木制和塑料制品，采用切削加工和注塑成型方法制作，模型形體呈整體式結構或對分剖切式結構，功能單一，無法進行形體變換，且笨重不便攜帶。其中幾何體常見的連接組合方式有螺紋連接、鍵連接、銷連接或是膠水黏合等，無法拆分。而采用3D打印技術制作組合模型，各種基本單元體采用薄壁中空結構，可實現(xiàn)輕量化要求。

光固化3D打印，又稱立體光刻（SLA），是最早發(fā)展的商用3D技術[1－2]，也是目前非金屬類的物件快速制造廣泛使用的主流技術[3]。根據鑄造、打磨、拋光等工藝的實際需求，設計出可用于組合的3D模型，通過光固化3D打印機打印出可組合樹脂模型，代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。

在光固化3D打印技術制作組合模型的過程中，3D建模和可鑄造樹脂3D打印是兩個最為重要的環(huán)節(jié)，本文就這兩個環(huán)節(jié)在制作組合模型中遇到的問題進行探究，優(yōu)化模型的設計和打印的流程，以達到最好的倒模效果，供模型之間能隨意組合。

1 光固化3D打印技術的工作過程

光固化3D打印技術的打印機基本構成和打印原理如圖1所示。光固化快速成型系統(tǒng)由5個部分組成，分別為液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)[4]。工作時，在液槽中盛滿液態(tài)光固化聚合物，帶有很多小孔洞的可升降工作臺在步進電機的驅動下，沿著Z軸方向做往復運動[5]。掃描系統(tǒng)由一組定位鏡組成，它能依據計算機控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，按照每一層的截面的輪廓信息做高速往復擺動，使得激光器發(fā)出的激光束反射后聚集在液槽里的液態(tài)聚合物表面上，同時沿此面做X－Y平面的掃描運動。當一層液態(tài)光固化聚合物受到紫外激光束照射時，其就會快速固化且形成相應的一層固態(tài)截面輪廓[6]。

圖1 光固化3D打印技術的工藝過程Fig.1 Process of stereolithogra?phy 3D printing technology

光固化3D打印技術的工作原理是首先使用軟件對數(shù)字模型沿Z軸進行切片處理，根據所需要的精度（即每層切片的厚度）確定切片的層數(shù)。精度越高，每層切片厚度就越小，則層數(shù)就越多，打印所需時間就越長。紫外激光器根據切片的形狀，發(fā)出相應的紫外光線，該層樹脂則會固化，就產生了所需的3D形狀。固化的樹脂逐層疊加，最終形成完整的3D模型。逐層疊加的過程中，每層之間的形狀差異就是層紋。層紋有特定的方向、結構和厚度，會影響模型細節(jié)。切片精度取決于光固化打印機的Z軸絲杠的機械精度，精度越低層紋越明顯[7]。

2 光固化3D打印技術制作圖學模型流程

使用光固化3D打印技術制作圖學模型的流程與傳統(tǒng)模式（切削加工和注塑成型）相比，主要區(qū)別于3D建模和可鑄造樹脂3D打印這兩個步驟。具體制作圖學模型流程如圖2所示。

圖2 光固化3D打印技術制作圖學模型流程Fig.2 Flow chart of stereolithography 3D printing technology

在圖學模型的制作中，首先要對圖學模型進行設計，使集合體既能靈活組合，又可以全面形象的展現(xiàn)出集合體內部結構。接著在電腦上進行3D建模，將建模完成的模型保存為STL文件并在切片軟件上進行切片，然后導入3D打印機中。由于剛打印出的模型表面留有液態(tài)樹脂以及模型的硬度欠缺，需在酒精或專用清洗液中清洗并且在紫外固化箱內固化。將固化后的模型鑲嵌磁鐵，觀察模型是否能夠符合要求自由組合，符合要求則進行打磨、拋光。如果不符合要求，設計了工藝對模型用液態(tài)樹脂進行修補并且再次固化，進行打磨、拋光。

3 光固化3D打印技術在制作圖學模型中遇到的問題探究

在使用光固化3D打印技術制作圖學模型的過程中，發(fā)現(xiàn)了在制作模型的工藝上存在一些缺陷，并開始尋求怎樣解決這些缺陷。以此圖學模型為例，其組合拆分如圖3所示。

圖3 模型磁化成型組合拆分Fig.3 Model magnetization molding combination split diagram

3.1 打印出的模型有殘缺以及變形明顯

光固化3D打印工藝與其他3D打印工藝相比，其在打印精度方面有著較為明顯的優(yōu)勢。這就對切片軟件以及使用其熟練度要求較高，以圖3組合模型中編號①的模型為例展開研究。

在CHITUBOX軟件上給模型添加支撐和底座，如圖4所示，把模型文件保存為STL格式，登錄Nanodlp頁面，上傳需要打印的STL文件，對文件進行切片設置。最后提交打印機進行打印。

圖4 模型添加支撐與底座Fig.4 Model adding support and base

打印出的模型如圖5所示。

圖5 打印出的模型Fig.5 Printed model

由圖5可知，打印出的模型表面出現(xiàn)凹陷（A），側面（B、D）和棱角處（C）出現(xiàn)缺陷以及層紋很明顯。對此分析棱角處（C）的缺陷可能與支撐有關，因為在對模型進行加支撐的時候，棱角出的支撐稀少，并且棱角處是打印的著力點，所承受的力較大，棱角處很難固化，導致了缺陷的出現(xiàn)。模型表面（A、D）屬于同一種問題，可能是打印的時候離型問題，由于離型膜屬于耗材，在使用幾個月后，存在離型力下降的可能，其次，如果離型膜上有突起，也會使平臺和離型膜的間距過大，Z軸上的打印平臺每次抬升的時候有一部分樹脂在離型膜上面沒有完全離型，樹脂越積越多堆在一起，固化后模型出現(xiàn)層紋明顯和表面不平整。模型B處的洞可能跟排氣孔有關，打印的模型在CHITUBOX軟件上進行了抽殼，里面處于真空狀態(tài)，在模型底部打了通氣孔，當把模型取出時發(fā)現(xiàn)排氣孔已經堵塞，可能使得打印時里面空氣出不來，模型在橫截面最大處很難被拉起來，導致模型出現(xiàn)像B處那樣的孔洞。

基于以上假設，本文進行了一一探究：（1）在CHI?TUBOX軟件上把模型棱角處增添更多支撐，通氣孔由原來的2 mm增加到3 mm，如圖6所示；（2）更換打印機離型膜，把樹脂槽從打印機中取出，槽中樹脂導入瓶中，更換槽底部的離型膜。

圖6 模型支撐和底座設置Fig.6 Model support and base setting

將模型文件導入Nanodlp切片軟件中，其切片設置保持不變，最后提交到打印機中進行打印。打印出的模型如圖7所示。

圖7 打印的模型的左右視圖及俯視圖Fig.7 Left and right and top view of the printed model

由左右視圖可知，模型表面凹凸不平消失，棱角輪廓線無缺陷，說明之前的假設是成立的。但是由俯視圖可以清晰地觀察到模型表面有層紋和裂開的缺陷，推測出現(xiàn)這種問題可能與料槽中樹脂回流填充有關，打印此模型是在夜晚，溫度降低，流動性差，沒有足夠的時間回流，可能導致模型表面出現(xiàn)層紋和裂開的缺陷。

在保持其他條件不變的情況下，選擇白天打印，溫度適中，變化幅度小，打印出的模型如圖8所示。由圖可知，模型表面層紋和裂開缺陷基本不存在，僅在側面有裂痕。分析出現(xiàn)這種缺陷主要與溫度有關，雖然選擇在白天打印，但是這個模型橫截面積大，打印需要6 h，無法保證打印時一直在恒溫，而且還受其他因素的影響，例如樹脂材料、樹脂散熱等。

圖8 白天打印出的模型Fig.8 Printed model in the daytime

3.2 消除去支撐后模型表面留下的印記的方法

光固化3D打印機在打印模型時，需要在模型上添加支撐，會使用同種打印材料作為支撐，用軟件在3D模型上添加許多支撐，支撐為圓柱狀，底部較粗，頭部逐漸變細，打印完成后需要小心地剪除支撐，去除支撐后，原支撐接觸模型的位置會在模型上留下小凹點或小凸點，小凸點可以用砂紙打磨平整，而小凹點無法打磨，會使得模型表面看起來不平整。

無法保證全部影響因素在可控的情況下，出現(xiàn)如圖8這種少量缺陷和去支撐留下的印記，重新打印則浪費材料和大量時間。針對以上兩種情況，設計了以下工藝可以對模型進行修復。

（1）把模型取出后清洗、固化，然后用尖嘴鉗小心地去除支撐。

（2）用膠頭滴管吸取少量樹脂溶液滴在模型表面缺陷處和支撐凹陷處，迅速放入紫外固化箱內，固化時間需要6~9 min，膠頭滴管使用后要用酒精清洗。

（3）從固化箱取出模型，觀察模型表面補缺處樹脂固化程度，如果沒有完全固化，繼續(xù)放入固化箱內，待完全固化后取出。

圖9 模型修復Fig.9 Model repair

（4）將完全固化模型補缺處在砂紙上打磨拋光，使其與周圍表面融為一體。

將圖8打印出的模型經過以上工藝進行修復，修復后如圖9所示，由圖可以觀察出此前的缺陷消失，并且修復后變得很光滑，與周圍表面融為一體。

3.3 存在的其他問題

（1）組裝圖學模型尺寸公差。打印出的模型要進行組裝，而光固化3D打印機受限于目前現(xiàn)有光固化樹脂的本身性能（熱固性）以及打印機對材料粘度的要求（低粘度意味著的相對高收縮），使得打印出的模型會出現(xiàn)尺寸收縮，這就要求建模時注意工藝匹配問題。

（2）打印速度。打印過程中的快速提拉吸附力，樹脂回流填充，樹脂散熱等工藝問題也是制約進一步提高打印速度的重要因素。隨著3D打印技術普及，對可鑄造樹脂材料深入研究，樹脂性能不斷提高，打印速度也會隨之增加，打印模型的時間會大大縮短，溫度會容易控制，打印出模型的缺陷也會減少。

4 結束語

（1）基于磁學原理的網格組合式圖學模型，模塊化設計特點，利用磁學原理可實現(xiàn)靈活拆裝，自由組合，攜帶方便；由于具有可拆分特點，因此，內外結構全方位可觀察，立體表面的截交線、相貫線的形成過程也可通過模型組合進行觀察解析；各種基本單元體采用薄壁中空結構，采用3D打印技術制作，實現(xiàn)輕量化要求。

（2）對于光固化3D打印技術在制作圖學模型中遇到的問題，通過工藝試驗不斷探究解決辦法，如對缺陷少的模型和模型表面支撐留下凹凸點問題進行修復，提出了自己的方法，有效地解決了打印出模型的利用率，節(jié)約了材料，改善了3D打印技術在制作圖學模型中存在的問題。