模型引導(dǎo)的分層與連續(xù)相結(jié)合的 3D 打印

李言東 毋立芳* 崔可建 楊 鋒 趙立東

1(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部 北京 100124)2(北京石墨烯研究院 北京 100094)

1 引 言

近年來，3D 打印技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、機械制造、航天航空、藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域[1-4]。根據(jù)材料和打印方式的不同，3D 打印分為熔融沉積型、光固化快速成型、選擇性激光燒結(jié)、金屬激光燒結(jié)等類型[5-8]。數(shù)字光處理技術(shù)(Digital Light Processing，DLP)面曝光 3D 打印由于其一次可固化一個面，且具有打印速度快、精度高、成本低等優(yōu)勢，廣泛受到人們歡迎[9-11]。DLP 面曝光快速成型 3D 打印主要分為基于氣體控制方案、基于光照控制方案和基于液體控制方案 3 類。

2015 年，Carbon 3D 公司提出基于氣體的光固化快速成型控制方案[12]，該方案的樹脂槽底部是一個透氧的窗口，通過這個窗口注入氧氣后會在已成型樹脂和薄膜之間形成一個“死區(qū)”，光敏樹脂可以在“死區(qū)”上方聚合，而不是直接在薄膜上聚合，因此，樹脂可以不斷地流入死區(qū)，實現(xiàn)連續(xù)成型。然而，該系統(tǒng)采用的氧氣控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能導(dǎo)致表面固化不良。2019 年，基于光照的光固化快速成型控制方案[13-15]被提出，其原理是通過兩束不同波長的光混合實現(xiàn)聚合——一束光抑制緊鄰樹脂槽底部玻璃板的聚合，另一束光引發(fā)樹脂聚合。但是，這種基于光照的控制方案更加復(fù)雜，且打印速度受到激光光源和樹脂材料限制。

基于液體的光固化快速成型控制方案最早由中科院化學(xué)所宋延林團隊于 2018 年提出，可聚合形成一種有光滑特性、超低粘度的制造表面[16]。該方案是將交聯(lián)聚二甲基硅氧烷(ploydimethylsiloxane，PDMS)在全氟碳中浸泡 24 h 制備超低粘合度界面(ultra-low adhesive energy interface，S-PDMS)。這種通過二維界面特性控制三維結(jié)構(gòu)成型的策略，為快速 3D 打印的發(fā)展提供了新的思路，使打印材料能夠連續(xù)、快速、高精度地成型。2019 年，美國西北大學(xué)提出了基于液液界面的連續(xù)成型[17]。但是，上述方法都只能打印鏤空結(jié)構(gòu)，可打印的模型類型受限。

2021 年，Liu 等[18]提出連續(xù)打印過程中樹脂材料最大可填充距離(Maximum Fillable Distance，MFD)的概念，并結(jié)合分層打印[11]和連續(xù)打印[12]開展光固化快速打印。但是，該方案在打印過程中存在潤滑液流失現(xiàn)象，使得成型樹脂和超低粘合度界面(S-PDMS)膜間的粘附力增加，連續(xù)打印模型到一定高度時，成型樹脂會將膜拉破，導(dǎo)致打印失敗、打印模型高度受限。基于液液界面連續(xù)成型研究[17]，本文提出一種在模型引導(dǎo)下分層打印和連續(xù)打印相結(jié)合的 DLP 3D打印方案，并利用一定厚度的氟化油形成液體界面。首先，通過攝像機監(jiān)測打印過程，實驗估計液液界面上的 MFD，以便確定切片是否可以連續(xù)打??；其次，對分層打印的平臺提出了最佳提升高度(Optimal Lifting Height，OLH)的概念，并通過實驗對該參數(shù)進行了測試；最后，基于樹脂材料的 MFD 和 OLH，結(jié)合模型分析，設(shè)計了一個模型自適應(yīng)的打印控制方案，以有效結(jié)合連續(xù)打印和分層打印，大大提升打印效率，成功打印了多個模型。

2 打印參數(shù)估計

2.1 3D 打印機設(shè)備

本實驗設(shè)計了一個下曝光[8]的面曝光快速成型設(shè)備，如圖 1 所示。該系統(tǒng)包括 4 個重要的部分：用來投射模型切片的 DLP 紫外光單元，監(jiān)視打印過程的相機單元，提拉成型樹脂的升降臺單元和集玻璃板、潤滑液、光敏樹脂于一體的樹脂槽單元。為保證光照強度和打印精度，DLP 紫外光單元采用明基 TK800M 4K 分辨率投影儀。樹脂槽單元是系統(tǒng)的核心單元，其底部是透光的玻璃板，玻璃板上方使用有一定厚度的氟化油(潤滑液)作為打印平面，其中氟化油密度比樹脂大且不混溶[17]；接著，氟化油上方是液態(tài)的光敏樹脂，它們在交界面處能形成一個穩(wěn)定的打印表面。

圖1 打印系統(tǒng)局部圖Fig. 1 The schematic diagram of the local system

模型切片的紫外線光束從投影儀首先投到樹脂槽底部；然后，通過樹脂槽底部玻璃板和潤滑液；最后，聚焦到潤滑液表面上，液態(tài)光敏樹脂遇到紫外光會快速固化。對于連續(xù)打印，投影儀連續(xù)投圖，打印平臺以恒定的速度上升。對于分層打印，每固化一層后，投影黑屏，平臺先沿Z軸垂直上升到一個最佳高度，以便迅速填充樹脂材料，然后又下降一定高度，形成固定厚度的樹脂層，實驗中模型切片厚度設(shè)置為 0.1 mm。如平臺上升 5.1 mm 后下降 5 mm，即可形成 0.1 mm厚度的樹脂層，隨后繼續(xù)投影出下一個切片，反復(fù)此過程，直到打印結(jié)束。

此外，相機單元在分層打印和連續(xù)打印中都起到關(guān)鍵的作用。打印開始前，相機可用來觀測投影儀聚焦準(zhǔn)確度，通過相機的反饋，調(diào)整最佳曝光圖像，最大程度減小硬件上帶來的誤差。同時，相機還可以實時監(jiān)控打印過程，通過相機觀察樹脂流動情況和成型情況，對視覺數(shù)據(jù)進一步分析，確定每個切片是否被樹脂材料充分填充。

2.2 最大填充距離估計

連續(xù)打印過程中，平臺連續(xù)上升會導(dǎo)致已經(jīng)固化的樹脂層和潤滑液之間出現(xiàn)真空，在打印一定實心結(jié)構(gòu)的切片時，樹脂需要在很短的時間內(nèi)填充到曝光區(qū)域才能保證切片的正常固化。樹脂填充的快慢同樹脂材料的屬性和流動過程中受到的作用力、光照強度以及潤滑液種類等因素有關(guān)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，連續(xù)打印實心模型過程中，樹脂不能充分填充，導(dǎo)致連續(xù)打印只能打印鏤空結(jié)構(gòu)和薄片結(jié)構(gòu)的模型。圖 2 是相機監(jiān)控打印過程中正常和異常的圖像，其中，圖 2(a)是分層打印正常固化的切片，可以看到樹脂能完整填充整個切片，而圖 2(b)是相機捕捉連續(xù)打印過程中樹脂的瞬間狀態(tài)，可以看到在平臺連續(xù)上升過程中樹脂未能完全填充整個曝光區(qū)域。Liu 等[18]提出用 MFD 來評估平臺以不同的速度連續(xù)上升時樹脂的最大填充距離，探究連續(xù)打印過程中允許打印的最大實心結(jié)構(gòu)占比的切片，并且基于他們的設(shè)備和材料測量系統(tǒng)中的 MFD，得出一個界定分層打印還是連續(xù)打印的閾值。

圖2 相機監(jiān)控的圖像Fig. 2 Images monitored by the camera

Liu 等[18]將基于浸泡潤滑液的超低粘度S-PDMS 膜作為打印平面估計 MFD，而本實驗通過使用一定厚度的氟化油代替浸泡潤滑液的S-PDMS 膜，從根本上解決打印過程中潤滑液流失問題。但因成型樹脂與打印平面的粘度和材料都發(fā)生了改變，因此，本實驗采用類似想法的實驗來估計基于氟化油液體界面打印方案的 MFD。

本實驗使用的氟化油液面高度為 8 mm，照明強度為最高的 20 mW，平臺連續(xù)上升速度為0.06 mm/s 來進行打印測試。切片尺寸從 1.0 cm×1.0 cm 逐漸下降，通過觀察打印模型的表面光滑度來估計 MFD。由圖 3 可知，當(dāng)模型切片尺寸為0.6 cm×0.6 cm、0.7 cm×0.7 cm、0.8 cm×0.8 cm、0.9 cm×0.9 cm 和 1.0 cm×1.0 cm 時，打印模型表面都會存在凹陷，說明樹脂填充不及時。當(dāng)模型切片尺寸為 0.5 cm×0.5 cm 時，打印模型表面光滑，說明樹脂填充及時，打印成功。打印正方形切片時，樹脂會從正方形周圍進行補充，邊長為 0.5 cm 的正方形，其中心到邊長的最小距離為0.25 cm，也就是說樹脂材料能夠流動的最大距離為 0.25 cm，即 MFD 是 0.25 cm。

圖3 連續(xù)打印不同尺寸的正方形切片F(xiàn)ig. 3 Continuous printing of square slices of diあerent sizes

2.3 最佳提升高度估計

在分層打印時，每打印一層后，投影儀進行黑屏等待，然后平臺上升一定的距離，使樹脂迅速地填滿曝光區(qū)域，接著平臺下降，平臺上升下降的高度差可形成一定厚度的樹脂間隙，隨后投影儀繼續(xù)曝光下一層切片。設(shè)置切片厚度為 0.1 mm，即打印平臺提升Hmm 高度，下降(H－0.1) mm的高度，樹脂填充曝光區(qū)域形成 0.1 mm 待打印樹脂層，所以在測試平臺最佳提升高度的實驗中，其上升下降的高度差為 0.1 mm。在分層打印過程中，如果平臺上升得越高，樹脂材料可以填充得越快，但是平臺需要更長的移動距離和黑屏等待時間，導(dǎo)致打印效率變低。因此，可通過模型引導(dǎo)的方法，根據(jù)不同的切片來自動選擇最佳提升高度，將打印效率最優(yōu)化。本文提出 OLH的概念，用來確定分層打印過程中平臺提升高度的最優(yōu)參數(shù)。為了使樹脂材料能完整填充，可根據(jù)分層打印的切片尺寸的不同選擇平臺最佳提升高度：打印大尺寸的實心模型時，平臺提升高度相對較高；打印相對小尺寸的實心模型時，平臺提升高度相對較小，有效提升打印效率。

本文通過實驗估計 OLH，分別對尺寸為 1 cm×1 cm×1 cm 的立方體和直徑為 2 cm 高度為 1 cm的圓柱體進行分層打印，分層打印中平臺提升高度H分別設(shè)置為 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，打印出來的物體如圖 4 所示。由圖 4 可知，1 cm×1 cm×1 cm 的正方體在所有平臺提升高度下都可以成功打印，確定其 OLH 為 2 mm。而對于直徑為 2 cm 高度為 1 cm 的圓柱體，當(dāng)平臺提升 2～6 mm 時，打印物體的表面均會出現(xiàn)凹陷，即在該范圍內(nèi)，平臺提升的高度不能使樹脂完整填充曝光區(qū)域；當(dāng)平臺提升高度為 8 mm 和10 mm 時，圓柱表面填充完整，成功打印。進一步對尺寸為 1.5 cm×1.5 cm×1 cm 的長方體和直徑為 1.5 cm 高度為 1 cm 的圓柱體進行測試，平臺提升高度H分別設(shè)置為 2 mm、4 mm、6 mm，打印結(jié)果如圖 5 所示。由圖 5 可知，當(dāng)平臺提升高度為 2 mm 時，打印成型物體表面均出現(xiàn)凹陷；當(dāng)平臺提升高度大于或等于 4 mm 時候，可以完整打印。此外，本實驗還用類似的方法對尺寸為3 cm×3 cm×1 cm 的長方體模型的最佳提升高度進行評估，估算結(jié)果為 8 mm，樹脂槽允許的最大可打印模型切片的面積為 6 cm×6 cm，平臺提升 8 mm 高度都能分層正常打印。OLH 的評估和樹脂材料、平臺上升速度、打印切片的尺寸是密切相關(guān)的，本實驗在平臺上升速度一致的情況下，為了達到最高的打印效率，平臺一直保持設(shè)備支持的最大速度。

圖4 分層打印 1cm×1cm×1cm 的正方體和 2cm 直徑 1cm 高度的圓柱體Fig. 4 Print 1 cm×1 cm×1 cm squares and 2 cm diameter and 1 cm height cylinders in layers

圖5 分層打印 1.5 cm×1.5 cm×1 cm 的長方體和 1.5 cm直徑 1 cm 高度的圓柱體Fig. 5 Print 1.5 cm×1.5 cm×1 cm rectangles and 1.5 cm diameter and 1 cm height cylinders in layers

綜上所述，中心到邊緣的距離小于 0.25 cm的切片，均可以進行連續(xù)打??；中心到邊緣的距離大于 0.25 cm 的切片需要分層打印。分層打印時，中心到邊緣的距離為 0.25～0.5 cm 的切片，OLH 為 2 mm；中心到邊緣的距離為 0.5～0.75 cm的切片，OLH 為 4 mm；中心到邊緣的距離為0.75～3 cm 的切片，OLH 為 8 mm。

3 模型引導(dǎo)的打印控制方案

3.1 最小-最大距離

本文通過實驗評估，得到連續(xù)打印參數(shù)MFD 和分層打印參數(shù) OLH，實驗中使用的模型都是規(guī)則模型，可根據(jù)其邊長或者面積，直接確定其與兩個參數(shù)的關(guān)系。但是實際打印的模型大多是不規(guī)則的，根據(jù) Liu 等[18]提出的方法，需要計算模型每個切片的最小-最大距離(Minimum-Maximum Distance，DisMax-Min)[18]。假設(shè)切片輪廓點處的樹脂流動速度是均勻的。對于非輪廓點，如果樹脂可以流動并填充它們，則相應(yīng)的區(qū)域可以成功固化。否則，該區(qū)域就不能成功打印。對于每個非輪廓點，計算它與輪廓點的最短距離，然后取最大值，概括來說，就是一個切片上所有的點到其邊界點的最短距離中的最大值。將每一個切片的 DisMax-Min 和 MFD 比較，然后選擇是否連續(xù)打印，若 DisMax-Min 小于 MFD，那么將對應(yīng)的切片分配給連續(xù)打印模式，否則分配給分層打印模式。對于分層打印，本文根據(jù) DisMax-Min 選擇合適的 OLH，來確保高效率完整的打印?；趯嶒灲Y(jié)果選擇 3 個OLH 參數(shù)，當(dāng) DisMax-Min 在 0.25～0.50 cm 區(qū)間時，將 OLH 設(shè)置為 2 mm；當(dāng) DisMax-Min 在0.50～0.75 cm 區(qū)間時，將 OLH 設(shè)置為 4 mm；當(dāng) DisMax-Min 在 0.75～3.00 cm 區(qū)間時，將OLH 設(shè)置為 8 mm。

3.2 打印控制方案

在開始打印之前，首先，對硬件設(shè)備(如圖6)進行調(diào)試，在樹脂槽內(nèi)倒入一定高度的潤滑液并標(biāo)定，如圖 6(c)所示。其次，通過相機反饋對投影儀進行精準(zhǔn)對焦，使得投影儀投出的圖像經(jīng)過樹脂槽玻璃板后聚焦到氟化油的表面。隨后，下降平臺尋找原點，即確定第一層曝光的位置。最后，倒入樹脂，準(zhǔn)備打印。

圖6 硬件原理示意圖Fig. 6 Hardware schematic

圖 7 是本文提出的打印控制方案。首先，使用 Formware 3D 軟件將選定的三維模型進行切片。然后，計算每個切片的 DisMax-Min，并和MFD 進行比較，選擇打印方式，若切片 DisMax-Min 大于 MFD，這意味著樹脂材料不能完整填充曝光區(qū)域，那么應(yīng)采取分層打印方式，并根據(jù)DisMax-Min 所在的范圍選擇平臺的 OLH，反之則分配連續(xù)打印方式，將所有切片的打印方式導(dǎo)入配置文件后開始打印，直到打印完成。

圖7 打印控制方案Fig. 7 Model-guided printing control scheme

4 實驗結(jié)果

將該打印方案和 Liu 等[18]的方案進行對比，打印如圖 8 所示的模型。模型塔被分為 6 個部分，第 1、3、5 部分是實心結(jié)構(gòu)，第 2、4、6 部分是鏤空結(jié)構(gòu)。Liu 等[18]因為潤滑液流失的問題，可打印最大高度為 7.5 cm，模型的第 1 部分主要是六邊形結(jié)構(gòu)，實體結(jié)構(gòu)的寬度為 3.0～4.2 cm，DisMax-Min 為 1.5～2.1 cm，都比其 MFD 大，所以采用分層打印。第 3 部分和第 5 部分雖然是實心結(jié)構(gòu)，但是其 DisMax-Min 都比 MFD 小，所以采用連續(xù)打印。第 2、4、6 部分為鏤空結(jié)構(gòu)，均采用連續(xù)打印。等比例放大模型約 1.5 倍用于本文方案的打印測試，模型第 1 部分最大切片的邊長為 6 cm，達到樹脂槽可打印最大直徑，放大后模型的高度為 11.5 cm。在本文的打印方案中，第 1、3、5 部分實心結(jié)構(gòu)的 DisMax-Min 都大于MFD，因此都采用分層打印，并根據(jù)其 DisMax-Min 的大小選擇對應(yīng)的 OLH 值實現(xiàn)效率最優(yōu)化。第 2、4、6 部分為鏤空結(jié)構(gòu)采用連續(xù)打印。

圖8 對比實驗Fig. 8 Comparison experiments

在整個模型的打印過程中，本文方案不受潤滑液的影響，成型樹脂始終與液液界面保持較好的離型力，而 Liu 等[18]的方案由于存在潤滑液流失的問題，無法成功打印和本文高度相同的模型。因此，本研究方案從根本上解決潤滑液流失的問題，適用于更廣泛的模型且沒有高度限制。此外，利用本文方案打印的另外 3 個模型如圖 9所示。這 3 個模型的結(jié)構(gòu)都是鏤空和實心結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用現(xiàn)有的連續(xù)打印方法均不能實現(xiàn)。模型的實心結(jié)構(gòu)和鏤空結(jié)構(gòu)的比例會影響打印時間，實心區(qū)域占比越多，意味著更多切片被分層打印，反之更多的切片被連續(xù)打印。用本文提出的打印方法和傳統(tǒng)分層打印方法分別對圖 9 的模型進行打印，打印時間如表 1 所示。由表 1 數(shù)據(jù)分析可得，相比于傳統(tǒng)分層打印方案，本文方案的打印時間大大縮短。

圖9 打印其他模型Fig. 9 Other printed objects

表1 不同的方法打印 3 個模型所用的時間Table 1 The time taken to print the three models by different methods

5 討論與分析

本文提出了一種在模型引導(dǎo)下分層打印與連續(xù)打印相結(jié)合的快速 DLP 3D 打印方法，通過實驗測定了 MFD 和 OLH，并結(jié)合模型分析，實現(xiàn)了連續(xù)與分層成型的有機結(jié)合。此外，其基于液液界面成型，解決了打印過程中潤滑液流失的問題，實現(xiàn)了模型適用性好、無高度限制的大體積打印。通過比較本文方案和傳統(tǒng)分層打印方案打印相同的模型，本文方案大大提升了打印效率。但是，目前的 MFD 和 OLH 均通過實驗測試來完成，其精確性、準(zhǔn)確度以及環(huán)境適應(yīng)性都有待提高。在后續(xù)工作中，將通過流體力學(xué)模擬和分析，結(jié)合實驗測試，獲得更加精確的參數(shù)，從而實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的打印。