王琛 于嘉浩 蔣玉婷

摘 要：本文介紹了立體光刻快速成型技術(shù)的工作原理及工藝過(guò)程，通過(guò)具體實(shí)例探索模型布置規(guī)律，總結(jié)模型布置原則，對(duì)節(jié)省支撐材料、提高打印效率具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：立體光刻;快速成型;模型布置

立體光刻成型技術(shù)作為目前快速成型領(lǐng)域中最成熟的技術(shù)，以其精準(zhǔn)的尺寸、優(yōu)良的質(zhì)量被廣泛應(yīng)用于航空工程、機(jī)械制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。[1]立體光刻成型技術(shù)是基于光敏樹(shù)脂的光聚合原理而工作的，其缺點(diǎn)為材料成本高昂。因此，從模型布置角度探索節(jié)約支撐材料、提高打印效率的方法具有重要意義。

1 立體光刻快速成型

1.1 工作原理

立體光刻快速成型技術(shù)使用的材料為光敏樹(shù)脂和石蠟，光敏樹(shù)脂為成型材料，石蠟為支撐材料。[2]光敏樹(shù)脂由于其材料的特性，在一定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的紫外光照射下可以從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。紫外光束的移動(dòng)軌跡受成型數(shù)據(jù)的控制，在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)固化。[3]完成當(dāng)前成型面的掃描后，打印頭上升固定高度重復(fù)上述過(guò)程，直到成型件完成。

1.2 工藝過(guò)程

立體光刻快速成型的工藝過(guò)程如下：

（1）載入模型。立體光刻快速成型機(jī)的控制軟件需要載入STL模型。[4]因此，參數(shù)化軟件中建立的模型必須轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式。為了保證成型精度和表面質(zhì)量，轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要根據(jù)不同軟件設(shè)置恰當(dāng)?shù)年P(guān)鍵參數(shù)，避免環(huán)邊、破面等問(wèn)題的出現(xiàn)。[5]

（2）模型布置。模型布置即在控制軟件中操作，對(duì)載入的STL模型進(jìn)行空間排布。模型布置的好壞直接影響打印時(shí)間和支撐用材。因此，模型布置必需參考模型布置原則，探索最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程的優(yōu)化。

（3）打印模型。打印模型前需要等待材料融化，檢查打印平臺(tái)是否處于水平面。一切就緒后，計(jì)算機(jī)將成型數(shù)據(jù)傳送給快速成型機(jī)，模型打印開(kāi)始。打印過(guò)程中，成型材料從不同探頭同步噴射，需要保證探頭內(nèi)部的流通，避免設(shè)備損壞。[6]

（4）后處理工藝。后處理工藝將光敏樹(shù)脂和石蠟進(jìn)行分離。首先，將模型放入冰柜中冷卻，使模型完全固化。然后，把模型放入烘箱中加熱，除去表面大部分石蠟。最后，通過(guò)油浴進(jìn)一步除去表面及凹槽處的石蠟。后處理工藝需要控制好溫度和時(shí)間，在徹底分離石蠟的同時(shí)避免模型受熱變形。

2 模型布置分析

在立體光刻快速成型的工藝過(guò)程中，模型布置直接影響打印時(shí)間和材料用量。本研究使用的是projet-5000快速成型機(jī)，設(shè)計(jì)100mm*50mm*10mm的長(zhǎng)方體試件。通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)分析，總結(jié)模型布置規(guī)律如下：

2.1 模型數(shù)量與打印時(shí)間的關(guān)系

以長(zhǎng)方體試件為例，在打印平臺(tái)里排列一個(gè)長(zhǎng)方體試件的打印時(shí)間與排列多個(gè)長(zhǎng)方體試件的打印時(shí)間相同。由此可知，同一成型平面內(nèi)，模型數(shù)量對(duì)打印時(shí)間的影響很小。為了提高打印效率，在打印平臺(tái)內(nèi)應(yīng)盡可能多地排布模型。

2.2 成型高度與打印時(shí)間的關(guān)系

以長(zhǎng)方體試件為例，調(diào)整長(zhǎng)方體試件的成型高度，即長(zhǎng)方體試件與打印平臺(tái)間的夾角（從90°到0°）。隨著長(zhǎng)方體試件與打印平臺(tái)間夾角度數(shù)的減小，打印時(shí)間變短。因此，在打印模型時(shí)，應(yīng)盡量減少成型高度，增大支撐面的投影面積，使打印時(shí)間大大縮短。

2.3 成型高度與支撐用材的關(guān)系

以長(zhǎng)方體試件為例，將長(zhǎng)方體試件與打印平臺(tái)的夾角逐漸減?。◤?0°到0°），即成型高度逐漸降低。長(zhǎng)方體試件處于懸空狀態(tài)，為了防止變形，需要在打印平臺(tái)和試件之間的空間里增加支撐結(jié)構(gòu)。支撐材料的用量由打印平臺(tái)和試件間相夾空間的體積決定，成型角度減小的過(guò)程中，相夾空間的體積逐漸減小，支撐材料的用量隨之變小。為了節(jié)省支撐材料，可以減少模型與成型平臺(tái)的夾角，即減少成型高度，增大支撐面的投影面積。因此，對(duì)同一模型而言，成型角度越小，成型高度越低，支撐材料用量越小。

3 模型布置優(yōu)化

根據(jù)模型布置分析，優(yōu)化模型布置的原則總結(jié)如下：

第一，立體光刻快速成型的同一成型平面內(nèi)，模型布置的數(shù)量對(duì)打印時(shí)間的影響很小，在布置模型時(shí)應(yīng)該充分利用打印平臺(tái)的空間，盡可能多地排布模型，這樣既可以提高成型效率，又能節(jié)省打印時(shí)間。

第二，空間模型布置時(shí)應(yīng)考慮打印時(shí)間及支撐用材兩個(gè)因素，應(yīng)盡量減小成型高度，增大支撐面的投影面積，在減少打印時(shí)間的同時(shí)節(jié)省支撐用材，使打印過(guò)程更加合理。

4 結(jié)語(yǔ)

立體光刻作為一種出現(xiàn)最早、技術(shù)成熟的快速成型技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。為了優(yōu)化打印過(guò)程，本文對(duì)立體光刻快速成型工藝進(jìn)行了分析，通過(guò)具體實(shí)例對(duì)比，探索了模型布置規(guī)律，總結(jié)了模型布置原則，對(duì)該工藝的推廣應(yīng)用具有參考和啟發(fā)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王琛，于嘉浩，陸紅紅，蔣雨婷.基于快速成型技術(shù)的中國(guó)古典家具模型制作工藝研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.

[2] 郁舒蘭，施佳露，于娜，吳成.交互式老年人手指握力康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].家具，2019，41（2）：84-88.

[3] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發(fā)平均生產(chǎn)周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[4] 王子軒，吳智慧.辦公環(huán)境中建筑與家具的文化體現(xiàn)[J].家具，2019，41（2）：41-45.

[5] 周季純，吳燕.圈椅的起源與發(fā)展[J].家具，2019，41（2）：62-65.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內(nèi)有害揮發(fā)物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡(jiǎn)介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。