張軍前，劉宇

(1.西安航空學(xué)院，西安 710077； 2.西安紅慶機(jī)械廠，西安 710077)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，低能耗、智能化以及個(gè)性定制化已成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)，其中3D打印技術(shù)作為其中具有代表性的先進(jìn)制造技術(shù)之一[1-2]，其基于離散-堆積的制造思想，將三維模型二維化，按照點(diǎn)-線-面-體的制造順序，根據(jù)二維離散模型的形狀尺寸數(shù)據(jù)逐點(diǎn)、逐線、逐面進(jìn)行制造累積，從而實(shí)現(xiàn)三維模型的立體化增材制造[3-4]。在眾多的3D打印工藝中，立體光固化(SLA)工藝作為出現(xiàn)最早的3D打印工藝之一，與其它3D打印工藝相比，其在打印效率、打印精度以及制件強(qiáng)度方面均有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，在保證零件強(qiáng)度和精度的前提下不受零件復(fù)雜程度的影響，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零部件的“自由制造”[5-7]。

在SLA成型工藝中，成型工藝參數(shù)作為影響其成型質(zhì)量最為重要的因素，相關(guān)學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了大量的研究：李晶晶等[8]以SLA成型件的力學(xué)性能作為衡量指標(biāo)，研究了成型工藝參數(shù)對(duì)其成型質(zhì)量的影響，得出SLA成型工藝參數(shù)對(duì)SLA成型件力學(xué)性能的影響及變化規(guī)律；蔣三生[9]和張新聚等[10]研究了SLA成型工藝參數(shù)對(duì)光敏樹(shù)脂成型件成型質(zhì)量的影響，得出了在最佳成型強(qiáng)度及精度前提下的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并對(duì)其合理性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而筆者發(fā)現(xiàn)對(duì)于SLA成型件的成型精度而言，在實(shí)驗(yàn)中常體現(xiàn)為收縮狀態(tài)，過(guò)大的尺寸收縮會(huì)在影響成型件成型尺寸精度的同時(shí)，還會(huì)使成型件出現(xiàn)較為嚴(yán)重的變形，從而使成型件的成型質(zhì)量出現(xiàn)大幅下滑，因此在SLA成型工藝中對(duì)于模型尺寸進(jìn)行修正是非常有必要的，而對(duì)于該方面的研究報(bào)道相對(duì)少見(jiàn)。因此筆者以SLA成型光敏樹(shù)脂成型件的收縮率作為衡量指標(biāo)，研究了工藝參數(shù)對(duì)某國(guó)產(chǎn)光敏樹(shù)脂SLA成型精度的影響；通過(guò)控制變量法研究了主要工藝參數(shù)對(duì)其成型質(zhì)量的影響及變化規(guī)律，并經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)和極差分析的方法確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合，在最優(yōu)條件下進(jìn)行SLA成型實(shí)驗(yàn)以確定該光敏樹(shù)脂的成型尺寸修正系數(shù)，最后使用該系數(shù)對(duì)模型X向、Y向和Z向的尺寸進(jìn)行修正，并進(jìn)行驗(yàn)證成型實(shí)驗(yàn)。這對(duì)于光敏樹(shù)脂的3D打印工藝在成型精度的保證方面提供了一定的理論基礎(chǔ)，對(duì)于光敏樹(shù)脂3D打印精度的提高具有一定的幫助與指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

SLA專用型光敏樹(shù)脂：SZUV-W8001型，上海數(shù)造機(jī)電科技股份有限公司。

1．2 主要儀器與設(shè)備

SLA快速成型機(jī)：SPS500型，陜西恒通智能機(jī)器有限公司；

超聲波清洗機(jī)：SG3300HE型，杭州億捷科技有限公司；

UV固化機(jī)：JY-UV-1500型，東莞市精域環(huán)境測(cè)試設(shè)備有限公司；

數(shù)顯式游標(biāo)卡尺：100型，量程為0～150 mm，溫州盛測(cè)儀器儀表有限公司。

1．3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

首先為了得出各工藝參數(shù)對(duì)光敏樹(shù)脂SLA成型質(zhì)量影響的基本規(guī)律，根據(jù)前期基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出能夠滿足光敏樹(shù)脂基本成型要求的工藝參數(shù)范圍，并對(duì)其進(jìn)行等間距的劃分處理，作為后續(xù)單因素實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)的變化值，具體工藝參數(shù)范圍如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)范圍表

其次在通過(guò)控制變量法得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析得出在相同條件下能夠使SLA成型件質(zhì)量較好的3個(gè)工藝參數(shù)值，將其作為工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)變量；然后通過(guò)正交試驗(yàn)和極差分析，并根據(jù)綜合平衡法原則得出最優(yōu)的成型工藝參數(shù)組合。

最后在最優(yōu)工藝參數(shù)組合的條件下進(jìn)行SLA成型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算得出成型件在X向、Y向和Z向的成型尺寸收縮修正系數(shù)；通過(guò)修正系數(shù)對(duì)三維模型修正后進(jìn)行SLA成型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)試樣制備。

在環(huán)境溫度25℃、光斑直徑0.1 mm、輪廓掃描速度1 200 mm/s等基礎(chǔ)參數(shù)不變的條件下，參照GB/T 1043-2008中的相關(guān)要求制備尺寸為120 mm×15 mm×10 mm的試樣。同時(shí)為了排除其它次要因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在每組實(shí)驗(yàn)中同時(shí)成型3個(gè)成型件，以三個(gè)成型件實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量值的均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]；此外為了排除因成型件表面多余光敏樹(shù)脂的附著以及固化效果差的原因而造成測(cè)量結(jié)果誤差較大的現(xiàn)象，首先選擇超聲波清洗機(jī)對(duì)成型件進(jìn)行清洗以去除其表面的多余光敏樹(shù)脂，其次將清洗好的成型件瀝干水分后放入U(xiǎn)V固化機(jī)進(jìn)行后固化，處理時(shí)間在15 min左右，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表征

(1)成型件收縮率的測(cè)量。

以成型件X向、Y向和Z向的尺寸收縮率作為成型質(zhì)量的衡量指標(biāo)，其值越接近于0則說(shuō)明其成型質(zhì)量更為優(yōu)良；尺寸收縮率的值為負(fù)值，當(dāng)其值為正時(shí)表示成型件某方向尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸。其具體的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)[12-13]。

式中：S——成型件的尺寸收縮率，%；

A0——成型件設(shè)計(jì)尺寸，mm；

A1——成型件實(shí)際尺寸，mm。

(2)模型收縮修正系數(shù)的計(jì)算。

模型的成型尺寸收縮修正系數(shù)C計(jì)算方法見(jiàn)式(2)[14-15]。

2 結(jié)果與討論

在前期基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)能夠基本滿足光敏樹(shù)脂成型要求的一組工藝參數(shù)組合為：激光功率350 mW，掃描速度5 000 mm/s，分層厚度0.15 mm，因此選擇以此組工藝參數(shù)作為單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)變量，以分析各工藝參數(shù)變化對(duì)成型件成型質(zhì)量的影響。

2．1 工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響

(1)激光功率對(duì)成型件收縮率的影響。

激光功率作為SLA工藝中光敏樹(shù)脂成型的唯一能量來(lái)源，當(dāng)激光功率過(guò)小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)光敏樹(shù)脂接收的激光能量如不能滿足光敏樹(shù)脂固化的基本要求，便會(huì)造成成型件各成型層之間發(fā)生嚴(yán)重的分層、錯(cuò)層、翹邊等缺陷，從而使得成型件的成型精度受到極為不利的影響；但當(dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，過(guò)高的激光能量會(huì)使得成型件的周圍出現(xiàn)樹(shù)脂粘連現(xiàn)象，從而使得成型件的成型精度以及表面質(zhì)量出現(xiàn)大幅下降。因此在表1的基礎(chǔ)上選定掃描速度和分層厚度分別為5 000 mm/s和0.15 mm，以激光功率值作為實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行光敏樹(shù)脂成型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同激光功率下光敏樹(shù)脂的SLA成型精度

從圖1可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著激光功率的增大，成型件X向和Y向的成型尺寸收縮率不斷減小，成型質(zhì)量逐漸變好；但成型件的Z向成型尺寸收縮率基本偏向正值，即Z向尺寸并未出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，且尺寸偏差逐漸變大。因此綜合以上現(xiàn)象，可看出當(dāng)激光功率為300～400 mW時(shí)，可兼顧成型件的X向、Y向以及Z向尺寸精度，因此選擇激光功率值分別為300，350，400 mW作為正交試驗(yàn)中的三個(gè)水平變量。

(2)掃描速度對(duì)成型件收縮率的影響。

掃描速度決定著SLA成型工藝的成型效率，適當(dāng)?shù)膾呙杷俣仍诒ＷC成型質(zhì)量的同時(shí)還具有較高的成型效率，但當(dāng)掃描速度過(guò)高時(shí)，激光作用在光敏樹(shù)脂上的時(shí)間過(guò)短，從而造成光敏樹(shù)脂固化效果下降，造成光敏樹(shù)脂“欠固化”，從而導(dǎo)致光敏樹(shù)脂成型件成型質(zhì)量出現(xiàn)較為明顯的下降；但當(dāng)掃描速度過(guò)低時(shí)，激光能量的作用時(shí)間大幅延長(zhǎng)，導(dǎo)致激光能量在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)能量擴(kuò)散現(xiàn)象，造成光敏樹(shù)脂的“過(guò)固化”，從而使得SLA成型件出現(xiàn)光敏樹(shù)脂粘連現(xiàn)象，導(dǎo)致成型質(zhì)量變差，尤其在成型件的X向和Y向表現(xiàn)得極為突出。因此在表1的基礎(chǔ)上選定激光功率和分層厚度分別為350 mW和0.15 mm，以掃描速度值作為實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行光敏樹(shù)脂成型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同掃描速度下光敏樹(shù)脂的SLA成型精度

從圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著掃描速度的不斷提高，成型件的X向、Y向以及Z向的尺寸收縮率均從正值逐漸變?yōu)樨?fù)值，且偏差值逐漸變大；當(dāng)掃描速度為3 500～6 500 mm/s時(shí)各向尺寸收縮率總體上處于相對(duì)較小的狀態(tài)，因此選擇掃描速度值分別為3 500，5 000，6 500 mm/s作為正交試驗(yàn)中的三個(gè)水平變量。

(3)分層厚度對(duì)成型件收縮率的影響。

分層厚度決定了光敏樹(shù)脂SLA成型件的“精細(xì)度”，根據(jù)3D打印的基本原理可知越小的分層厚度會(huì)使得成型件具有更高的“精細(xì)度”[16]，但在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)當(dāng)分層厚度過(guò)小時(shí)，刮板在刮平樹(shù)脂的過(guò)程中由于推動(dòng)作用會(huì)造成成型層的微小移動(dòng)，從而影響了光敏樹(shù)脂成型件的成型精度；但當(dāng)分層厚度過(guò)大時(shí)，由于3D打印工藝的固有屬性，會(huì)導(dǎo)致成型件出現(xiàn)嚴(yán)重的“臺(tái)階效應(yīng)”，從而使得成型件的成型質(zhì)量急劇變差。因此在表1的基礎(chǔ)上選定激光功率和掃描速度分別為350 mW和5 000 mm/s，以分層厚度值作為實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行光敏樹(shù)脂成型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同分層厚度下光敏樹(shù)脂的SLA成型質(zhì)量

從圖3可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著分層厚度的不斷增大，成型件的X向尺寸收縮率并未出現(xiàn)明顯變化，但對(duì)于成型件的Y向和Z向尺寸收縮率而言，其值逐漸從正值變向負(fù)值，當(dāng)分層厚度為0.10～0.20 mm時(shí)，其成型尺寸收縮率總體上處于相對(duì)較小的狀態(tài)，因此選擇分層厚度值分別為0.10，0.15，0.20 mm作為正交試驗(yàn)中的三個(gè)水平變量。

2．2 成型工藝參數(shù)的優(yōu)選

為了得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，選擇正交試驗(yàn)以及極差分析的方法研究了各工藝參數(shù)對(duì)光敏樹(shù)脂成型質(zhì)量的影響程度以及變化規(guī)律，并根據(jù)綜合平衡法的原則確定出了能夠同時(shí)滿足X向、Y向以及Z向尺寸精度要求的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。具體的“三因素三水平”正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示，結(jié)果如表3所示。

表2 “三因素三水平”正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

從表3可以看出成型件在X向尺寸收縮率變化范圍為-0.25%～-0.02%，Y向尺寸收縮率的變化范圍為-0.75%～0%，Z向尺寸收縮率變化范圍為-1.28%～1.21%。

對(duì)上述正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析，其中X向、Y向及Z向的尺寸收縮率的極差分析結(jié)果分別如表4、表5及表6所示，其中Ki(i=1，2，3)值為同一因素三個(gè)水平下的結(jié)果之和，該值越接近于0，則證明結(jié)果越好。

從表4可以看出，以成型件X向成型尺寸收縮率作為衡量指標(biāo)時(shí)，各工藝參數(shù)對(duì)其的影響程度大小為：掃描速度＞分層厚度＞激光功率；最佳的工藝參數(shù)組合為A3B1C2，即激光功率400 mW，掃描速度3 500 mm/s，分層厚度0.15 mm。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 X向成型尺寸收縮率極差分析

表5 Y向成型尺寸收縮率極差分析

表6 Z向成型尺寸收縮率極差分析

從表5可以看出，以成型件Y向成型尺寸收縮率作為衡量指標(biāo)時(shí)，各工藝參數(shù)對(duì)其的影響程度大小為：激光功率＞分層厚度＞掃描速度；其最佳的工藝參數(shù)組合為A2B2C1，即激光功率350 mW，掃描速度5 000 mm/s，分層厚度0.1 mm。

從表6可以看出，以成型件Z向成型尺寸收縮率作為衡量指標(biāo)時(shí)，各工藝參數(shù)對(duì)其的影響程度大小為：掃描速度＞激光功率＞分層厚度；其最佳的工藝參數(shù)組合為A2B2C1，即激光功率350 mW，掃描速度5 000 mm/s，分層厚度0.1 mm。

綜合以上分析可知，分別以X向、Y向以及Z向成型尺寸收縮率作為衡量指標(biāo)時(shí)其分別對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合不完全相同，同時(shí)還可看出，成型件Z向尺寸偏差多呈現(xiàn)為正值，這是因?yàn)閆向尺寸在成型過(guò)程中受到能量累積以及添加支撐等SLA固有屬性的影響較為嚴(yán)重，因此在后續(xù)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)選中主要將其作為次要參考值進(jìn)行評(píng)判。最后為了獲取能夠同時(shí)滿足X向、Y向以及Z向成型質(zhì)量最優(yōu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)組合，根據(jù)綜合平衡法原則進(jìn)行綜合評(píng)判[17]：首先就激光功率而言，其對(duì)于X向成型尺寸精度的影響程度最小，對(duì)于Y向成型尺寸精度的影響程度最大，因此在對(duì)激光功率值進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，應(yīng)考慮該值首先滿足Y向尺寸精度最優(yōu)時(shí)的需求，進(jìn)而可知其最優(yōu)值為A2，即激光功率350 mW；其次就掃描速度而言，其對(duì)于X向成型尺寸精度的影響程度最大，對(duì)Y向成型尺寸精度的影響程度最小，因此在對(duì)掃描速度值進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，應(yīng)考慮該值首先滿足X向尺寸精度最優(yōu)時(shí)的需求，進(jìn)而可知其最優(yōu)值為B1，即掃描速度3 500 mm/s；最后對(duì)于分層厚度而言，其對(duì)于X向和Y向的成型尺寸精度影響程度一致，故同時(shí)參考其對(duì)于Z向成型尺寸精度的影響，進(jìn)而可確定其最優(yōu)值應(yīng)為C1，即分層厚度0.1 mm；進(jìn)而可知能夠同時(shí)滿足X向、Y向以及Z向成型尺寸精度最優(yōu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)組合為：A2B1C1，即激光功率350 mW，掃描速度度3 500 mm/s，分層厚度0.1 mm。

2．3 尺寸修正系數(shù)的確定

在最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行光敏樹(shù)脂SLA成型實(shí)驗(yàn)，可得到成型件的X向、Y向以及Z向的成型尺寸精度分別為-0.092%，-0.19%和0.78%，從而可知在SLA工藝中模型X向、Y向以及Z向的尺寸收縮修正系數(shù)分比為1.001，1.002和0.992。根據(jù)得出的尺寸修正系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行修正，在最優(yōu)工藝參數(shù)組合下進(jìn)行SLA成型驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)尺寸修正后模型X向、Y向以及Z向的打印尺寸精度分別為-0.01%，-0.11%和0.43%。

3 結(jié)論

(1)光敏樹(shù)脂SLA成型件的X向和Y向成型尺寸精度主要表現(xiàn)為收縮狀態(tài)，其成型尺寸偏差多為負(fù)值，對(duì)于Z向尺寸偏差由于受到能量累積以及添加支撐等SLA固有屬性的影響而主要表現(xiàn)為正值。

(2)以成型件X向、Y向和Z成型尺寸收縮率作為衡量指標(biāo)，其綜合最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合為：激光功率350 mW，掃描速度3 500 mm/s，分層厚度0.1 mm。

(3)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，光敏樹(shù)脂SLA成型件模型的X向、Y向以及Z向的成型尺寸收縮修正系數(shù)分別為1.001，1.002和0.992，對(duì)模型經(jīng)過(guò)尺寸修正后進(jìn)行SLA成型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成型件X向、Y向以及Z向的成型尺寸精度分別為-0.01%，-0.11%和0.43%。