劉艷，周昊瑞，李煒融，袁賢浦

(1.上海材料研究所有限公司，聲學(xué)超構(gòu)材料實驗室，上海 200437；2.上海材料研究所有限公司，上海消能減震工程技術(shù)研究中心，上海 200437)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，低消耗、輕量化的制造技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代制造行業(yè)的發(fā)展趨勢。增材制造技術(shù)，即3D打印技術(shù)，是近年來發(fā)展最迅速，也是最具有先進制造技術(shù)特征的技術(shù)之一。特別是以成型時間短和制造樣件美觀著稱的SLA 光固化成型技術(shù)，在復(fù)雜模型成型及個性化定制方面具有巨大優(yōu)勢。然而，采用SLA光固化技術(shù)加工薄壁構(gòu)件，易發(fā)生尺寸偏差大、力學(xué)性能差、良品率低[1-4]等問題，嚴(yán)重制約了航天、精密儀器等高精尖裝備領(lǐng)域的輕量化發(fā)展。為此，很多專家學(xué)者針對薄壁構(gòu)件的3D 打印制備技術(shù)進行了廣泛研究，通過改變構(gòu)件在打印系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與技術(shù)[5-8]，研究路徑規(guī)劃[9-11]、優(yōu)化工藝參數(shù)[12-15]等方法來解決問題。李彬等[16]使用SLA 技術(shù)研究薄板件的翹曲變形，發(fā)現(xiàn)薄板件的最大變形發(fā)生在邊界區(qū)域，靠近基座部分與薄板下表面處產(chǎn)生臺階效應(yīng)，且高度方向翹曲變形最大；許洪斌[17]等對光固化成型薄殼類零件的成型精度與時間做了探討，研究在最優(yōu)擺放角度的條件下，不同支撐的薄板的翹曲變形，提出了提高薄殼零件快速成型精度的工藝；而汪楊智[18]研究了光固化成型的薄壁件的擺放位置，創(chuàng)建打印位置優(yōu)化算法，提出優(yōu)化樣件的擺放角度以最小化臺階效應(yīng)對表面質(zhì)量的影響。

上述相關(guān)文獻中，其研究對象的薄壁厚度均大于1 mm。但在高端裝備制造領(lǐng)域，輕量化的需求迫切且極端[19-21]，需要壁厚低于1 mm的薄壁構(gòu)件制備技術(shù)。由于3D打印加工精度的限制(0.1 mm)，壁厚低于1 mm的高分子薄壁構(gòu)件，在固化加工過程中，SLA 樹脂長時間使用，樹脂黏度過大，極易發(fā)生層間樹脂填充不充分，形成空固化[22]，導(dǎo)致構(gòu)件表面出現(xiàn)不規(guī)則的凹陷、凸起以及氣泡等表面缺陷[23]，直接影響薄壁構(gòu)件的成型質(zhì)量，甚至無法成型。

筆者以壁厚為0.5 mm的薄壁平板構(gòu)件(表面積0.18 m×0.18 m)為研究對象，研究壁厚低于1 mm 的薄壁構(gòu)件制備技術(shù)。首先針對同一切片模型，采用控制變量法，逐一改變制作過程延時、平臺初始高度、液位高度、刮刀參量、樣件擺放位置等工藝參數(shù)，利用SLA光固化成型技術(shù)制備樣件；隨后，提出表面缺陷面積比這一評價指標(biāo)，并采用蒙特卡洛撒點法，確定各個試驗樣件的表面缺陷面積比；分析各個關(guān)鍵工藝參數(shù)對薄板表面缺陷的影響規(guī)律，并提出最適宜壁厚小于1 mm的薄壁平板構(gòu)件成型方案。為改善薄平板件的光固化成型技術(shù)表面缺陷問題提供了有效的技術(shù)方案，使成品滿足在極端工況或在特殊需求小于1 mm薄壁平板構(gòu)件的輕量化制備需求。

1 實驗部分

1.1 原材料

光敏樹脂:C-UV9400E，東莞愛的合成材料科技有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

加支撐軟件:Polydevs 3.0，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

切片軟件:UnionTech_BPC，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

SLA 快速成型設(shè)備:Lite600 型，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

超聲波清洗機:F-020SD型，深圳福洋科技集團有限公司。

1.3 樣品制備

研究SLA 打印平板時的表面缺陷問題，設(shè)計3×3 九塊平板的實驗?zāi)Ｐ?，平鋪在打印平臺上如圖1所示。每塊平板的厚度為0.5 mm，尺寸為180 mm×180 mm，各個平板之間間距為8 mm。并且在每塊平板的背面標(biāo)號，做好方位標(biāo)記，以便后續(xù)實驗觀察與討論。

圖1 打印模型擺放圖

考慮以下影響因素:(1)液位參數(shù)(延時/平臺初始高度/液位高度)；(2)刮刀工藝參數(shù)(刮平次數(shù)/刮刀速度/表面涂覆)；(3)樣件擺放位置。液位參數(shù)中，延時是指打印平臺(圖1中的網(wǎng)格化底面)每次改變位置的等待時間，平臺初始高度是指該打印平臺的初始高度，而液位高度是指激光器到液面的距離，即每層切片固化時液面的高度。三者均直接影響樹脂流動至成型表面的填充率。

在保證環(huán)境溫度23 ℃，環(huán)境濕度為31%，填充掃描速度8 000 mm/s 等不變的情況下，設(shè)計和使用初始的工藝參數(shù)列于表1初始參數(shù)值所示。觀察這套實驗參數(shù)制備出來的樣件出現(xiàn)的表面缺陷的問題。通過控制變量法，在滿足基本的光敏樹脂成型的要求下，只改變一個工藝參數(shù)[24-25]，保證其他的工藝參數(shù)不變進行實驗制備列于表1 參數(shù)值變化范圍，評價最后的實驗結(jié)果。

表1 SLA成型工藝參數(shù)

1.4 性能測試

完成制備后，使用蒙特卡洛撒點法[26]，對樣件表面缺陷進行統(tǒng)計。圖片撒點數(shù)量成均勻隨機分布時，不規(guī)則圖形面積與撒入圖形內(nèi)點的數(shù)量成正比。圖2為蒙特卡洛撒點法示意圖。將圖片劃分為10×10 的網(wǎng)格，統(tǒng)計凹坑與“氣泡”占整個樣件的面積之比，即:

圖2 蒙特卡洛撒點法示意圖

式中:s1——不規(guī)則圖形面積；

s2——圖片總面積；

m1——撒點到不規(guī)則圖形的數(shù)量；

m2——總?cè)鳇c數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果統(tǒng)計

按照1.3實驗控制參數(shù)中，表1的實驗初始參數(shù)完成打印。觀察得到的結(jié)果圖，用來比較后續(xù)實驗結(jié)果與初始參數(shù)打印結(jié)果的差異，以及改善工藝參數(shù)后的作用大小。

采用表1初始參數(shù)值進行多次3D打印，均在薄板表面發(fā)現(xiàn)典型缺陷，如圖3所示。

圖3 初始參數(shù)打印結(jié)果

由圖3可知，在1#，2#，3#位置表面缺陷的表征形式是凹坑結(jié)構(gòu)，圖示凸起位置的厚度為0.5 mm，符合實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計厚度，而凹坑部分的厚度小于0.5 mm。在4#，5#，6#位置表面缺陷的表征形式是凹坑以及“氣泡”結(jié)構(gòu)，表面凹坑最深0.1 mm，即最小的固化層厚。在7#，8#，9#位置的平板相比于前面6 個位置的平板打印的結(jié)果較好，但7#和8#平板的右下角位置也有少量凹坑。

按照表1 的參數(shù)打印樣件，用蒙特卡洛撒點法統(tǒng)計打印表面凹陷與“氣泡”占樣件面積之比，結(jié)果統(tǒng)計列于表2和表3。

表2 樣件表面凹陷面積比結(jié)果統(tǒng)計

表3 樣件表面氣泡面積結(jié)果統(tǒng)計

2.2 液位參數(shù)對改善表面缺陷的影響

(1)改變延時。

延時參數(shù)設(shè)置發(fā)生在平面沉降、掃描、平面下沉和刮刀移動過程，影響樹脂流動的時間。延時過小或不設(shè)置延時，將導(dǎo)致樹脂未填充完成就開始固化下一層；延時過大，將導(dǎo)致制備的時間太長，影響制備效率。設(shè)置恰當(dāng)?shù)难訒r可以改善因樹脂流動性差，樹脂填充率低而導(dǎo)致的表面缺陷的問題。

初始延時參數(shù)設(shè)置為:z軸沉降結(jié)束5 s、掃面結(jié)束3 s、下沉等待1 s、刮平結(jié)束3 s、總延時為12 s。初始參數(shù)對應(yīng)結(jié)果如圖4 所示，適當(dāng)增加各個參數(shù)的數(shù)值，得到兩組參數(shù):

圖4 不同延時表面凹陷

z軸沉降結(jié)束10 s、掃面結(jié)束5 s、下沉等待5 s、刮平結(jié)束5 s、總延時為25 s。

最后，在不考慮打印時間的條件下，大幅度增加各項延時參數(shù):

z軸沉降結(jié)束20 s、掃面結(jié)束20 s、下沉等待20 s、刮平結(jié)束20 s、總延時為80 s。

隨著總延時的增加，1#，2#，3#位置的凹陷沒有消除；4#，5#，6#位置的凹陷結(jié)構(gòu)雖然得到一定改善，但延時從25 s增加至80 s，改善效果不明顯，且仍存在“氣泡”結(jié)構(gòu)；7#，8#，9#位置出現(xiàn)了更大面積的缺陷。改變打印延時對最終結(jié)果影響微弱，即使總延時80 s，給樹脂充足時間填充平板表面，表面缺陷的問題也沒有解決。延時時間為80 s時，影響生產(chǎn)效率，但仍然達不到預(yù)期效果。增大延時參數(shù)并不能改善表面缺陷問題，SLA打印產(chǎn)生的表面缺陷問題與延時無關(guān)。

(2)改變平臺初始高度。

升高下沉高度即降低制作平臺托板的初始高度。制作平臺高度降低后，黏度較大的樹脂也能流入平臺表面，使平板樣件表面的樹脂越多。增加了激光固化表面而不是空固化的概率，解決表面缺陷的問題。

改變下沉高度的工藝參數(shù)，初始設(shè)置的下沉高度為5 mm，后增加下沉高度至10 mm 以及20 mm，查看實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同下沉高度表面缺陷

通過實驗結(jié)果與表2 對比發(fā)現(xiàn)，增加下沉高度后與初始參數(shù)打印出來的結(jié)果相似，總體趨勢不變。增加下沉高度后，1#，2#，3#位置的凹坑面積占比變化不大，4#，5#，6#位置的凹坑在增加下沉高度到20 mm后有所減少，但表面缺陷問題沒有得到改善。從表3數(shù)據(jù)得知，增加下沉高度仍然有“氣泡”結(jié)構(gòu)。所以，SLA打印平板件時的表面缺陷問題與下沉高度無關(guān)。

(3)改變液位高度。

液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是保證激光到液面的距離不變；保證每一層涂覆的樹脂一致。液位高度參量是激光器到液面的距離，所以降低液位高度即升高液位。液位高度降低越多，液位升高的越多。通過降低樹脂液位高度，增加樹脂平鋪在平板上的數(shù)量，達到樹脂鋪滿平板樣件表面的結(jié)果。

先設(shè)定初始的液位高度50.56 mm，得到實驗結(jié)果如圖3 所示。降低液位高度分別到50.40，50.25，50.10 mm，分別觀察結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同液位高度表面凹陷

通過表2和表3與圖6結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SLA打印平板時的表面缺陷問題與液位高度有關(guān)，從表3“氣泡”面積占比可得，當(dāng)下降液位高度時，表面缺陷中的“氣泡”問題得到解決。但從圖6 可得，降低液位高度有助于減小表面凹陷的面積，液位高度為50.25 mm時的表面凹陷問題集中于1#，2#，3#位置，而液位高度為50.1 mm時的表面凹陷明顯小于液位高度為50.56 mm時的數(shù)據(jù)。即當(dāng)液位高度越小時，表面缺陷的問題得到了改善，但得不到解決，而且液位高度太低會導(dǎo)致制件質(zhì)量較差，制備出來的樣件偏軟，力學(xué)性能太差，以及制件失敗等問題。所以，不推薦通過降低液位高度來達到解決制件表面缺陷問題的目的。

2.3 刮刀參量對改善表面缺陷的影響

(1)改變刮平次數(shù)。

當(dāng)平板鋪滿托板時，刮刀移動時無法充分地吸附上樹脂，導(dǎo)致刮刀里沒有充足的樹脂量平鋪在打印結(jié)構(gòu)表面，造成SLA 打印平板產(chǎn)生表面缺陷問題。增加刮刀的刮平次數(shù)，讓刮刀在完成一次層間打印之后刮平多次，增加吸附樹脂的時間，即增加刮刀吸附樹脂的數(shù)量。但增加刮刀刮平次數(shù)也會讓打印時間增加。

在初始參數(shù)刮刀刮平次數(shù)為1，保證其他參數(shù)不變的情況下，增加刮刀刮平次數(shù)到2，得到實驗結(jié)果列于表2和表3。

改變刮平次數(shù)之后樣件表面無凹坑以及“氣泡”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。表面缺陷與刮平次數(shù)有關(guān)，適當(dāng)?shù)脑黾庸蔚兜墓纹酱螖?shù)可以解決SLA 打印平板時的表面缺陷問題，一般將刮刀刮平次數(shù)增加到2即可。

(2)改變刮刀速度。

同樣的，降低刮刀的刮平速度即增加刮刀在每一次層間打印時的刮平時間。也能增加樹脂被吸附上的數(shù)量及刮刀平鋪樹脂在樣件表面的時間。但是，減小刮平速度也會導(dǎo)致打印時間變長。

減小刮刀的刮平速度，從原來的60 mm/s 降低到40 mm/s的速度。

由表2和表3可知，當(dāng)減小刮刀速度到40 mm/s時，樣件表面無凹坑，凸起以及“氣泡”等缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。給予刮刀充足時間將樹脂吸附與涂覆到表面，表面缺陷的問題得到解決。所以SLA打印平板時表面缺陷問題的產(chǎn)生，與刮刀的移動速度有關(guān)，但刮刀的移動速度太慢嚴(yán)重影響打印速度，建議適當(dāng)減小刮刀速度。

(3)啟用表面涂覆。

表面涂覆技術(shù)即根據(jù)平臺上每一層所需固化樹脂的面積占比，動態(tài)修改刮刀參量。其主要控制參數(shù)有兩個，涂覆次數(shù)與下潛深度。涂覆次數(shù)即上述提到的刮刀刮平次數(shù)；下潛深度即每一次打印層間，托板下潛到樹脂液里的深度，數(shù)值越大，每一次托板下潛的深度越大，使鋪入平板件表面的樹脂就越多。如果下潛深度太低或者不使用涂覆技術(shù)，導(dǎo)致樹脂還沒鋪滿整個平板表面就開始打印，自然就會出現(xiàn)激光空固化的情況，導(dǎo)致表面缺陷的產(chǎn)生。

控制變量，保持其他參數(shù)不變，使用表面涂覆技術(shù)，設(shè)置涂敷次數(shù)為2次，下潛深度為3 mm，得到實驗結(jié)果，如圖7所示。

圖7 使用表面涂覆后的打印結(jié)果

通過實驗結(jié)果圖7 與表2、表3 發(fā)現(xiàn)，使用表面涂覆技術(shù)后，打印的結(jié)果沒有“氣泡”、凸起、凹坑現(xiàn)象，表面缺陷問題得到解決。SLA打印平板時的表面缺陷問題與表面涂覆有關(guān)，使用表面涂覆工藝可以解決表面缺陷問題。

2.4 物件擺放位置對改善表面缺陷的影響

(1)錯開打印。

將實驗?zāi)Ｐ椭械? 塊平板分為兩次打印，第一次先打印1#，3#，5#，7#，9#位置的平板，樣件錯開擺放如圖8所示，第二次將剩下的2#，4#，6#，8#4塊平板按原位置打印。錯開擺放可以保證各個平板之間有足夠大的間隙讓刮刀吸附樹脂，以完成樹脂平鋪的要求。由表2 和表3，與初始參數(shù)打印結(jié)果對比可知，錯開打印后，1#~9#樣件無凹陷面積，均表面平整，解決了表面凹陷與“氣泡”問題，時間也會變得更久。統(tǒng)計兩次成型一次性打印完成需要時間大約為3.5 h，而分批次打印則大約需要4 h。在小數(shù)目平板件打印時，可以將平板均布在不同方位，保持大間距。

圖8 樣件錯開擺放

(2)傾斜擺放。

將打印樣件傾斜30°擺放，減小每層打印面積代替直接打印大平層。解決平板件水平放置時，樹脂無法流入樣件的中心位置而導(dǎo)致產(chǎn)生表面缺陷問題。

由表2 和表3 的初始參數(shù)打印結(jié)果對比可知，樣件傾斜放置打印后，1#~9#樣件無凹陷面積，均表面平整，解決了表面凹陷與“氣泡”問題。傾斜打印通過減少各層片成型面積，有利于樹脂流動填充，改善缺陷，但存在耗時長，廢料多的問題。傾斜角越大，支撐體積增大，樣件總層數(shù)增加，打印時間大大加長。統(tǒng)計樣件打印時間可知，水平放置打印時間平均為3.5 h，傾斜10°打印平均為6.3 h，傾斜30°，平均為14.7 h。

3 結(jié)論

(1)表面涂覆技術(shù)、樣件擺放位置、刮刀刮平次數(shù)、刮刀移動速度對SLA打印平板時表面缺陷問題有顯著影響。液位高度對表面缺陷問題有一定的影響。平臺初始高度與延時對表面缺陷問題影響不大。

(2)刮刀刮平次數(shù)越多，刮刀刮平速度越慢，刮刀吸附的樹脂數(shù)量越多，表面缺陷問題得以改善，這兩個工藝參數(shù)旨在增加刮刀吸附樹脂的時間；使用表面涂覆技術(shù)，采用其中的下潛深度，使平臺在完成一次層間打印后下降一定深度，有助于解決表面缺陷問題，旨在改善樹脂的填充效果；改善樣件擺放位置，增加刮刀吸附樹脂的空間，可以解決表面缺陷的問題。

(3)使用SLA 技術(shù)打印精度要求達到0.1 mm，厚度要求小于1 mm 的薄平板件時，提出了增加刮刀刮平次數(shù)到3 次，減小刮刀刮平速度到30 mm/s，使用表面涂覆技術(shù)，改善樣件擺放位置來解決打印過程中的表面缺陷問題。