潘金龍 胡佳偉 陳曉佳 池國良

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

光固化快速成型技術(shù)采用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光敏液態(tài)樹脂材料表面，由點(diǎn)到線，由線到面順序完成一個(gè)層面的固化成型作業(yè)，隨后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，激光再次聚焦固化另一個(gè)層面。通過層層固化疊加構(gòu)成三維實(shí)體零件。光固化快速成型技術(shù)具有成型精度高、材料利用率高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[1]。

荊慧[2]對(duì)振鏡系統(tǒng)所產(chǎn)生的聚焦誤差及枕形誤差進(jìn)行了分析，建議通過動(dòng)態(tài)聚焦及枕形畸變矯正來進(jìn)行優(yōu)化；段玉崗[3]等針對(duì)零件翹曲變形進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)其主要受樹脂體積收縮率及殘存與零件內(nèi)未固化樹脂量影響，可通過改進(jìn)樹脂體系、選擇合適的掃描軌跡等方式優(yōu)化；楊繼全[4]等對(duì)光固化成型過程中零件的層間應(yīng)力進(jìn)行了理論分析，提出采用正交對(duì)稱掃描方式可減小層間應(yīng)力。以上研究主要針對(duì)光固化成型設(shè)備中激光、振鏡及其控制系統(tǒng)對(duì)零件成型質(zhì)量的影響，在光固化成型設(shè)備研發(fā)過程中有一定指導(dǎo)作用。而家電企業(yè)在購買光固化成型設(shè)備后，激光振鏡系統(tǒng)矯正、掃描軌跡等參數(shù)，均已由設(shè)備廠家設(shè)定，不便于修改；但企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)使用過程中，會(huì)根據(jù)需求選擇不同的光敏樹脂材料，此時(shí)若不及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，極易出現(xiàn)零件加工失敗、破損等異常；針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，若均使用同一種零件擺放及支撐設(shè)計(jì)，也會(huì)出現(xiàn)零件無法成型、破損等異常。

打印設(shè)備參數(shù)設(shè)置，零件加工擺放及支撐設(shè)計(jì)對(duì)于家電企業(yè)等光固化設(shè)備使用方來說，是其控制成型質(zhì)量的重要手段。本文主要針對(duì)打印設(shè)備參數(shù)設(shè)置、零件加工擺放及支撐設(shè)計(jì)對(duì)成型質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，并提出對(duì)應(yīng)解決方案，以指導(dǎo)設(shè)備使用方在日常生產(chǎn)加工過程中控制零件成型質(zhì)量。

1 光固化成型設(shè)備

光固化快速成型設(shè)備主要由激光器、振鏡系統(tǒng)、儲(chǔ)液缸、液位控制系統(tǒng)、刮刀、升降平臺(tái)等部件組成，如圖1、2所示。其中，激光器為UV光源；振鏡系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)調(diào)整振鏡不同角度，從而將激光照射至光敏樹脂液面不同位置。

圖1 光固化快速成型設(shè)備示意圖[5]

圖2 光固化快速成型設(shè)備

液位控制系統(tǒng)通過液位檢測(cè)器檢測(cè)液面高度，當(dāng)液面高度低于設(shè)定值，控制配重塊下沉，從而抬升液面高度至設(shè)定值；刮刀通過橫向移動(dòng)，整平樹脂液面；升降平臺(tái)通過豎向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)疊加成型。

2 打印設(shè)備參數(shù)設(shè)置對(duì)光固化快速成型質(zhì)量的影響

激光器、振鏡系統(tǒng)、儲(chǔ)液缸、液位控制系統(tǒng)、刮刀、升降平臺(tái)等部件在光固化設(shè)備作業(yè)過程中均有重要作用，其工作參數(shù)設(shè)置對(duì)成型件質(zhì)量有著重要影響。本文所選光固化成型設(shè)備為聯(lián)泰Lite600HD，其激光器最大輸出功率為1 500 mW；設(shè)備所使用光敏樹脂材料為中山大簡(jiǎn)哥達(dá)RAB8228，其主要性能參數(shù)詳見表1。

表1 哥達(dá)RAB8228性能參數(shù)表

2.1 激光輸出功率

激光是光固化快速成型技術(shù)中光敏樹脂成型的能量來源。由于光敏樹脂在紫外區(qū)的光吸收系數(shù)較大，一般使用很低的光能量密度就可使樹脂固化，所以一般都采用輸出在紫外波段的光源。光固化快速成型設(shè)備主要使用固體激光器，相對(duì)于氣體激光器，固體激光器具有使用壽命長(zhǎng)、易維修、掃描速度高等優(yōu)點(diǎn)。

激光輸出功率指激光器在整個(gè)電磁光譜范圍內(nèi)的全部輸出強(qiáng)度總和[6]，激光通過振鏡系統(tǒng)調(diào)整掃描路徑及掃描速度，并進(jìn)行固化作業(yè)。通常，當(dāng)液態(tài)光敏樹脂所接受的紫外光曝光量E超過臨界曝光量后，光敏樹脂會(huì)發(fā)生相變，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)[7]。光敏樹脂所接受的紫外光曝光量可通過式（1）計(jì)算：

式中：

E—液態(tài)光敏樹脂所接受的紫外光曝光量，單位為mJ/cm2；

P—激光輸出功率，單位為mW；

V—激光掃描速度，單位為mm/s；

H—激光掃描間距，通常取0.1 mm。

激光輸出功率及激光掃描速度是影響光敏樹脂固化效率的重要因素。激光功率設(shè)置過小或掃描速度設(shè)置過快，單位時(shí)間內(nèi)光敏樹脂接收的激光能量無法滿足光敏樹脂固化的基本要求，各成型層疊加不緊密，若層間進(jìn)入空氣，最終會(huì)造成成型件各成型層之間發(fā)生嚴(yán)重的分層、起皮等缺陷，如圖3所示。激光輸出功率設(shè)置過大或掃描速度設(shè)置過慢，過高的激光能量使得先掃描的樹脂層固化過于完全，在后續(xù)的加工中不會(huì)出現(xiàn)收縮，在下一層的掃描過程中，正在掃描的樹脂層體積收縮相對(duì)較大，這使得相鄰固化樹脂層間產(chǎn)生較大的層間應(yīng)力，導(dǎo)致成型件的邊緣出現(xiàn)翹曲[4,5]，如圖4所示。

圖3 某飲水機(jī)圓形底盤表面分層起皮缺陷（E=4.68 mJ/cm2）

圖4 某條狀零件邊緣翹曲缺陷（E=15.6 mJ/cm2）

在企業(yè)中，考慮到加工效率及激光器使用壽命，工程師可先將激光器功率設(shè)定為最大輸出功率的（60～80）%左右，隨后，調(diào)整不同激光掃描速度，一般在（3 000～7 000）mm/s內(nèi)，打印標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條，選取成型質(zhì)量高、速度快的激光掃描速度參數(shù)。若設(shè)備需要更換樹脂材料、激光器，應(yīng)在更換后重新設(shè)置合適的激光輸出功率及激光掃描速度。

2.2 打印層厚

分層厚度決定了成型件的“精細(xì)度”，根據(jù)光固化快速成型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”[8]。分層厚度設(shè)置過小，零件成型時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)刮刀在刮平樹脂的過程中由于推動(dòng)作用有一定幾率會(huì)使成型層產(chǎn)生微小移動(dòng)，從而影響了光敏樹脂成型件的成型精度。

分層厚度設(shè)置過大，大于光敏樹脂的固化深度，則會(huì)出現(xiàn)樹脂固化不完全，零件無法成型的問題。另外，對(duì)于外形存在坡度的零件，如圖5所示，分層厚度設(shè)置較大會(huì)使得相鄰層間邊緣過渡間距增大，會(huì)導(dǎo)致成型件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的“臺(tái)階”紋理缺陷，如圖6所示。

圖5 不同打印層厚對(duì)零件成型質(zhì)量的影響

圖6 30°坡度，打印層厚取0.5 mm時(shí)零件表面“臺(tái)階紋”缺陷

光固化快速成型技術(shù)打印層厚應(yīng)略小于所用材料固化深度，例如哥達(dá)RAB8228光敏樹脂材料，其固化深度為0.12 mm，打印厚度則推薦在（0.07～0.1）mm，并通過實(shí)際打印驗(yàn)證，確定最佳打印層厚。目前市場(chǎng)上大部分SLA用光敏樹脂固化深度在（0.1～0.2）mm之間，對(duì)于不清楚材料固化深度的情況下，可在（0.05～0.2）mm間取值試驗(yàn)確定最佳打印層厚。

2.3 刮刀運(yùn)動(dòng)速度

刮刀對(duì)打印質(zhì)量的影響因素主要為刮刀的運(yùn)動(dòng)速度。刮刀運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)較快，如取40 mm/s，其打印效率較高，但會(huì)造成樹脂填充不均勻或者刮壞零件等異常，影響成型質(zhì)量。刮刀運(yùn)動(dòng)速度較慢，如取10 mm/s，樹脂填充均勻，表面平整度越好，但其成型效率降低，整平同樣幅面所需時(shí)間是取40 mm/s時(shí)的4倍。

作者在工作過程中發(fā)現(xiàn)，使用哥達(dá)RAB8228光敏樹脂材料，刮刀運(yùn)動(dòng)速度超過30 mm/s后易出現(xiàn)樹脂填充不均異常。在日常生產(chǎn)中，建議從30 mm/s開始逐步調(diào)低刮刀運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)試，選取最佳刮刀運(yùn)動(dòng)速度。

3 零件加工擺放及支撐設(shè)計(jì)對(duì)光固化快速成型質(zhì)量的影響

Materialise Magics是一款成熟的3D打印加工設(shè)計(jì)軟件，在Materialise Magics軟件中，零件支撐設(shè)計(jì)分為實(shí)體支撐設(shè)計(jì)和工藝支撐設(shè)計(jì)。實(shí)體支撐又分為自動(dòng)支撐和手動(dòng)支撐。在零件加工設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件特點(diǎn)選擇擺放位置，隨后進(jìn)行工藝支撐和手動(dòng)支撐設(shè)計(jì)，最后生成自動(dòng)支撐，至此，加工設(shè)計(jì)作業(yè)完成。零件加工擺放及支撐設(shè)計(jì)對(duì)于零件成型率及表面質(zhì)量均有較大影響。

3.1 零件加工擺放

三維建模模型的加工制作方向?qū)Τ尚尉扔斜容^明顯的影響，如果設(shè)計(jì)人員對(duì)于三維建模模型的成形制作方向出現(xiàn)選擇失誤，將會(huì)在打印質(zhì)量、成型材料強(qiáng)度、效率等方面造成不同程度的影響。零件擺放方向建議遵循以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）避免分層中出現(xiàn)大平面，防止樹脂填充不足，表面存在凹凸不平現(xiàn)象。光敏樹脂有一定粘性，在使用過程中，由于表面張力作用，使得刮刀運(yùn)動(dòng)后樹脂表面部分區(qū)域仍會(huì)存在液面凸起現(xiàn)象，若這部分區(qū)域正好存在于大平面的掃描光路上，成型件就有極大可能出現(xiàn)分層、凹凸不平缺陷。擺放位置避免分層中出現(xiàn)大平面，正是為了降低分層中掃描光路與液面凸起重合的風(fēng)險(xiǎn)（見圖7）。

圖7 某空調(diào)大平面零件擺放設(shè)計(jì)案例

2）避免產(chǎn)生“杯口效應(yīng)”，保證樹脂順暢流動(dòng)；“杯口效應(yīng)”是指零件打印過程中，形成杯形容器，光敏樹脂流入封閉杯形容器中并裝滿后，由于無法與儲(chǔ)液缸內(nèi)樹脂流通，再加上樹脂表面張力的影響，會(huì)在容器杯口形成凸起液面，導(dǎo)致成型件存在分層缺陷風(fēng)險(xiǎn)。遇到這類杯形零件，可在零件底部設(shè)計(jì)一到兩個(gè)錐形洞口（見圖8），使得零件內(nèi)部與儲(chǔ)液缸內(nèi)樹脂流通，避免“杯口效應(yīng)”。設(shè)計(jì)時(shí)摳出的錐形件放在主體零件旁一同加工生產(chǎn)，生產(chǎn)完成后通過AB膠粘貼到主題零件上完成打磨。

圖8 杯形零件底部開孔設(shè)計(jì)案例

3）外觀紋理面盡量朝上，避免支撐長(zhǎng)在外觀面上，后處理影響零件外觀（見圖9）。由于支撐拆除后，零件支撐面還殘留部分支撐尖刺，需要打磨光滑才能進(jìn)行噴涂等作業(yè)。若支撐長(zhǎng)在外觀面上，在打磨過程中會(huì)磨損零件外觀紋理。因此，有外觀紋理的零件，其紋理面盡量朝上擺放。

圖9 紋理面擺放設(shè)計(jì)案例

3.2 零件支撐設(shè)計(jì)

支撐是光固化快速成型技術(shù)中零件成型的重要結(jié)構(gòu)，為分層成型面提供附著點(diǎn)，防止被刮刀損壞刮走；同時(shí)穩(wěn)固模型，防止零件在加工中倒塌。合理的支撐設(shè)計(jì)是降低成型件成型失敗率的有效保障。

Materialise Magics是行業(yè)內(nèi)用戶體驗(yàn)較為流暢的快速成型輔助設(shè)計(jì)軟件，軟件可自動(dòng)檢測(cè)零件所有結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)并生長(zhǎng)自動(dòng)支撐，節(jié)省人工檢測(cè)提高編程效率，但其強(qiáng)度不足，部分情況下需要設(shè)計(jì)手動(dòng)支撐來進(jìn)一步穩(wěn)固模型。支撐設(shè)計(jì)建議遵循以下原則：

1）零件擺放位置選定后，存在與升降平臺(tái)平面夾角在35 °以上的長(zhǎng)斜面，需要在斜面上設(shè)計(jì)自動(dòng)支撐。與升降平臺(tái)平面夾角在35 °以上平面上，Materialise Magics不會(huì)生成自動(dòng)支撐，僅依靠平面兩端的自動(dòng)支撐，無法穩(wěn)固整個(gè)零件。此時(shí)，可在平面上設(shè)計(jì)幾條手動(dòng)支撐，增強(qiáng)工件底座穩(wěn)固性，如圖10所示。

圖10 某空調(diào)面板零件長(zhǎng)斜面上手動(dòng)支撐設(shè)計(jì)

2）U型零件、箱體類等零件，缺乏有效支撐及強(qiáng)度的部位需增加工藝支撐。如圖11所示，由于該U型邊壁厚較薄，強(qiáng)度不足，在成型過程中容易受層間應(yīng)力影響向內(nèi)彎曲，導(dǎo)致成型件與原模型存在較大偏差，此時(shí)，可增加輔助工藝支撐，穩(wěn)固U型邊，防止變形。

圖11 某U型零件工藝支撐設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文從打印設(shè)備參數(shù)設(shè)置、零件加工擺放及支撐設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，基于理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析了光固化快速成型技術(shù)中影響成型件質(zhì)量的主要因素，得到以下結(jié)論：

1）應(yīng)根據(jù)所用設(shè)備及材料，通過打印測(cè)試件調(diào)試設(shè)置合理的設(shè)備參數(shù)?？上葘⒓す馄鞴β试O(shè)定為最大輸出功率的（60～80）%左右，隨后，調(diào)整不同激光掃描速度，一般在（3 000～7 000）mm/s內(nèi)，打印標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條，選取成型質(zhì)量高、速度快的激光掃描速度參數(shù)。核心部件或材料更換后，設(shè)備參數(shù)需重新調(diào)試設(shè)置。

2）光固化快速成型技術(shù)打印層厚應(yīng)略小于所用材料固化深度，對(duì)于不清楚材料固化深度的情況下，可在（0.05～0.2）mm間取值試驗(yàn)確定最佳打印層厚。刮刀運(yùn)動(dòng)速度不建議超過30 mm/s。

3）輔助成型設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)零件自身特性及客戶需求，合理選擇擺放位置，隨后根據(jù)需要，設(shè)計(jì)合理的手動(dòng)支撐及工藝支撐。