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(lái)，3D 打印技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、機(jī)械制造、航天航空、藝術(shù)設(shè)計(jì)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(gè)面，且具有打印速度快、精度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，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(gè)透氧的窗口，通過(guò)這個(gè)窗口注入氧氣后會(huì)在已成型樹脂和薄膜之間形成一個(gè)“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(shí)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(guò)兩束不同波長(zhǎng)的光混合實(shí)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(tuán)隊(duì)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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)程中存在潤(rùn)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(shí)，成型樹脂會(huì)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(guò)攝像機(jī)監(jiān)測(cè)打印過(guò)程，實(shí)驗(yàn)估計(jì)液液界面上的 MFD，以便確定切片是否可以連續(xù)打??；其次，對(duì)分層打印的平臺(tái)提出了最佳提升高度(Optimal Lifting Height，OLH)的概念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試；最后，基于樹脂材料的 MFD 和 OLH，結(jié)合模型分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)模型。

2 打印參數(shù)估計(jì)

2.1 3D 打印機(jī)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)重要的部分：用來(lái)投射模型切片的 DLP 紫外光單元，監(jiān)視打印過(guò)程的相機(jī)單元，提拉成型樹脂的升降臺(tái)單元和集玻璃板、潤(rùn)滑液、光敏樹脂于一體的樹脂槽單元。為保證光照強(qiáng)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(rùn)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?cè)诮唤缑嫣幠苄纬梢粋€(gè)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(guò)樹脂槽底部玻璃板和潤(rùn)滑液；最后，聚焦到潤(rùn)滑液表面上，液態(tài)光敏樹脂遇到紫外光會(huì)快速固化。對(duì)于連續(xù)打印，投影儀連續(xù)投圖，打印平臺(tái)以恒定的速度上升。對(duì)于分層打印，每固化一層后，投影黑屏，平臺(tái)先沿Z軸垂直上升到一個(gè)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(shí)驗(yàn)中模型切片厚度設(shè)置為 0.1 mm。如平臺(tái)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(gè)切片，反復(fù)此過(guò)程，直到打印結(jié)束。

此外，相機(jī)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(jī)可用來(lái)觀測(cè)投影儀聚焦準(zhǔn)確度，通過(guò)相機(jī)的反饋，調(diào)整最佳曝光圖像，最大程度減小硬件上帶來(lái)的誤差。同時(shí)，相機(jī)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控打印過(guò)程，通過(guò)相機(jī)觀察樹脂流動(dòng)情況和成型情況，對(duì)視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，確定每個(gè)切片是否被樹脂材料充分填充。

2.2 最大填充距離估計(jì)

連續(xù)打印過(guò)程中，平臺(tái)連續(xù)上升會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)固化的樹脂層和潤(rùn)滑液之間出現(xiàn)真空，在打印一定實(shí)心結(jié)構(gòu)的切片時(shí)，樹脂需要在很短的時(shí)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(dòng)過(guò)程中受到的作用力、光照強(qiáng)度以及潤(rùn)滑液種類等因素有關(guān)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)打印實(shí)心模型過(guò)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(jī)監(jiān)控打印過(guò)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(gè)切片，而圖 2(b)是相機(jī)捕捉連續(xù)打印過(guò)程中樹脂的瞬間狀態(tài)，可以看到在平臺(tái)連續(xù)上升過(guò)程中樹脂未能完全填充整個(gè)曝光區(qū)域。Liu 等[18]提出用 MFD 來(lái)評(píng)估平臺(tái)以不同的速度連續(xù)上升時(shí)樹脂的最大填充距離，探究連續(xù)打印過(guò)程中允許打印的最大實(shí)心結(jié)構(gòu)占比的切片，并且基于他們的設(shè)備和材料測(cè)量系統(tǒng)中的 MFD，得出一個(gè)界定分層打印還是連續(xù)打印的閾值。

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

Liu 等[18]將基于浸泡潤(rùn)滑液的超低粘度S-PDMS 膜作為打印平面估計(jì) MFD，而本實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用一定厚度的氟化油代替浸泡潤(rùn)滑液的S-PDMS 膜，從根本上解決打印過(guò)程中潤(rùn)滑液流失問(wèn)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(shí)驗(yàn)采用類似想法的實(shí)驗(yàn)來(lái)估計(jì)基于氟化油液體界面打印方案的 MFD。

本實(shí)驗(yàn)使用的氟化油液面高度為 8 mm，照明強(qiáng)度為最高的 20 mW，平臺(tái)連續(xù)上升速度為0.06 mm/s 來(lái)進(jìn)行打印測(cè)試。切片尺寸從 1.0 cm×1.0 cm 逐漸下降，通過(guò)觀察打印模型的表面光滑度來(lái)估計(jì) 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(shí)，打印模型表面都會(huì)存在凹陷，說(shuō)明樹脂填充不及時(shí)。當(dāng)模型切片尺寸為 0.5 cm×0.5 cm 時(shí)，打印模型表面光滑，說(shuō)明樹脂填充及時(shí)，打印成功。打印正方形切片時(shí)，樹脂會(huì)從正方形周圍進(jìn)行補(bǔ)充，邊長(zhǎng)為 0.5 cm 的正方形，其中心到邊長(zhǎng)的最小距離為0.25 cm，也就是說(shuō)樹脂材料能夠流動(dòng)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(jì)

在分層打印時(shí)，每打印一層后，投影儀進(jìn)行黑屏等待，然后平臺(tái)上升一定的距離，使樹脂迅速地填滿曝光區(qū)域，接著平臺(tái)下降，平臺(tái)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(tái)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(cè)試平臺(tái)最佳提升高度的實(shí)驗(yàn)中，其上升下降的高度差為 0.1 mm。在分層打印過(guò)程中，如果平臺(tái)上升得越高，樹脂材料可以填充得越快，但是平臺(tái)需要更長(zhǎng)的移動(dòng)距離和黑屏等待時(shí)間，導(dǎo)致打印效率變低。因此，可通過(guò)模型引導(dǎo)的方法，根據(jù)不同的切片來(lái)自動(dòng)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(lái)確定分層打印過(guò)程中平臺(tái)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(tái)最佳提升高度：打印大尺寸的實(shí)心模型時(shí)，平臺(tái)提升高度相對(duì)較高；打印相對(duì)小尺寸的實(shí)心模型時(shí)，平臺(tái)提升高度相對(duì)較小，有效提升打印效率。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)估計(jì) OLH，分別對(duì)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(jìn)行分層打印，分層打印中平臺(tái)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(lái)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(tái)提升高度下都可以成功打印，確定其 OLH 為 2 mm。而對(duì)于直徑為 2 cm 高度為 1 cm 的圓柱體，當(dāng)平臺(tái)提升 2～6 mm 時(shí)，打印物體的表面均會(huì)出現(xiàn)凹陷，即在該范圍內(nèi)，平臺(tái)提升的高度不能使樹脂完整填充曝光區(qū)域；當(dāng)平臺(tái)提升高度為 8 mm 和10 mm 時(shí)，圓柱表面填充完整，成功打印。進(jìn)一步對(duì)尺寸為 1.5 cm×1.5 cm×1 cm 的長(zhǎng)方體和直徑為 1.5 cm 高度為 1 cm 的圓柱體進(jìn)行測(cè)試，平臺(tái)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(tái)提升高度為 2 mm 時(shí)，打印成型物體表面均出現(xiàn)凹陷；當(dāng)平臺(tái)提升高度大于或等于 4 mm 時(shí)候，可以完整打印。此外，本實(shí)驗(yàn)還用類似的方法對(duì)尺寸為3 cm×3 cm×1 cm 的長(zhǎng)方體模型的最佳提升高度進(jìn)行評(píng)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(tái)提升 8 mm 高度都能分層正常打印。OLH 的評(píng)估和樹脂材料、平臺(tái)上升速度、打印切片的尺寸是密切相關(guān)的，本實(shí)驗(yàn)在平臺(tái)上升速度一致的情況下，為了達(dá)到最高的打印效率，平臺(tái)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(zhǎng)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(jìn)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(shí)，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(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估，得到連續(xù)打印參數(shù)MFD 和分層打印參數(shù) OLH，實(shí)驗(yàn)中使用的模型都是規(guī)則模型，可根據(jù)其邊長(zhǎng)或者面積，直接確定其與兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系。但是實(shí)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(jì)算模型每個(gè)切片的最小-最大距離(Minimum-Maximum Distance，DisMax-Min)[18]。假設(shè)切片輪廓點(diǎn)處的樹脂流動(dòng)速度是均勻的。對(duì)于非輪廓點(diǎn)，如果樹脂可以流動(dòng)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(duì)于每個(gè)非輪廓點(diǎn)，計(jì)算它與輪廓點(diǎn)的最短距離，然后取最大值，概括來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)切片上所有的點(diǎn)到其邊界點(diǎn)的最短距離中的最大值。將每一個(gè)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(duì)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(duì)于分層打印，本文根據(jù) DisMax-Min 選擇合適的 OLH，來(lái)確保高效率完整的打印?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果選擇 3 個(gè)OLH 參數(shù)，當(dāng) DisMax-Min 在 0.25～0.50 cm 區(qū)間時(shí)，將 OLH 設(shè)置為 2 mm；當(dāng) DisMax-Min 在0.50～0.75 cm 區(qū)間時(shí)，將 OLH 設(shè)置為 4 mm；當(dāng) DisMax-Min 在 0.75～3.00 cm 區(qū)間時(shí)，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(duì)硬件設(shè)備(如圖6)進(jìn)行調(diào)試，在樹脂槽內(nèi)倒入一定高度的潤(rùn)滑液并標(biāo)定，如圖 6(c)所示。其次，通過(guò)相機(jī)反饋對(duì)投影儀進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)焦，使得投影儀投出的圖像經(jīng)過(guò)樹脂槽玻璃板后聚焦到氟化油的表面。隨后，下降平臺(tái)尋找原點(diǎn)，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(jìn)行切片。然后，計(jì)算每個(gè)切片的 DisMax-Min，并和MFD 進(jìn)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(tái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

將該打印方案和 Liu 等[18]的方案進(jìn)行對(duì)比，打印如圖 8 所示的模型。模型塔被分為 6 個(gè)部分，第 1、3、5 部分是實(shí)心結(jié)構(gòu)，第 2、4、6 部分是鏤空結(jié)構(gòu)。Liu 等[18]因?yàn)闈?rùn)滑液流失的問(wèn)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(shí)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(shí)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(cè)試，模型第 1 部分最大切片的邊長(zhǎng)為 6 cm，達(dá)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(shí)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(duì)應(yīng)的 OLH 值實(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig. 8 Comparison experiments

在整個(gè)模型的打印過(guò)程中，本文方案不受潤(rùn)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(rùn)滑液流失的問(wèn)題，無(wú)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(rùn)滑液流失的問(wèn)題，適用于更廣泛的模型且沒(méi)有高度限制。此外，利用本文方案打印的另外 3 個(gè)模型如圖 9所示。這 3 個(gè)模型的結(jié)構(gòu)都是鏤空和實(shí)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(shí)現(xiàn)。模型的實(shí)心結(jié)構(gòu)和鏤空結(jié)構(gòu)的比例會(huì)影響打印時(shí)間，實(shí)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(duì)圖 9 的模型進(jìn)行打印，打印時(shí)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(shí)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(gè)模型所用的時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了 MFD 和 OLH，并結(jié)合模型分析，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)與分層成型的有機(jī)結(jié)合。此外，其基于液液界面成型，解決了打印過(guò)程中潤(rùn)滑液流失的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了模型適用性好、無(wú)高度限制的大體積打印。通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)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(guò)流體力學(xué)模擬和分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲得更加精確的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的打印。