朱炯光，李華雄，張 煒

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 佛山 528137）

3D打印技術(shù)起源于美國(guó)，自20世紀(jì)80年代首次應(yīng)用以來(lái)[1]，在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)關(guān)于3D打印的熱潮，被英國(guó)雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》喻為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。其中光固化3D打印技術(shù)是“增材制造”領(lǐng)域研究最早，也較為成熟的打印技術(shù)之一，兼具3D打印成型的精密、快速、可控、安全等技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及光固化的固化速度快、穩(wěn)定性高、表面粗糙度低、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了世界各國(guó)科學(xué)家們的重點(diǎn)關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)[2-6]。

3D打印技術(shù)分類很多[7]，根據(jù)打印方式不同分為SLA技術(shù)（立體光刻技術(shù)）、DLP技術(shù)（數(shù)字成像技術(shù)）、LCD技術(shù)（液晶成像技術(shù)）、CLIP技術(shù)（連續(xù)液面制造技術(shù)）、CAL技術(shù)（計(jì)算軸向光刻技術(shù)）。SLA技術(shù)是通過(guò)紫外光由點(diǎn)到線、由線到面進(jìn)行掃描固化，打印速度較慢；DLP技術(shù)是將模型的截面圖形投射到光敏樹(shù)脂表面上，逐層的開(kāi)展光固化，以面面疊加的方式成型，打印速度較SLA技術(shù)大幅增加[8]。LCD打印技術(shù)誕生于DLP技術(shù)的基礎(chǔ)上，兩者核心技術(shù)的主要差別是LCD技術(shù)的每層圖像由液晶成像控制，取代了DLP技術(shù)昂貴的光機(jī)系統(tǒng)[9]，LCD技術(shù)可利用400 mm～600 mm的可見(jiàn)光，可用普通的LCD顯示面板，不加任何改裝或改背光，直接作為光源（相當(dāng)于光源升級(jí)）。CLIP技術(shù)和CAL技術(shù)是近五六年來(lái)發(fā)展的新技術(shù)，分別利用氧阻聚效應(yīng)和累積光照的方式使打印速度比DLP技術(shù)更快。綜合比較打印質(zhì)量和速度，現(xiàn)階段LCD技術(shù)普及率較高。

光固化成型的優(yōu)點(diǎn)為材料利用率高，材料浪費(fèi)少；缺點(diǎn)為材料成本高昂，普及度較低[10]。潘金龍等人從打印設(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，提出了激光功率、打印層厚、刮刀運(yùn)動(dòng)速度等設(shè)備參數(shù)的建議取值范圍，從而對(duì)成型質(zhì)量進(jìn)行控制[11]。朱岳論述了組成光敏樹(shù)脂的預(yù)聚物、稀釋劑、光引發(fā)劑和阻聚劑等其他助劑的作用，選擇黏度、收縮率、反應(yīng)速度等合適的各組分制備出符合3D打印要求的光敏樹(shù)脂。王琛研究光固化成型的工作原理和工藝流程，通過(guò)Projet-5000切片軟件探索光固化成型的模型布置規(guī)則，從而對(duì)節(jié)省打印材料、提高打印效率。

本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)針對(duì)LCD型打印設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行篩選和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高打印效率和質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

1 方法

1.1 設(shè)備和打印材料選擇

本方法使用的打印設(shè)備為GMI光固化3D打印機(jī)，采用面曝光成型制作單元技術(shù)，功率100 W，屏幕8.9英寸，打印尺寸192120270 mm。使用的打印材料為壁掛式吹風(fēng)機(jī)的集風(fēng)嘴，如圖1（a）所示。集風(fēng)嘴對(duì)表面光滑要求高，其凸環(huán)部分橫截直徑較小且對(duì)打印參數(shù)敏感，如圖1（b）所示。

圖1 掛壁式吹風(fēng)機(jī)及集風(fēng)嘴

1.2 方案設(shè)計(jì)

LCD型光固化打印過(guò)程可調(diào)整的參數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致設(shè)計(jì)全面實(shí)驗(yàn)法工作量過(guò)大，而且有些數(shù)據(jù)不易統(tǒng)計(jì)，故采用正交試驗(yàn)法?？紤]打印成型質(zhì)量和速度的因素，選擇層高、曝光時(shí)間、抬升速度、抬升距離這4個(gè)打印參數(shù)。層高L（材料模型的切片厚度）決定了打印質(zhì)量和打印時(shí)間，一般在0.025～0.2 mm之間；曝光時(shí)間t（每一層被紫外線照射固化的時(shí)間）影響打印質(zhì)量和時(shí)間，過(guò)短不能成型，過(guò)長(zhǎng)模型會(huì)膨脹；抬升速度V（打下一層平臺(tái)移動(dòng)速度），過(guò)快會(huì)拉斷模型；抬升距離D主要用來(lái)脫離離型膜，過(guò)小離型膜不易和模型脫落導(dǎo)致打印失敗。

本次試驗(yàn)采用四因素四水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)一般情況確定各因素的水平，如表1所示。選取L16（44）正交表，因素水平按表2進(jìn)行組合。

表1 四因素四水平表

表2 L16（44）正交表

打印質(zhì)量和打印時(shí)間，分別用光滑度和耗時(shí)兩個(gè)指標(biāo)去衡量。為了量化評(píng)價(jià)，采用綜合評(píng)價(jià)法，將光滑度和耗時(shí)分為4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)（表3），基于1∶1的權(quán)重進(jìn)行求和即可得到每組試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)。

表3 指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 試驗(yàn)

2.1 進(jìn)行正交試驗(yàn)

根據(jù)L16（44）正交表，將16組參數(shù)做好切片模型導(dǎo)入GMI光固化3D打印機(jī)（圖2a），得到16組試驗(yàn)結(jié)果（圖2b）依照表3評(píng)價(jià)后填入綜合評(píng)價(jià)表4。打印過(guò)程中，第13組無(wú)法成型，故在圖2b中用框表示缺失。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)輸出結(jié)果

圖2 按正交表的打印過(guò)程

2.2 極差分析

表4得到了16組試驗(yàn)結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)。為了得到各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度以及因子的重要程度，利用極差分析法對(duì)綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行判斷。

計(jì)算公式為：

式中：j為水平序號(hào)，其值為1～4；i為因素序號(hào)，其值為1～4；n為每個(gè)因素下的水平總數(shù)，其值為4；xij為第i個(gè)因素下第j個(gè)水平的輸出結(jié)果。結(jié)合公式（1）～（3）及表2和表4的內(nèi)容，可得表5。

表5 極差分析表

Ri的值的大小代表著因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響程度，由表5可知，層高L＞抬升距離D＞抬升速度V＞曝光時(shí)間t，并作出各因素水平（水平按從低到高分為4個(gè)等級(jí)）對(duì)其綜合評(píng)價(jià)的影響程度的折線圖，如圖3所示。

圖3 各因素水平的綜合評(píng)價(jià)影響程度

從圖3知，隨著因素L、t、V、D水平等級(jí)的增大；L的綜合評(píng)價(jià)趨勢(shì)逐步增大，在第3水平達(dá)到峰值后再減?。籺的綜合評(píng)價(jià)趨勢(shì)總體較平穩(wěn)，在第3水平達(dá)到峰值；V的綜合評(píng)價(jià)趨勢(shì)在第1水平達(dá)到峰值，隨后下降趨于平穩(wěn)；D的綜合評(píng)價(jià)趨勢(shì)逐步增大，在第3水平達(dá)到峰值再減小。由表5和圖3可得在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)下理論較優(yōu)組合為L(zhǎng)3T3V1D3。

由雖然極差分析可以得到各因素的重要程度，但不能定量的對(duì)影響程度的重要性（是否顯著）進(jìn)行區(qū)分。更精確的分析可以將不重要的因素去除，從而提高試驗(yàn)效率。

2.3 方差分析

作為極差分析的補(bǔ)充，為得到更精確的顯著程度，通過(guò)L、t、V和D這4個(gè)因素對(duì)這3個(gè)指標(biāo)（綜合評(píng)價(jià)、光滑度、耗時(shí)）進(jìn)行方差分析，分別得到表6所示結(jié)果。

表6反映了各因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)（反映質(zhì)量和效率的指標(biāo)）、光滑度、耗時(shí)的影響，就綜合評(píng)價(jià)而言，層高L對(duì)其影響顯著較高，抬升速度V、抬升距離D對(duì)其影響低顯著，曝光時(shí)間t對(duì)其影響不顯著，故在極差分析中將t剔除，最終調(diào)整為L(zhǎng)3D3V1；僅考慮光滑度，L、D對(duì)其影響低顯著，t、V對(duì)其影響不顯著，故將極差分析中的t、V剔除，最終調(diào)整為L(zhǎng)3D3；僅考耗時(shí)，L對(duì)其影響中度顯著，V、t對(duì)其影響低顯著，D對(duì)其影響不顯著，故將極差分析中的D剔除，最終調(diào)整為L(zhǎng)3T3V1。

表6 綜合評(píng)價(jià)、光滑度、耗時(shí)的方差分析

3 驗(yàn)證

為了證明通過(guò)極差分析所得綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)下的組合有效，按照L3D3V1的因素組合（層高L取0.1 mm、抬升距離D取5 mm、抬升速度V取40 mm/min）進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，并根據(jù)表2進(jìn)行打分。試驗(yàn)結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)、光滑度以及耗時(shí)的平均值分別為17、9和8。從表7中可看出其綜合評(píng)價(jià)分值高于表4中的綜合評(píng)價(jià)分值，證明L3D3V1這組參數(shù)組合在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)下是有效的。

表7 驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)LCD型光固化打印的質(zhì)量和效率進(jìn)行了四因素四水平的正交試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析、方差分析，最后對(duì)優(yōu)選的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。跟以往同類論文相比，本研究不僅探討了四因素下打印參數(shù)的優(yōu)選，更進(jìn)一步地探討四因素在指標(biāo)中的重要度，找到顯著性參數(shù)并刪減不顯著參數(shù)，以便在不同情形下能高效地完成作業(yè)并減少使用樹(shù)脂的成本。

理論上，若只針對(duì)光滑度指標(biāo)優(yōu)化，應(yīng)選擇層高L、抬升距離D兩組參數(shù)，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)理論較優(yōu)組合為L(zhǎng)3D3；對(duì)于耗時(shí)指標(biāo)，應(yīng)選擇層高L、曝光時(shí)間t、抬升速度V三組參數(shù)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)理論較優(yōu)組合為L(zhǎng)3T3V1；以上優(yōu)化對(duì)單一指標(biāo)具有指導(dǎo)意義。但在實(shí)際使用時(shí)，往往考慮綜合性指標(biāo)（同時(shí)具備較好表面質(zhì)量和效率），也就是根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化，選擇L3D3V1組合（層高L取0.1 mm、抬升距離D取5 mm、抬升速度V取40 mm/min）。研究結(jié)論可為后續(xù)LCD型光固化打印參數(shù)優(yōu)化提供參考。