增材制造技術(shù)在3D打印應(yīng)用中存在的缺陷

增材制造指通過離散-堆積使材料逐點(diǎn)逐層累積疊加形成三維實(shí)體的技術(shù)。根據(jù)它快速成型、任意成型的特點(diǎn)又稱其為增材制造。增材制造技術(shù)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，以及醫(yī)藥、教育、建筑、娛樂等相關(guān)行業(yè)中。

3D打印技術(shù)只是增材制造工藝的一種。增材制造通過降低模具成本、減少材料、減少裝配、減少研發(fā)周期等優(yōu)勢(shì)來降低企業(yè)制造成本，提高生產(chǎn)效益。

1、3D打印制造具備的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)方式相比，在經(jīng)濟(jì)上具有吸引力的是小批量定制產(chǎn)品；直接從三維模型生產(chǎn)意味著不再需要模具與工具，同時(shí)也沒有轉(zhuǎn)換成本；以數(shù)字模型的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)方便人們共享，方便組裝、定制和產(chǎn)品的修改；該工藝的可循環(huán)性使材料得以節(jié)約使用，同時(shí)還能重復(fù)利用未在制造過程中使用的廢料（如粉末、樹脂），本實(shí)驗(yàn)室高分子激光打印機(jī)新舊粉末采用的是1∶3比例混合使用；對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如蜂窩狀、局部支撐類、自由形式的封閉結(jié)構(gòu)和通道是可以實(shí)現(xiàn)的，使最終部件的孔隙率非常低；訂貨減少了庫存風(fēng)險(xiǎn)，沒有未售出的成品，同時(shí)也改善了收入流，因?yàn)樨浳锸窃谏a(chǎn)前支付的；分銷允許本地消費(fèi)者/客戶和生產(chǎn)者之間的直接交互。

2、光固化技術(shù)原理

本文通過采用3D打印技術(shù)路線中典型技術(shù)光固化成型技術(shù)（SLA）為代表來詳細(xì)說明。光固化是采用特定的波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，被激光照射到的光固化材料發(fā)生聚合而固化。因此，按每層的二維圖像由激光束掃描輻照后，液態(tài)的高分子材料就會(huì)被特定形狀的圖案凝固。完成一個(gè)層面的固化之后，成型平臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，待新一層液面平穩(wěn)之后再固化另一個(gè)層面，這樣層層疊加便最終構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

UV樹脂即光敏樹脂，是3D打印中光固化技術(shù)所用的主要材料。其原理就是利用激光引發(fā)感光樹脂的聚合，通過電腦控制光束，逐層固化，最后得到所需的立體構(gòu)件。同時(shí)感光樹脂需要具備低黏度、低收縮、高固化速度、對(duì)光的敏感度高、層間黏附相容性好等特點(diǎn)。

目前市面上的光敏樹脂成本依舊較高，且機(jī)械強(qiáng)度、耐候性和耐熱性大多低于工程塑料，在一定程度上影響了材料的應(yīng)用范圍[1]。很多研究主要集中在光敏樹脂材料與設(shè)備原理上，如楊娜娜[2]研究了國產(chǎn)和進(jìn)口的一些同類型樹脂，其力學(xué)性能相當(dāng)，不同體系的光敏樹脂，其性能和斷裂方式差異較大；劉海濤等[3]研究了快速原型件表面質(zhì)量受到光敏樹脂組分、透射深度、單層固化強(qiáng)度和黏度的影響；蔣三生[4]研究了光敏樹脂3D打印材料中打印工藝參數(shù)對(duì)打印制品質(zhì)量及力學(xué)性能的影響。然而樹脂的材料特性與使用過程中可能出現(xiàn)的問題卻很少涉及，即研發(fā)較為活躍，但能夠進(jìn)入商業(yè)化使用的比較有限。特別是國產(chǎn)光敏樹脂與進(jìn)口光敏樹脂的材料特性存在較大差距。本文主要從以下2方面進(jìn)行探討。

3、光敏樹脂的特性以及分析

本實(shí)驗(yàn)室采用的是先臨公司iSLA-650Pro3D打印機(jī)，本設(shè)備主要采用的是SH8800光固化樹脂。目前市面上主要光固化樹脂參數(shù)如表1所示。

通過上述表格可以計(jì)算出不同種類樹脂的固化線寬Lw和固化深度Cd，因?yàn)檫@2個(gè)參數(shù)直接關(guān)系到光固化后模型的表面細(xì)節(jié)、韌性、成型精度等方面。樹脂固化說明如圖1所示。

其計(jì)算公式分別為：

式（1）（2）中：Ec、Dp分別為樹脂的臨界曝光量（lx/s）和透射深度（mm），是光敏樹脂的固有參數(shù)；ωo為光斑的半徑，mm；P為功率，W；Vs為掃描速度，m/s。通過這2個(gè)參數(shù)可以驗(yàn)證一個(gè)普遍的觀點(diǎn)：在3D打印中都希望降低固化的線寬Lw，為了滿足此條件在3D打印機(jī)制造企業(yè)工程師不斷地改變式中的參數(shù)，比如不斷地縮小光斑的半徑以降低線寬。在固化深度方面，由于光線透過復(fù)合樹脂時(shí)強(qiáng)度逐漸減弱，故深層樹脂往往聚合不完全，當(dāng)通過一定深度后，單體的聚合程度極小，樹脂的強(qiáng)度非常低，這一臨界深度成為“固化深度”。所以在表1中發(fā)現(xiàn)市面上很多材料的固化深度幾乎都是一樣的。

4、模型缺陷

3D打印過程本質(zhì)上來說是采用離散和疊加的思想[5]。離散過程即是將三維模型切片，將得到的層片信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中不僅包含結(jié)合3D打印機(jī)設(shè)置加工參數(shù)，也包含對(duì)切片得到的層片輪廓內(nèi)部進(jìn)行掃描填充即路徑規(guī)劃等，從而得到數(shù)據(jù)文件[6]。而疊加過程就是將打印數(shù)據(jù)文件發(fā)送到打印機(jī)，打印機(jī)接收到指令后，開始逐層累積打印，最終就可得到實(shí)體模型[7]。一般來說，三維模型成型的質(zhì)量取決于所選工藝的成型精度和3D打印的工藝的選擇[8]。總體上，影響快速成型精度的因素分為3類，即計(jì)算機(jī)切片處理誤差、打印過程誤差和后處理誤差[9]。以上3種誤差中，在各類3D打印工藝前處理過程中共同會(huì)存在的問題就是計(jì)算機(jī)的軟件切片產(chǎn)生的誤差，同時(shí)產(chǎn)生的誤差機(jī)理也是相同的。在日常打印中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，即模型放入打印機(jī)軟件中會(huì)產(chǎn)生破面。然而很多人覺得自己的模型完全看不到破面，那這又是為何呢？在建立三維模型時(shí)，由于采用的是不同的軟件，不同的軟件默認(rèn)保存的格式不盡相同，但是最終都是需要轉(zhuǎn)化為STL格式才能進(jìn)行3D打印。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，不同的專業(yè)使用不同的建模軟件，有些軟件無法轉(zhuǎn)化為STL格式或者有些模型在轉(zhuǎn)化后模型產(chǎn)生的誤差較大。當(dāng)保存STL文件后，設(shè)計(jì)的所有表面和曲線都會(huì)被轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格，網(wǎng)格一般由一系列的三角形組成，代表著設(shè)計(jì)原型中的精確幾何含義。很多三角形的面可以表現(xiàn)流暢的曲線，這就需要導(dǎo)出高分辨率的STL文件，所以需要將STL文件保存為合適的分辨率。一般弦高要達(dá)到0.05mm以下，角度值控制在0.1°以下，控制界面如圖2所示。

然而當(dāng)不斷地控制三角面片各項(xiàng)尺寸時(shí)，隨之而來的就是在格式轉(zhuǎn)換過程中可能有些三角面片會(huì)變得很小，以至于機(jī)器無法察覺。STL文件必須是全封閉的，正如上面所說的原因，即使設(shè)計(jì)的物體已經(jīng)創(chuàng)建完成后，很有可能仍存在一些沒有留意到的小孔。此時(shí)要導(dǎo)出STL文件格式時(shí)，軟件則會(huì)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)。這些錯(cuò)誤并非發(fā)生在瀏覽階段，而是存在于該模型的對(duì)象中。目前很多切片軟件會(huì)自動(dòng)幫助修復(fù)STL文件錯(cuò)誤。

綜上所述，為了消除以上所涉及到的問題，需要在建立模型時(shí)仔細(xì)留意是否存在破面或結(jié)合處產(chǎn)生誤差，同時(shí)在模型格式轉(zhuǎn)換中需要注意在曲面中的弦高與角度控制值。

光固化打印技術(shù)是目前各種打印技術(shù)中，在綜合模型質(zhì)量、單價(jià)、效率等方面綜合考慮后最適合大規(guī)模推廣的。本文在綜合考慮市面上多種光敏樹脂后從材料本身的特性出發(fā)，選擇了一種性價(jià)比較高的SH8800材料。通過這種材料打印出的模型能夠滿足日常教學(xué)科研的需要。同時(shí)在實(shí)際科研中通過不斷嘗試，找到了比較合適的弦高與角度控制參數(shù)，解決了模型轉(zhuǎn)換過程可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而可以極大地提高打印零部件的效率。

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作者簡介：吳開明（1991—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事3D打印與流體機(jī)械方面的工作。