SLA光固化3D打印成型误差分析

    王琛?于嘉浩?蒋玉婷

    摘 要：本文介绍了SLA光固化3D打印的工作原理及工艺过程，结合实际打印中出现的误差问题进行探究，分析误差产生原因，并提出优化方案。这对提高SLA光固化3D打印的模型质量具有一定的参考价值。

    关键词：光固化;3D打印技术;误差分析

    1 工作原理

    立体光固化（简称SLA）作为最早出现的3D打印技术，具有自动化程度高、尺寸精度高特点。[1]该3D打印技术使用的材料包含成型材料和支撑材料。成型材料为光敏树脂，支撑材料包含石蜡、水溶性材料等。[2]光敏树脂由于其材料特性，在一定强度和波长的紫外光照射下可以从液态变为固态。紫外光束的移动轨迹受成型数据的控制，在光敏树脂表面进行逐点扫描，使之由点到线，由线到面顺序凝结。[3]完成前面的凝结后，打印头上升固定高度重复上述过程，层层堆叠，直到模型打印完成。[4]

    2 工艺过程

    2.1 前处理过程

    SLA光固化3D打印的前处理过程即为模型加工数据的准备过程。[5]首先，需要通过三维建模软件建立空间模型，也可以通过逆向扫描的方法。建模完成后导出STL文件，并将STL文件导入SLA光固化3D打印控制软件中，对模型进行打印布置，即在打印平台内，合理地布局各模型的位置;需要兼顾打印时间、材料消耗和打印质量等因素。[6]布置好模型后，前处理过程结束。

    2.2 成型过程

    SLA光固化3D打印的成型过程即为模型制作过程。以projet-5000快速成型机为例，模型进行3D打印前需要等待成型材料和支撑材料融化。准备就绪后，计算机将前处理过程中生成的加工数据传送给3D打印机，模型打印开始。计算机控制的UV光束对喷射出的液态树脂进行有序扫描，被扫描区域的液态树脂固化成型，完成一层薄截面的扫描后，成型平台下降一定高度，不断循环上述过程，直到成型件完成。

    2.3 后处理工艺

    SLA光固化3D打印的后处理工艺是将光敏树脂和支撑材料进行分离。以支撑材料石蜡为例，其通过失蜡法进行分离。第一步，将成型件放入冰柜中进行冷却，使光敏树脂完全固化。第二步，把模型放入烘箱中加热，除去模型表面大部分石蠟。第三步，通过油浴进一步除去模型表面及凹槽处多余的石蜡。第四步，使用超声波清洗机洗去模型表面黏附的油渍。

    3 成型误差

    3.1 光学误差

    SLA光固化3D打印机由复杂的光学系统组成，光学系统的误差对成型精度有重要影响。在立体光固化成型过程中，成型系统的最小单元是成型光点，实质是一个微小直径的光斑。模型就是光斑扫描后一系列包络线形状的固化点。光斑直径直接影响成型精度，光斑直径越小，成型精度越高;直径过大，模型的细部特征将无法体现。同时，由于光斑不能近似为光点，其打印出的实际轮廓要比模型轮廓大光斑半径的距离，造成光学误差。解决上述问题需要通过光斑补偿的方法，让光斑向模型轮廓内部移动光斑半径的距离，即可提高模型的成型精度。

    3.2 扫描误差

    SLA光固化3D打印设备的光束扫描方式与成型误差有紧密联系。光束扫描方式分为Z字形扫描、跳跃光栅式扫描和螺旋式扫描。Z字形扫描：扫描路径均是平行的，在轮廓线内沿平行路径往返填充，打印效率高，适用于快速模型打印。但如果成型件有型腔部分时，Z字形扫描需要多次跨越型腔部分，空行程变多，液态树脂固化出现拉丝现象，成型精度降低。跳跃光栅式扫描：扫描路径均是平行的，在轮廓线内沿间隔路径填充。采用此种扫描方法可以使需要固化的区域完全固化，减少了因为固化不均匀引起的内应力变形。但是成型时间变长，适用于结构稳定性要求较高的模型。螺旋式扫描：由内而外或者由外而内进行填充。此种扫描方式过程复杂，打印效率低，但是成型效果非常好，表面精度高，适用于高精度模型打印。因此，模型打印前，需要根据模型的特征和质量要求，设置合适的光束扫描方式，减少扫描误差。

    3.3 后处理误差

    SLA光固化3D打印的后处理过程也容易产生误差。以失蜡法为例，失蜡法去除支撑材料的过程，需要对模型进行多次加热，包括80°的烘箱加热和60°的油浴加热。每一步加热过程都会对模型的内应力产生影响，引起材料的变形，包括翘曲、开裂等。因此，后处理工艺需要控制好加热的温度和时间，在彻底分离石蜡的同时避免成型件的受热变形。在失蜡法过程中如果出现模型翘曲、开裂等缺陷，可以通过降低烘箱和油浴的温度，或者使用外力来恢复模型原型，减少后处理误差。

    4 结语

    本文介绍了SLA光固化3D打印的工作原理及工艺过程，对SLA光固化实际打印中出现的问题进行探究，提出优化方案，对提高模型打印质量具有一定的参考价值。

    参考文献：

    [1] 王琛，蒋玉婷，陆雪亿.拼合蛋椅模型的设计与制作[J].艺术科技，2019（09）：71.

    [2] 瞿娟，郁舒兰.表情包的形态语义分析和认知[J].戏剧之家，2019（04）：222-223.

    [3] 蔺秀媛，闫小星，尹太玉.多功能卧具设计分析[J].艺术科技，2019（07）.

    [4] 第烨，靳文奎.基于老年人怀旧倾向的交互产品设计研究[J].戏剧之家，2019（14）：141-143.

    [5] 高玲玲，徐伟.缩短有限定制沙发平均生产周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

    [6] 姚月姝，祁忆青，王丹.冬季室内有害挥发物释放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

    作者简介：王琛，南京林业大学家居与工业设计学院实验师，研究方向：工业设计工程。