SLA增材制造的模型放置与支撑策略

刘辛夷

(南京市第一中学, 江苏 南京 210001)

1 SLA的基本原理

增材制造(additive manufacturing)技术也称三维打印(3D printing)技术，是利用逐层堆积原理制造实体零件的一种工艺，它不需要模具就可以快速制造出具有复杂内外型面的零件，在航空航天、医疗、汽车、建筑等领域得到了广泛应用。光固化成型(stereo lithography apparatus，SLA)是发展较早、工艺也较为成熟的一种增材制造方法，其系统组成如图1所示，主要由激光源、光束扫描系统、刮板、树脂液槽、升降工作台等部件组成。

图1 SLA系统组成

SLA的工艺流程如图2所示。首先进行三维建模，转换模型数据格式为STL 文件，优化并确定模型放置方向，添加必要的支撑结构，然后进行离散分层处理，将分层数据导人SLA设备中进行光固化成型，SLA设备精确控制激光束所照射区域，激光照射之处的光敏树脂由液态转变为固态，工作台逐层向下移动，在树脂槽中实现由下至上的逐层固化堆积，直至零件成型完毕，最后清洗零件,去除支撑,打磨。

图2 SLA工艺流程

2 模型放置与支撑结构对成型结果的影响

2.1 模型放置方向

模型放置或者说模型的成型方向，是光固化成型模型前处理的首要环节。模型放置方向很大程度上决定了零件最终成型精度、成型成本、所耗时间以及支撑结构的形式与多少，不恰当的模型放置方向会导致成型失败[1-3]。

例如，不同的模型放置方向会导致不同的阶梯效应，进而影响到成型表面粗糙度及质量。模型的分层切片处理会在倾斜表面上留下大量呈阶梯状的边界，这种阶梯效应是光固化成型零件与原始CAD 模型之间体积误差的根源，这种误差过多会造成成型表面质量的下降[1]。图3是阶梯效应示意图，三角片面的法矢与成型方向之间的夹角α(0°～90°)越小，阶梯效应则越大。

不同的模型放置方向还会影响到零件的成型时间，最终影响到零件的制造效率。在光固化成型工艺中，零件的制造时间包括成型准备时间、光束扫描或者投影时间、Z轴的下降时间等。

图3 阶梯效应

合理的模型放置方向，可以降低零件在成型方向的高度，减少零件的分层切片数量，最终达到减少零件成型时间、提高成型效率的目的。

如图4所示，一长方体的长(L)、宽(W)、高(H)分别为20mm、10mm、10mm，在分层厚度均为0.25mm的情况下，图4(a)所示的放置方向与图4(b)所示的放置方向的分层数量分别为40与80。该零件的总成型时间可表示为[4]：

(1)

图4 成型方向对分层数目的影响

式中：Ti为每层制造时间；Tw为层间等待时间；N为分层数目。可以看出，在分层厚度和光束功率不变的条件下，对制件的扫描固化时间基本可以看成是一个定值，而降低分层数目可以降低成型过程中层间等待时间的总和。以3D System SLA 350机床为例，如图4(a)、(b)所示的模型，其预估的加工时间分别为46min和1h20min[4]。

光固化成型技术在成型过程中需要对零件的悬空部分进行支撑。模型放置方向直接影响到支撑结构的数量，且支撑结构不但在成型过程中需要消耗能量、树脂材料、加工时间，而且在成型结束后也需要人工去除[5]。如图5所示，零件总成型体积应为模型体积与支撑体积之和，即：

(2)

式中：V为模型体积；Vj为支撑体积；M为支撑数量。结合式(1)可以看出，成型体积的增加必然导致每层制造时间Ti的增加，这在很大程度上也会导致分层数目N的增加，最终使得总成型时间T增加。以“T”型结构为例，如图6所示，图6(a)的放置方向无需添加支撑结构，但图6(b)所示的放置方向就需要考虑为悬臂部位增加支撑。

图5 支撑结构所致的成型体积增加

图6 模型放置对支撑结构的影响

2.2 支撑结构

支撑结构是一种辅助成型结构，在SLA成型过程中必不可少，其主要原因在于：1)未被激光束照射部分的材料仍为液态，不能对零件切片上的独立轮廓和悬臂结构起到定位作用；2)零件的底面以及某些角度下的倾斜面在成型过程中会发生变形。因此，必须设计并添加一些支撑来稳定模型的悬臂、悬空结构，防止模型塌陷、变形，成型后再将其剥落和清除干净。支撑结构的好坏也可以决定样件成型的成败[3]。

文献[6]、[7]认为，利用光固化成型技术制作零件时，模型上有4种几何特征需要设计并添加适当的支撑，如图7 所示，它们分别是：1)倾斜角度较大的倾斜面；2)悬吊面；3)悬吊线；4)悬吊点。在SLA成型过程中，悬吊结构在重力、热应力作用下易产生下垂、塌陷或者翘曲，从而导致成型失败。

图7 需要添加支撑的结构

由图7可以看出，悬吊线及悬吊点必须添加支撑结构，倾斜面及悬吊面的情况需要进行具体分析。文献[8]认为，倾斜面及悬吊面可简化为不同倾斜角度的悬臂梁结构，如图8所示。在SLA成型过程中，悬臂梁由于重力作用极易向下产生下垂。此外，液态树脂材料凝固时的收缩也会产生力的作用，从而导致弯矩的产生。一般而言，上表面的冷却收缩比下表面剧烈，因而弯矩多会导致悬臂向上翘曲变形。如图9所示，悬臂结构的主要几何参数包括倾斜角β和悬臂梁长度l，这两个参数的大小决定了是否需要支撑结构，具体讨论如下。

图8 悬臂结构翘曲示意图

1)β=0°时，存在一个不需要添加支撑的临界悬臂长度，这个临界悬臂长度与树脂类型、分层层厚、成型精度有关[7]。

2)0°<β<90°时，若角度较大，则可以利用自支撑抵抗下垂；若角度较小，则需要添加支撑。

3)β<0°时，必须添加支撑。

图9 悬臂结构示意图

3 模型放置策略

通过以上分析可以得出，模型放置方向是一个复杂的多目标优化问题，需要综合考虑零件的平衡、切片的数量、阶梯效应、支撑结构形式与数量、成型时间、成型精度等多种因素[2，4，9]。文献[2]从成型效率及成型表面精度两个角度入手，提出了若干模型放置策略。文献[4]认为，模型成型方向需要综合考虑成型精度和成型效率，简单模型的成型方向往往一目了然，而复杂模型的成型方向选择则需经过计算机的精确计算。文献[9]认为在SLA成型方向的选择上应同时考虑成型质量、生产率和经济性3个因素，在保证零件制作质量的前提下，尽可能地缩短制作时间，降低制作成本。综合现有研究结果，本文提出如下模型放置策略。

首先考虑成型精度。模型放置方向应该使得成型后的阶梯效应最小，即零件成型后的阶梯面积占总面积的比例最小。如图10所示，图10(b)的放置方向显然要优于图10(a)的放置方向[10]。此外，模型放置方向要以外表面为支撑表面，即外表面向下、内表面向上，尽量避免在筋条等结构上设计支撑。

其次考虑成型效率。模型摆放时尽量降低整体高度，这样可以使得模型的分层切片数量减少，缩短总成型时间，有利于提高成型效率。以图11所示的例子来说明，零件的长、宽、高分别为14mm、13.987mm、20mm，取分层厚度为0.10mm。图11(a)所示的放置方向得到的分层数为200，图11(b)所示的放置方向得到分层数为139，且满足成型精度要求[4]。因此图11(b)的放置方案优于图11(a)。

最后考虑使支撑结构最少。额外的支撑结构不但增加材料的消耗量，也增加了成型时间以及后续的支撑结构去除时间，最终会影响到成型效率和成本。因而，模型的放置方向应该使得支撑数量和体积最小化。

图10 模型放置方向对成型精度的影响

图11 模型放置方向对成型效率的影响

以图12(a)的模型为例，按图12(b)所示的方向放置显然能获得最小的支撑结构体积[11]。

图12 模型放置方向对支撑结构数量的影响

4 模型支撑结构设计策略

不同的增材制造工艺所需要的支撑结构也不尽相同。对于SLA工艺而言，其支撑结构设计需要考虑的重点问题是材料收缩变形机理及工件定位机理，且在成型结束后易于清除[8]。当模型较为复杂时，支撑结构设计需要通过计算机精确计算生成。国内外针对SLA增材制造的支撑结构设计发表了较多研究成果[1,6-7,11-12]，在支撑区域识别方法、支撑结构形式、支撑结构自动生成方面提出了不少算法，并进行了实例验证。总体而言，SLA工艺的支撑结构设计应满足以下几个方面的要求：

1)确保制件不会发生变形及塌陷等问题，使得制件在成型过程中具有足够的稳定性。

2)在满足1)的基础上，支撑结构体积应尽可能小，以便于节省材料及提高成型效率。

3)成型完成后，要易于液态树脂材料的流出，要易于与零件分离，减少后处理工作量。

传统的SLA成型工艺的支撑结构为片状，比利时Materialise公司的商业化软件Magics是这种支撑结构设计方式的代表。其主要支撑形式有：

1)点支撑形式，如图13所示，主要适用于悬垂点和微小平面的支撑。

2)线支撑形式，如图14所示，主要应用于狭长平面和悬垂边的支撑。

3)面支撑形式，如图15所示，主要适用于较大平面或者底面的支撑。

4)角板支撑形式，如图16所示，适用于悬臂梁特征的支撑。

图13 点支撑

近年来，对树状支撑结构的设计研究越来越得到重视，其支撑结构的截面形状为圆形，目前Autodesk公司的商业化软件MeshMixer就采用这种方法实现支撑结构的自动生成[13]，其基本原理如图17所示。首先，寻找模型上需要添加支撑的悬垂部分，若曲面法矢与垂直方向的夹角小于阈值，就判定该部位需要支撑，如图17(a)、(b)所示；其次通过力学分析，将悬垂部位转化为一组支撑点集，然后通过优化算法，以所需支撑耗材最少的方向生成树状支撑结构，如图17(c)、(d)所示。

5 结束语

在光固化成型制造工艺中，模型放置方向和支撑结构设计是两个非常关键的步骤，它关系到成型精度、成型效率、材料消耗、后处理的难易等一系列问题，是值得重点探究的课题。

图14 线支撑

图15 面支撑

图16 角板支撑

图17 树状支撑结构设计

本文在总结现有研究成果的基础上，介绍了模型放置方向对成型结果的影响，提出了相应的模型放置策略。与此同时，总结了支撑结构设计策略，对现有两个商品化增材制造软件的支撑结构设计形式进行了介绍。笔者认为，在SLA增材制造技术未来的发展方向上，应该进一步研究、提炼适用于SLA成型的零件设计方法，在零件设计的早期阶段就充分考虑到SLA成型特点，使得零件几何结构特征更加适合SLA成型工艺，减少模型的数据处理时间，简化模型放置方向及支撑结构的优化设计时间，这样可以从总体上提高SLA工艺的制造效率。