光敏树脂和光固化3D打印技术的发展及应用

周爱梅 杨利花 张如辉

摘 要：随着科学技术水平的提高，3D技术应用范围也不断扩大，针对复杂构建制造快速成型技术的开发应用，推动了光敏树脂和光固化3D打印技术的快速发展，下面文章就对这方面展开分析和探討。

关键词：光敏树脂；光固化；打印技术；技术发展

基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目（项目编号：2017ZZX107）。

从产品开发周期、生产成本、满足个性化定制需求、打印质量等快速成型技术共性要求方面考虑，光固化3D打印技术具备非常大的优势。而由于光固化3D打印技术能够保证成型件表面质量、尺寸精准度，对于制造业、建筑、医疗等成型件精准度、表面质量要求较高的行业中应用非常广泛。但随着时代的不断发展进步，人们对3D打印技术有了新的要求，为了能够满足人们的多方面需求，现阶段人们将研究重点集中在了对成型技术原理、成型精度、光敏树脂等方面的研究上。

1 3DSystems光固化3D打印技术原理

光固化3D打印系统的基础所在就是DLP技术，在发展过程中通过对打印配套的低成本光敏树脂的开发以及经济性光固化3D打印设备的自主开发研究两方面开展研究，能够不断促进光固化3D打印技术朝向节能化、高速化、微型化方向发展。从一定程度上来说可以将3D打印技术认为成是一种增材制造方式，能够通过剖切物体三维数字模型得到剖面层的方式，利用打印设备打印每一层剖面，并将所打印出来的各个剖面依次堆积并粘合在一起，形成成品。光固化3D打印整个打印过程主要分为建模、分层、打印和后期处理四大阶段。三维建模阶段：此阶段是准备阶段，此阶段的关键所在就是根据实际需求选择不同的三维CAD软件将构想中的三维立体图案模型设计出来。除去构想、设计模式之外也能够通过利用专业3D扫描仪对已有物体进行扫描获取三维数据的方式生成三维模型或者是直接使用其他已做好的3D模型，总的来说此三种方式都需要提供有准确参数的3D模型。分层处理阶段：此阶段利用离散程序对三维立体数字模型进行分离处理，分离成连续的、不同的截面，而每个截面厚度都需要根据打印材料属性和打印机的规格来决定。实体打印阶段：需要在分层处理基础之上设计打印机的扫描路径，实现精准控制激光头和升降台，通过数控装置扫描器指导激光束能够严格按照所涉及的路径开展在液态光敏树脂表面上的投射工作，在液槽表面树脂作用下达到固化作用，完成一个截面的打印工作。在一个截面打印完成之后需要通过升降台下降数据设定距离，在通过覆盖另一层液态树脂在固化层上的方式开展第二层扫描，通过不断的扫描和固化层的不断叠加最终形成三维工件原型，确保3D打印效果能够更好的达到三维立体模型设计要求。后期处理阶段：在打印完成之后需要取出原型，并通过固化处理的方式对打印之后所存在的层纹或是粗糙的截面进行处理，之后就是打磨、喷漆着色、电镀、雕刻等处理工作，这些工序都要根据产品设计要求或原产品形态进行处理，保证最终打印产品形态能够更好的符合要求。

2 技术特点

DLP光固化快速成形技术相较于其他的快速成形技术来说具备以下四点优势和特点：第一点成形速度相对较快，从最初的设计到原型打印完成时间范围控制在几小时到十几个小时范围内，和传统建模、成形来说加工周期能够节省大约百分之七十的时间。第二点高度柔性化：在设备成形尺寸范围内，能够随意改变所加工零件的形状，甚至是装配体。逐层扫描成形并不受到零件复杂程度和工具的影响，不需要根据零件形状使用专用夹具或工装就能够完成加工设计。第三点具备非常高的成形精度，此技术能够充分利用光学技术，实现DMD各个像素成像，避免让光源直接在树脂上成像，能够大大提升分辨率和特征尺寸。此技术所能够达到的最小层厚在0.05mm，能够精准、全面的把握各种薄壁结构、成品件表面细腻光滑精密等特征结构。

3 光敏树脂和光固化3D打印技术的发展及应用

3.1 3D打印成型测试

切片控制软件选用速度快、界面简洁的Creation Workshop。光固化3D打印成型过程主要包括：1）尺寸校准点击控制面板和尺寸校准，投影仪投放红色网格，用专用网格纸校准；2）参数设置点击参数配置中的Configure Slicing Profile，设置打印层厚，曝光时间，底层曝光等参数；3）模型导入与分层设置将需打印的STL文件导入软件，并完成模型调整以及支撑添加。当点击完成切片后，可在切片视图中观察每层二维视图。

3.2 数据模型前处理

成形方向的选择以及支撑设计都是数据模型前处理过程中非常关键的两大技术。成形方向布置就是模型造型方向、定位，主要是指保证3D打印机工作平台上模型布置的合理性。对于零件打印来说造型方向是重要的影响因素。虽说当前的DLP成形精度逐渐提升，已经达到了0.05mm，但台阶效应依旧存在。在零件成形方向选择过程中需要保证重要模型表面能尽可能的呈现出水平方向。同时在打印件成形过程中其质量也会受到壳内、外部支撑设计合理性的影响，支撑设计合理性甚至会对一次打印成败起到决定性作用。在中控模型抽壳后，如果壳内支撑足够合理就能够从内部支撑间距、支撑杆大小两方面保证零件总体强度能够符合要去。外部支撑设计中支撑区域、支撑类型的选择以及支撑形状结构设计等是其中的重要内容，而主要的控制参数就包含有基本厚度、圆锥长度、端点分支、分叉最小高度等。支撑设置只有保持在合理范围内才不会造成负面影响，如果出现设置过多或过于粗壮，不但会造成树脂材料的浪费，还会造成后期处理支撑时出现剥离困难，对零件表面质量造成影响；支撑太细或者太稀疏则会给模型制作带来塌陷、变形等各种缺陷。同时在对支撑进行设计过程中应该尽可能的将易于打磨处理或对表面质量要求相对较低的区域作为支撑区域。

4 结语

综上所述，光固化3D打印快速成型技术逐渐被广泛应用于各个领域，随着光固化3D打印快速成型技术的不断完善和技术水平的提升，其应用前景将更加广阔。

参考文献

[1]戴京涛，赵培仲，魏华凯，等.光固化复合材料的研究进展[J].化工新型材料，2016，44（3）：15-16.

[2]李东方，陈继民，袁艳萍，等.光固化快速成型技术的进展及应用[J].北京工业大学学报，2015，41（12）：1769-1774.

[3]邵中魁，姜耀林.光固化3D打印关键技术研究[J].机电工程，2015，32（2）：180-184.