層厚/支撐角度及后處理對SLA零件性能的影響

郭 亮，陳忠旭，張慶茂，馮加模

(1.華南師范大學廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東 廣州 510006；2.廣州市光機電技術研究院，廣東 廣州 510663)

層厚/支撐角度及后處理對SLA零件性能的影響

郭 亮1，陳忠旭1，張慶茂1，馮加模2

(1.華南師范大學廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東 廣州510006；2.廣州市光機電技術研究院，廣東 廣州510663)

采用VisiJet?SLBlack型光敏樹脂，從成型過程及后處理工藝出發，研究了切片層厚、支撐角度對成型件尺寸精度和表面精度的影響及二次固化時間對拉伸性能的影響。結果表明，支撐角度越接近45°，試樣尺寸精度越高，小支撐角度大層厚試樣會出現上表面隆起現象；層厚越大，試樣表面越粗糙；二次固化后的拉伸強度在9.33～22.84MPa之間，斷裂機制均為脆性斷裂，二次固化時間為200min時，材料的拉伸強度為20.24MPa，塑性最好，斷裂伸長率最大為3.80%；二次固化時間為250min時，拉伸強度最大為22.84MPa，但塑性降低。

光固化；三維打?。怀尚途?；力學性能

0 前言

近些年來，隨著先進制造理念及技術的發展，增材制造技術逐漸在各行各業得到廣泛應用，它綜合了計算機、光學、機械、電子、材料等多個學科，可以直接、快速、精確的將設計思想轉化為原型或模具，是目前一種真正的智能制造技術。增材制造技術的工藝方法都是基于離散 - 疊加原理而實現快速制造的，按成型方法分類，可分為2大類：基于激光或其他光源的成型技術，如光固化立體成型(SLA)、選區激光燒結技術(SLS)等；基于噴射的成型技術，如熔融沉積成型(FDM)、立體噴墨打印法(3DP)等[1]。相比于其他3種成型技術，SLA技術具有成型精度高、成型周期短、材料利用率高等優勢，因而應用更為成熟廣泛[2]。

在SLA零件成型或使用過程中，若措施不當，小則產生孔洞、夾雜、變形，大則產生翹曲、裂紋、斷裂等致命缺陷，故通過研究SLA工藝來避免缺陷、提高使用性能，得到精度高、力學性能好的成型件是十分必要的。劉杰[3]重點對翹曲變形、側孔畸變、臺階紋現象進行了詳細實驗研究，并提出了改善方法。郭辰光等[4]研究了鋪層取向對SLA件力學性能的影響，研究表明，構件拉伸強度與拉伸斷裂能隨著鋪層方向角度的增大而呈遞增趨勢。但是，對零件的支撐角度、切片層厚以及后處理工藝等因素研究較少，而這些因素對SLA件的精度和力學性能影響很大[5]。因此，本文重點研究了支撐角度、層厚和二次固化時間對SLA件的精度和力學性能的影響，為SLA技術的應用提供了參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

光敏樹脂，VisiJet?SL Black，黑色，25 ℃時液態和固態的密度分別為1.13 g/cm3和1.15 g/cm3，彈性模量為2150 MPa，剪切模量為2350 MPa，0.45 MPa時的熱變形溫度為54 ℃，肖D硬度為86，玻璃化轉變溫度為62 ℃，美國3D Systems公司。

1.2 主要設備及儀器

光固化3D打印機，ProJetTM6000，美國3D Systems公司；

紫外固化燈，No.CU853，美國3D Systems公司；

3D表面形貌分析儀，BMT EXPERT，德國BMT公司；

電子萬能試驗機，CSS-44300，長春試驗機研究所；

掃描電子顯微鏡(SEM)，S-4300，日本日立公司；

游標卡尺，MNT-150，德國美耐特公司。

1.3 樣品制備

使用光固化3D打印機按設定的參數打印以下3組試樣：(1)層厚分別為0.075 mm和0.100 mm的方塊試樣(尺寸為10 mm×10 mm×10 mm)各1個(1#、2#樣品)，支撐角度均為0 °，即水平擺放；(2)層厚為0.125 mm的方塊試樣(尺寸為10 mm×10 mm×10 mm)4個(3#～6#樣品)，支撐角度分別為0 °、15 °、30 °和45 °；如圖1(a)所示，支撐角度α為零件支撐面的法線與切片層垂線的夾角；其他主要參數均采用設備默認參數：光斑直徑為0.127 mm，光斑補償為0.0762 mm，激光功率為170 mW，激光掃描速率為508 mm/s；按圖1(b)的尺寸打印出5個拉伸試樣，層厚均為0.125 mm，研究二次固化時間對拉伸強度的影響。

(a)支撐角度示意圖 (b)拉伸試樣圖1 支撐角度示意圖和拉伸試樣Fig.1 Support angle and tensile samples

1.4 性能測試與結構表征

采用用游標卡尺測量方塊試樣的尺寸；

采用3D表面形貌分析儀檢測方塊試樣的粗糙度，測量參數為：線長為5.0mm，點密度為100points/mm，測量速率為1.0mm/s，頻率為100Hz；

拉伸性能按GB/T2567—2008測試，拉伸速率為10mm/min，室溫為24℃；試驗前，試樣需經嚴格檢查，試樣應平整、光滑、無裂紋和無明顯加工損傷；裝夾好試樣后，沿軸向勻速施加靜態拉伸載荷，直到試樣斷裂；

SEM分析：將試樣噴金處理后在SEM上進行觀察；

尺寸精度測試：用游標卡尺對每個方塊試樣的長寬高進行測量，然后計算其平均值和偏差；

表面精度測試：使用表面形貌儀對每個方塊試樣的上表面和側面進行線掃描，掃描速率為1.0mm/s；

元素定量分析(EDS)：采用配備有能譜儀和波譜儀分析探頭的SEM進行分析；儀器主要性能指標：分辨率優于1.0nm，放大倍率為12～106倍，元素分析范圍為Be4～U92，元素理論檢測限≥0.1%。

2 結果與討論

2.1 層厚和支撐角度對表面品質的影響

從表1可以看出，1#～6#樣品的側面尺寸偏差均在±1%之內，沒有明顯的變化規律，表明層厚和支撐角度對橫向尺寸的精度影響不大。從1#～3#樣品可以看出，打印層厚越大，縱向尺寸偏差越大，即產生表面隆起現象(圖2)；3#～6#樣品尺寸偏差最大達到3.8 %，之后逐漸減小，則支撐角度越大，試樣尺寸越標準(圖3)。表面精度方面，1#～3#樣品的側表面和上表面粗糙度均逐漸增大(圖2)，層厚為0.075 mm時，粗糙度為0.81～0.85 μm；從3#～6#樣品可以看出，同一層厚不同的支撐角度，側表面和上表面粗糙度均變化不大，表明支撐角度對試樣的粗糙度無明顯影響。

表1 光敏樹脂方塊的尺寸精度和表面精度Tab.1 Size accuracy and surface roughness of photosensitive resin cubes

注：尺寸精度和表面精度為3組實驗數據的平均值；A、B、C分別代表小方塊的長寬高。

圖2 層厚對成型精度的影響Fig.2 Effect of layer thickness on forming accuracy

圖3 支撐角度對成型精度的影響Fig.3 Effect of support angle on forming accuracy

目前，3D打印數據分層處理都是基于STL格式文件的切片方法，即采用小三角形近似逼近三維模型外表面，小三角形數量的多少直接影響近似逼近精度，小三角形的數量越多，則精度高誤差小，但增加了數據處理的難度[6]。離散 - 疊加是增材制造的基本原理，分層切片將不可避免地在兩層間產生距離，這破壞了實體模型的完整性，造成了分層方向的表面精度和尺寸精度誤差。如圖4(a)所示，樣品表面形成了“臺階紋”，這是不可避免的原理性誤差，層厚越大則該現象越明顯，零件表面的粗糙度越大[7]。還可以看出，層間存在空隙，層間的線條比較筆直，說明固化程度一致，成型效果好，若層間線條彎曲或存在空洞或不規則形狀，則說明固化程度不同。在高度方向上，上一層先固化的樹脂與正在固化的樹脂層之間會產生應力，層層累積，應力逐漸增大而得不到釋放，就會形成殘余應力，從而降低了零件的精度，甚至會造成翹曲變形。

(a)1#樣品側表面 (b)工業齒輪表面圖4 1#樣品側表面和工業齒輪表面的SEM照片Fig.4 SEM of sample 1# side surface and industrial gear surface

層厚相同時，支撐角度從0 °增加到45 °，高度方向的尺寸偏差變小，原因是支撐角度越接近于45 °，試樣傾斜抵消了原來縱向因固化程度不一致而產生的偏差。而且，小支撐角度大層厚的零件分層不夠精細，縱向偏差更大，會產生上表面隆起現象。圖4(b)是放大3000倍時工業齒輪表面的SEM照片，零件表面出現空洞、毛刺等缺陷，增加了表面粗糙度，通過打磨、拋光等后處理方法可以有效提高表面精度。

2.2 二次固化時間對拉伸性能的影響

從圖5可以看出，二次固化時間為100min時，打印件的拉伸強度很低，只有9.33MPa；隨著紫外燈光照時間的延長，打印件的拉伸強度逐漸增大，在250min時拉伸強度達到最大(22.84MPa)，在此期間，拉伸強度的上升速率呈先快后慢的趨勢；之后拉伸強度略有下降，在300min時達到22.80MPa，說明繼續增加光照時間不能明顯提高打印件的拉伸強度。采用定長標距120mm的方法得到的斷裂伸長率曲線如圖5所示，可以看出，二次固化時間為100min時，斷裂伸長率較小為2.82%；隨著紫外燈光照時間的增加，200min時，斷裂伸長率達到最大(3.80%)，整體呈現先升高后降低的趨勢。

圖5 拉伸試樣的力學性能Fig.5 Mechenical properties of the tensile samples

零件在打印過程中，光敏樹脂會出現未完全固化或固化程度不一致等問題，這會降低零件的致密度和力學性能，因此，光固化3D打印的零件都需要進行二次固化。適當時間的二次固化可以有效增強光固化效果，提高零件的力學性能。二次固化時間太短，未完全固化或固化程度不一致等問題沒有得到解決，零件表現出低韌、低強度的特征，使用性能不佳；二次固化時間太長，完全固化的光敏樹脂零件會在紫外燈的照射下變得硬脆起來，不僅降低了使用性能，還增加了時間成本。

二次固化時間/min：1—100 2—150 3—200 4—250 5—300圖6 拉伸試樣的應力 - 應變曲線Fig.6 Stress-strain curve of the tensile samples

從圖6的應力 - 應變曲線可以看出，5條曲線在應變較小時都近似于直線，這是聚合物具有一定黏彈性的體現，這種彈性形變是小尺寸運動單元的運動引起聚合物分子鍵長、鍵角變化的結果。二次固化時間為100min時，樣品的應變和應力都比較小，表現為低模量、低強度、斷裂能小，沒有出現明顯的屈服點就發生斷裂，為脆性斷裂；隨著光照時間的延長，應力和應變均明顯增大，表明材料的韌性增強，這與斷裂伸長率曲線表現一致，斷裂能大，拉伸強度顯著提高；200min時，材料的拉伸強度為20.24MPa，塑性最好；250min時，材料的拉伸強度達到最大，但塑性明顯降低，再增加二次固化時間則會降低材料的使用性能。

從化學結構上講，光敏樹脂是一種熱固性塑料，高分子的鏈結構直接影響高分子材料的性能，特別是力學和光學性能。液態光敏樹脂經固化后稱為交聯高分子，交聯分子鏈是具有一定強度的網狀結構，分子之間不能滑動，具有一定的彈性和強度[8]。高分子材料的斷裂需要破壞存在于高分子之間的范德華力和氫鍵，由于鏈結構單元有103～105個，相對分子質量大，使得高分子間的相互作用能比單個大分子中的化學鍵強得多[9]。高分子鏈由于單鍵內旋轉而產生的分子在空間的不同形態稱為構象，內旋轉能夠改變構象的特性，對高分子鏈的柔性產生影響，進而影響高分子材料的韌性或彈性，斷裂伸長率的大小取決于樹脂分子鏈的柔性[10]。

如圖7所示為對二次固化時間為200min時拉伸試樣的斷口進行SEM觀察，并對特定區域的組成元素進行EDS分析。從圖7(a)可以看出，斷口表面既有凸起也有凹槽，凹槽部分存在橫向臺階紋，形狀不規則，這是韌性特征的體現，表明材料具有一定的韌性；對圖7中的標記區域進行元素檢測，結果顯示C元素占大部分，O元素含量只有2.73%。圖7(b)拉伸斷口產生了間距相當的銀白色條紋，即銀紋現象，原因是聚合物在拉應力的作用下，在材料某些薄弱部位出現了應力集中而產生了局部的塑性形變和取向。圖7(c)為銀紋區域放大3000倍時的形貌，打印件內部存在孔洞和夾雜等缺陷，而這會引起應力集中，降低了材料的強度，應盡力避免其產生；對銀紋區域進行元素檢測[圖7(d)]，O元素含量高達18.06%，明顯高于其他區域，這表明銀紋體內存在大量空隙。銀紋區域內，聚合物在產生塑性變形的同時，高分子鏈沿拉應力方向高度取向，并吸收能量，由于橫向收縮不足以補償塑性伸長，導致銀紋體內產生大量空隙，進而擴展形成裂紋。

微觀上，聚合物的斷裂破壞是化學鍵的斷裂或分子鏈的滑移所導致，分子鏈適度的取向可使沿取向方向的拉伸模量、拉伸強度和韌性均有所提高，但在垂直于取向的方向上拉伸時，與未取向的聚合物相比，則更容易發生脆性斷裂[11]。而且，借助于多官能團單體或某種助劑將大分子鏈之間通過支鏈或化學鍵相連接，形成交聯的、不規則體型網絡結構，也可以有效地增加分子鏈間的相互作用，使分子鏈不易發生相對滑移，拉伸強度和拉伸模量均提高，但交聯的程度又不宜過大，否則就會失去彈性[12]。另外，在聚合物中添加合適的增塑劑或其他填料，可以明顯改善材料的韌性或提高其拉伸模量和拉伸強度。

3 結論

(1)支撐角度和層厚對橫向尺寸精度影響不大；高度方向，支撐角度越接近于45°，試樣尺寸的誤差越小，小支撐角度大層厚樣品會出現上表面隆起現象；支撐角度對試樣的粗糙度無明顯影響；

(2)層厚增大，樣品側表面和上表面的粗糙度均逐漸增大，層厚為0.075mm時，粗糙度最小為0.81～0.85μm；

(3)二次固化后的拉伸試樣均發生脆性斷裂，但具有一定的塑性，拉伸強度在9.33～22.84MPa之間；二次固化時間為200min時，材料的拉伸強度為20.24MPa，塑性最好，斷裂伸長率達到最大值(3.80%)；二次固化時間為250min時，拉伸強度達到最大值(22.84MPa)，但塑性降低；拉伸斷口產生銀紋現象，銀紋體內存在大量空隙，進而擴展形成裂紋。

[1] 楊繼全,徐國財.快速成形技術[M].北京：化學工業出版社，2006：90-91.

[2] Campanelli S L. Statistical Analysis of the Stereolithographic Process to Improve the Accuracy[J]. Computer Aided Design, 2007, 39(1):80-86.

[3] 劉 杰. 光固化快速成型技術及成型精度控制研究[D].沈陽：沈陽工業大學機械學院,2014.

[4] 郭辰光,李威力,李 源.鋪層取向對光敏樹脂固化快速成型構件力學性能影響[J].塑料工業，2016，44(3)：111-114. Guo Chenguang,Li Weili,Li Yuan.Influence of Different Ply Orientations on Mechanical Properties of Rapid Prototyping Structure by Photosensitive Resin Curing[J].China Plastics Industry.2016,44(3)：111-114.

[5] 楊繼全. 光固化快速成型的理論、技術及應用研究[D].南京：南京理工大學機械學院,2002.

[6] 袁慧羚.光固化快速成型工藝的精度研究與控制[D].南昌：南昌大學機電學院，2010.

[7] 鄒建鋒,莫健華,黃樹槐. 用光斑補償法改進光固化成形件精度的研究[J]. 華中科技大學學報：自然科學版,2004,(10):22-24. Zou Jianfeng,Mo Jianhua,Huang Shuhuai.Improvement of the Accuracy of Stereolithography Parts by Adaptive Beam Compensation Method[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology: Natural Science Edition,2004,(10):22-24.

[8] Pan Yayue,Zhao Xuejin,Zhou Chi,et al.Smooth Surface Fabrication in Mask Projection Based Stereolithography.[J].Journal of Manufacturing Processes,2012,14(4):460-470.

[9] Stumpel Lambert J. Deformation of Stereolithographically Produced Surgical Guides: An Observational Case Series Report.[J]. Clinical Implant Dentistry and Related Research,2012，14(3):442-453.

[10] 董炎明,朱平平,徐世愛.高分子結構與性能[M].上海：華東理工大學出版社，2010：274-276.

[11] G W埃倫斯坦，張 萍，趙樹高譯.聚合物材料—結構·性能·應用[M].北京：化學工業出版社，2007：156-157.

[12] 楊媛麗,王永禎,王愛玲.光固化快速成型中光敏樹脂固化機理研究[J].材料開發與應用，2016，21(6):8-10. Yang Yuanli,Wang Yongzhen,Wang Ailing.Study on Curing Mechanism of Photosensitive Resin in Stereo Lithography Apparatus[J]. Development and Application of Materials,2016，21(6):8-10.

EffectofLayerThickness,SupportAngleandPost-processingonPropertiesofSLAParts

GUO Liang1, CHEN Zhongxu1, ZHANG Qingmao1, FENG Jiamo2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices, South China Normal University,Guangzhou 510006,China; 2.Guangzhou Reserch Institute of O-M-E Technology, Guangzhou 510663, China)

This article reported an investigation on the accuracy and tensile property derived from the prototyping process and post-processing technology for improvement of the accuracy and mechanical properties of SLA parts. VisiJet?SL Black photosensitive resin was employed as a based material to prepare SLA parts. Effects of layer thickness and support angle on the size and surface accuracies of the parts were studied, and influence of post-curing time on their mechanical properties was evaluated. The results indicated that the parts achieved a higher size accuracy when the support angle was close to 45 °. A hump phenomenon was observed for the parts with a thick layer at a small support angle. Thicker layer resulted in a rougher surface for the parts. The parts achieved a tensile strength around 9.33～22.84 MPa with a brittle fracture. When the post-curing time was set to 200 min, the parts obtained a best plasticity effect and thus gained the tensile strength of 20.24 MPa and elongation at break of 3.80 % as an optimum value. However, the plasticity became poor for the parts at the post-curing time of 250 mins, although they achieved a maximum tensile strength of 22.84 MPa.

stereo lithorgraphy apparatus; three dimensional printing; prototyping accuracy; mechanical property

TQ322.4+1

B

1001-9278(2017)09-0091-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.014

2017-03-27

聯系人，15323310190@163.com

廣東省科技項目(2016B090917002)；廣東省自然科學基金(2016A030313456)；2017國家重點研發計劃(SQ2017YFGX070050)