SLA光固化3D打印成型誤差分析

王琛?于嘉浩?蔣玉婷

摘 要：本文介紹了SLA光固化3D打印的工作原理及工藝過程，結合實際打印中出現的誤差問題進行探究，分析誤差產生原因，并提出優化方案。這對提高SLA光固化3D打印的模型質量具有一定的參考價值。

關鍵詞：光固化;3D打印技術;誤差分析

1 工作原理

立體光固化（簡稱SLA）作為最早出現的3D打印技術，具有自動化程度高、尺寸精度高特點。[1]該3D打印技術使用的材料包含成型材料和支撐材料。成型材料為光敏樹脂，支撐材料包含石蠟、水溶性材料等。[2]光敏樹脂由于其材料特性，在一定強度和波長的紫外光照射下可以從液態變為固態。紫外光束的移動軌跡受成型數據的控制，在光敏樹脂表面進行逐點掃描，使之由點到線，由線到面順序凝結。[3]完成前面的凝結后，打印頭上升固定高度重復上述過程，層層堆疊，直到模型打印完成。[4]

2 工藝過程

2.1 前處理過程

SLA光固化3D打印的前處理過程即為模型加工數據的準備過程。[5]首先，需要通過三維建模軟件建立空間模型，也可以通過逆向掃描的方法。建模完成后導出STL文件，并將STL文件導入SLA光固化3D打印控制軟件中，對模型進行打印布置，即在打印平臺內，合理地布局各模型的位置;需要兼顧打印時間、材料消耗和打印質量等因素。[6]布置好模型后，前處理過程結束。

2.2 成型過程

SLA光固化3D打印的成型過程即為模型制作過程。以projet-5000快速成型機為例，模型進行3D打印前需要等待成型材料和支撐材料融化。準備就緒后，計算機將前處理過程中生成的加工數據傳送給3D打印機，模型打印開始。計算機控制的UV光束對噴射出的液態樹脂進行有序掃描，被掃描區域的液態樹脂固化成型，完成一層薄截面的掃描后，成型平臺下降一定高度，不斷循環上述過程，直到成型件完成。

2.3 后處理工藝

SLA光固化3D打印的后處理工藝是將光敏樹脂和支撐材料進行分離。以支撐材料石蠟為例，其通過失蠟法進行分離。第一步，將成型件放入冰柜中進行冷卻，使光敏樹脂完全固化。第二步，把模型放入烘箱中加熱，除去模型表面大部分石蠟。第三步，通過油浴進一步除去模型表面及凹槽處多余的石蠟。第四步，使用超聲波清洗機洗去模型表面黏附的油漬。

3 成型誤差

3.1 光學誤差

SLA光固化3D打印機由復雜的光學系統組成，光學系統的誤差對成型精度有重要影響。在立體光固化成型過程中，成型系統的最小單元是成型光點，實質是一個微小直徑的光斑。模型就是光斑掃描后一系列包絡線形狀的固化點。光斑直徑直接影響成型精度，光斑直徑越小，成型精度越高;直徑過大，模型的細部特征將無法體現。同時，由于光斑不能近似為光點，其打印出的實際輪廓要比模型輪廓大光斑半徑的距離，造成光學誤差。解決上述問題需要通過光斑補償的方法，讓光斑向模型輪廓內部移動光斑半徑的距離，即可提高模型的成型精度。

3.2 掃描誤差

SLA光固化3D打印設備的光束掃描方式與成型誤差有緊密聯系。光束掃描方式分為Z字形掃描、跳躍光柵式掃描和螺旋式掃描。Z字形掃描：掃描路徑均是平行的，在輪廓線內沿平行路徑往返填充，打印效率高，適用于快速模型打印。但如果成型件有型腔部分時，Z字形掃描需要多次跨越型腔部分，空行程變多，液態樹脂固化出現拉絲現象，成型精度降低。跳躍光柵式掃描：掃描路徑均是平行的，在輪廓線內沿間隔路徑填充。采用此種掃描方法可以使需要固化的區域完全固化，減少了因為固化不均勻引起的內應力變形。但是成型時間變長，適用于結構穩定性要求較高的模型。螺旋式掃描：由內而外或者由外而內進行填充。此種掃描方式過程復雜，打印效率低，但是成型效果非常好，表面精度高，適用于高精度模型打印。因此，模型打印前，需要根據模型的特征和質量要求，設置合適的光束掃描方式，減少掃描誤差。

3.3 后處理誤差

SLA光固化3D打印的后處理過程也容易產生誤差。以失蠟法為例，失蠟法去除支撐材料的過程，需要對模型進行多次加熱，包括80°的烘箱加熱和60°的油浴加熱。每一步加熱過程都會對模型的內應力產生影響，引起材料的變形，包括翹曲、開裂等。因此，后處理工藝需要控制好加熱的溫度和時間，在徹底分離石蠟的同時避免成型件的受熱變形。在失蠟法過程中如果出現模型翹曲、開裂等缺陷，可以通過降低烘箱和油浴的溫度，或者使用外力來恢復模型原型，減少后處理誤差。

4 結語

本文介紹了SLA光固化3D打印的工作原理及工藝過程，對SLA光固化實際打印中出現的問題進行探究，提出優化方案，對提高模型打印質量具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 王琛，蔣玉婷，陸雪億.拼合蛋椅模型的設計與制作[J].藝術科技，2019（09）：71.

[2] 瞿娟，郁舒蘭.表情包的形態語義分析和認知[J].戲劇之家，2019（04）：222-223.

[3] 藺秀媛，閆小星，尹太玉.多功能臥具設計分析[J].藝術科技，2019（07）.

[4] 第燁，靳文奎.基于老年人懷舊傾向的交互產品設計研究[J].戲劇之家，2019（14）：141-143.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發平均生產周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內有害揮發物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，南京林業大學家居與工業設計學院實驗師，研究方向：工業設計工程。