工藝參數對于LCD型3D打印成功率的影響*

陶 容，李 洋，李凱龍，王曉慧，李明輝，姚欣雨，韓 慶

(周口師范學院，河南 周口466000)

3D打印技術，因分層打印以面成體又被稱為增材制造技術，和普通的打印機有相似之處，它是用合適的金屬或塑料等具有粘合性材料來代替墨水和碳粉，層層打印疊加堆積為物體，極具新世紀工業創新特色，有第三次工業革命標志之稱[1]。該技術因使用方便，操作簡單等特點在醫療服務、外科手術、文物保護、工業制造、航空航天以及國防等領域都有著較為廣泛的應用[2]。因材料和成型方式的不同，打印機主要分為熔融沉積成型[3]、選擇性激光燒結[4]、光固化立體成型[5]、分層實體制造等類型。其中光固化技術因機械結構簡單、精度較高而被廣泛使用。

市面上常用的光固化技術大致可分為三種，原理差異較大的是SLA和DLP技術，還有一種是與DLP相似的LCD技術，其原理是利用LCD屏幕的選擇透光性控制打印區域，將光敏樹脂按照數字模型的切片造型結構分層打印，形成一個個切面，同時用特定頻率的光波進行照射將其固化并疊加成型[6]。在LCD打印過程中，對打印成功影響最為重要的因素是成型工藝參數，如：層曝光時間、底層曝光時間、底層數和支撐密度。不同的工藝參數組合都會對打印的成功率造成不同程度的影響，錯誤的參數設置可能會出現不成型現象，嚴重影響打印機的日常使用。故本文將通過多次實驗探索不同參數對打印成功率的影響并找到最佳參數組合[7]。

1 原理分析

LCD技術的成型特點是逐層光硬化，每一層都是由特定頻率的光波來硬化容器中的樹脂，下一層的固化緊壓上一層。光固化原理示意圖見圖1。

圖1 光固化原理示意圖

理論上，模型的打印過程材料逐層疊加時，不會出現不成型現象;固化過程需要樹脂在被405nm波段的UV光照射時粘在打印平臺上，但有時由于光源的不同，曝光時間的差別等因素導致模型精細度相差較大，或者出現打印不成型現象[8]。不成型現象則會造成樹脂和時間的浪費，影響模型的打印制作。

2 實驗目的

可通過調整探究設置LCD工藝參數中的層曝光時間、底層曝光時間、底層數和支撐密度來減少不成型現象，提高模型成品的精細度。

層曝光時間是指每固化一層光敏樹脂395-410nm紫外燈所亮燈的時間。已知的曝光量計算公式：

式中：E－曝光量;I－曝光強度;t－曝光時間。

如圖2所示，層曝光時間的長短會影響打印材料的硬度，時間較短會導致打印中固化的樹脂硬度偏低，材料受到重力的作用而向下，造成下一層的樹脂固化被破壞，從而出現連鎖現象，最終導致模型的精度不高，或打印失敗;時間較長就使已經固化的材料過硬，同時因為模型收縮明顯，使固化的模型和材料槽之間產生真空，易使模型脫落在樹脂槽中，出現不成型現象。實際打印中，通常會有打印制品從打印平臺上掉落，通過合理設置底層數以及增加底層曝光時間能夠使平臺與模型貼合更加緊密[9]。

圖2 曝光時間對打印模型收縮率以及彎曲強度的影響

打印過程中模型在重力的作用下，容易斷裂，添加支撐來固定模型就十分必要。其中支撐密度過低會使支撐硬度不足難以固定模型，過高會造成材料的浪費。因此設置合理的參數組合對減少不成型現象和提高模型精度具有重要意義。

3 實驗部分

3.1 實驗設備及原料

本實驗采用的是國產光固化打印機，該3D打印機具有易調平，打印精度適中，打印時間適中等優點。其打印尺寸為120mm*190mm*215mm，LCD參數為8.9寸，分辨率為2560×1600像素，打印層厚為0.01-0.3mm，打印精度為0.075mm，打印波長為395-410nm，剝離方式為平臺剝離，打印耗材為創想三維剛性樹脂。如圖3所示。

圖3 國產光固化打印機

3.2 實驗設計

本實驗采用20mm×12mm×30mm的麋鹿測試模型。麋鹿模型具有量輕，打印周期短，且打印需從多個角度進行等優點。本次實驗采用4因素4水平的正交實驗設計選取L16(45)正交實驗表進行正交實驗，通過更改底層曝光時間、支撐密度、層曝光時間、底層數等參數來探究這些參數對于打印成功率的影響，從而確定最優的參數組合(如圖4)。

圖4 經切片軟件后的麋鹿模型

3.3 各實驗參數對打印的影響

3.3.1 底層曝光時間

底層曝光時間長短是決定模型是否能夠被拉起的重要因素。當底層曝光時間過短，第一層樹脂還未固化，又接著下一層打印，隨著底層的加多，底層與打印平臺的貼合力小于物料自身的重力時，模型會掉落到料槽與離心膜粘合，導致打印成功率下降;當底層曝光時間過長時，底層固化徹底，與成型面貼合力較強，在后期產品鏟取時比較困難，容易損壞產品，使打印失敗。

3.3.2 支撐密度

支撐密度影響模型整體的完整度，對于需要支撐的模型，當支撐密度過低時，支撐本身打印出的效果較差，不足以支撐住模型，可能會使模型掉落到料槽;當支撐密度過高時，支撐當然能夠支撐住模型，但在打印完成后，模型上的支撐鏟除困難。

3.3.3 層曝光時間

層曝光時間長短影響層打印成功率，當層曝光過短時，光固化的激光作用在光敏樹脂上的時間過短，從而造成光敏樹脂固化效果下降，造成光敏樹脂“欠固化”，使光敏樹脂成型成功率下降;當層曝光的作用時間較長，導致激光能量在一定范圍內出現能量擴散現象，造成光敏樹脂的“過固化”，從而使光固化成型出現光敏樹脂粘連現象，導致成型質量變差。

3.3.4 底層數

底層是與打印平臺接觸的模型層，其數量就被稱為底層數。它影響著初層打印的成功率，當底層數過少時，在模型層曝光時，屏幕投影的光線會從投影的圖形邊緣處漏光，會把邊緣處的樹脂材料也一并固化，導致模型的底部會比正常層偏大;當底層數過多時，曝光時間作用在每層上的時間過短，平臺與底層的拉扯力過低，不足拉起打印模型。

為分析各參數對打印成功率的影響，對每組正交實驗進行10次試驗，實驗工藝參數范圍設置如表1所示，統計打印的成功率，實驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 曝光時間對打印成功率的影響

圖6 支撐密度及底層數對打印成功率的影響

4 結果分析

利用極差分析法對實驗數據進行分析如表2所示，K1為分別在底層曝光時間為65s、支撐密度為40%、層曝光時間為5s、底層數為2時的平均成功率;K2為分別在底層曝光時間75s、支撐密度45%、層曝光時間10s、底層數3時的平均成功率;K3為分別在底層曝光時間85s、支撐密度50%、層曝光時間15s、底層數4時的平均成功率;K4為分別在底層曝光時間95s、支撐密度55%、層曝光時間20s、底層數5時的平均成功率。由表2可以看出，A＞C＞D＞B，底層曝光時間的長短對模型打印成功率的影響最大，其次是層曝光時間，說明過短或過長的底層曝光時間或過短過長的層曝光時間都會影響模型的打印成功率。支撐密度以及底層數對模型的打印成功率的影響相對較小。

表2 成功率極差分析表

由表1、2得出最優化工藝參數組合為底層曝光時間85s、支撐密度40%、層曝光時間10s、底層數4。由表1可知相同的底層曝光參數下打印成功率相差較小，但打印成功率隨底層曝光時間改變明顯變化。因此底層曝光時間對打印成功率的影響程度最大。當底層曝光時間為85s時，模型基本可以打印成功，打印成功率達到80－100%。由極差分析表知底層曝光時間為85s時最優，9、10、11和12號樣品中最低的打印成功率為80%，但選擇85s底層曝光時間可降低打印周期，因此綜合確定85s是最優的水平。

表1 正交實驗設計

5 結束語

底層曝光時間對模型打印成功率有顯著影響，為主要因素，其次為層曝光時間、支撐密度及底層數。按照最優的工藝參數組合(底層曝光時間85s、層曝光時間10s、支撐密度40%、底層數4)打印模型，打印成功率得到顯著提高。

不同的光固化打印機其最佳工藝參數有不同的差異，本文得出的工藝參數組合并不適用于所有的光固化打印機。光固化打印機的使用者可參考本文探究國產光固化打印機最佳參數的方法，摸清打印機的性能，提高打印機使用體驗。