LCD型3D打印機中光固化成型參數(shù)優(yōu)選

朱炯光，李華雄，張 煒

（佛山職業(yè)技術學院 智能制造學院，廣東 佛山 528137）

3D打印技術起源于美國，自20世紀80年代首次應用以來[1]，在全球范圍內(nèi)掀起了一場關于3D打印的熱潮，被英國雜志《經(jīng)濟學人》喻為第三次工業(yè)革命的重要標志之一。其中光固化3D打印技術是“增材制造”領域研究最早，也較為成熟的打印技術之一，兼具3D打印成型的精密、快速、可控、安全等技術優(yōu)勢以及光固化的固化速度快、穩(wěn)定性高、表面粗糙度低、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，受到了世界各國科學家們的重點關注，現(xiàn)已發(fā)展成為應用最為廣泛的3D打印技術[2-6]。

3D打印技術分類很多[7]，根據(jù)打印方式不同分為SLA技術（立體光刻技術）、DLP技術（數(shù)字成像技術）、LCD技術（液晶成像技術）、CLIP技術（連續(xù)液面制造技術）、CAL技術（計算軸向光刻技術）。SLA技術是通過紫外光由點到線、由線到面進行掃描固化，打印速度較慢；DLP技術是將模型的截面圖形投射到光敏樹脂表面上，逐層的開展光固化，以面面疊加的方式成型，打印速度較SLA技術大幅增加[8]。LCD打印技術誕生于DLP技術的基礎上，兩者核心技術的主要差別是LCD技術的每層圖像由液晶成像控制，取代了DLP技術昂貴的光機系統(tǒng)[9]，LCD技術可利用400 mm～600 mm的可見光，可用普通的LCD顯示面板，不加任何改裝或改背光，直接作為光源（相當于光源升級）。CLIP技術和CAL技術是近五六年來發(fā)展的新技術，分別利用氧阻聚效應和累積光照的方式使打印速度比DLP技術更快。綜合比較打印質(zhì)量和速度，現(xiàn)階段LCD技術普及率較高。

光固化成型的優(yōu)點為材料利用率高，材料浪費少；缺點為材料成本高昂，普及度較低[10]。潘金龍等人從打印設備參數(shù)設置、零件加工擺放及支撐設計兩個方面，基于理論及實踐經(jīng)驗分析了光固化快速成型技術中影響成型件質(zhì)量的主要因素，提出了激光功率、打印層厚、刮刀運動速度等設備參數(shù)的建議取值范圍，從而對成型質(zhì)量進行控制[11]。朱岳論述了組成光敏樹脂的預聚物、稀釋劑、光引發(fā)劑和阻聚劑等其他助劑的作用，選擇黏度、收縮率、反應速度等合適的各組分制備出符合3D打印要求的光敏樹脂。王琛研究光固化成型的工作原理和工藝流程，通過Projet-5000切片軟件探索光固化成型的模型布置規(guī)則，從而對節(jié)省打印材料、提高打印效率。

本研究采用正交試驗設計針對LCD型打印設備的參數(shù)進行篩選和優(yōu)化設計，提高打印效率和質(zhì)量，進而達到節(jié)約成本的目的。

1 方法

1.1 設備和打印材料選擇

本方法使用的打印設備為GMI光固化3D打印機，采用面曝光成型制作單元技術，功率100 W，屏幕8.9英寸，打印尺寸192120270 mm。使用的打印材料為壁掛式吹風機的集風嘴，如圖1（a）所示。集風嘴對表面光滑要求高，其凸環(huán)部分橫截直徑較小且對打印參數(shù)敏感，如圖1（b）所示。

圖1 掛壁式吹風機及集風嘴

1.2 方案設計

LCD型光固化打印過程可調(diào)整的參數(shù)過多，導致設計全面實驗法工作量過大，而且有些數(shù)據(jù)不易統(tǒng)計，故采用正交試驗法。考慮打印成型質(zhì)量和速度的因素，選擇層高、曝光時間、抬升速度、抬升距離這4個打印參數(shù)。層高L（材料模型的切片厚度）決定了打印質(zhì)量和打印時間，一般在0.025～0.2 mm之間；曝光時間t（每一層被紫外線照射固化的時間）影響打印質(zhì)量和時間，過短不能成型，過長模型會膨脹；抬升速度V（打下一層平臺移動速度），過快會拉斷模型；抬升距離D主要用來脫離離型膜，過小離型膜不易和模型脫落導致打印失敗。

本次試驗采用四因素四水平的正交試驗設計，根據(jù)一般情況確定各因素的水平，如表1所示。選取L16（44）正交表，因素水平按表2進行組合。

表1 四因素四水平表

表2 L16（44）正交表

打印質(zhì)量和打印時間，分別用光滑度和耗時兩個指標去衡量。為了量化評價，采用綜合評價法，將光滑度和耗時分為4個評價等級（表3），基于1∶1的權重進行求和即可得到每組試驗的綜合評價。

表3 指標評價標準

2 試驗

2.1 進行正交試驗

根據(jù)L16（44）正交表，將16組參數(shù)做好切片模型導入GMI光固化3D打印機（圖2a），得到16組試驗結果（圖2b）依照表3評價后填入綜合評價表4。打印過程中，第13組無法成型，故在圖2b中用框表示缺失。

表4 評價指標輸出結果

圖2 按正交表的打印過程

2.2 極差分析

表4得到了16組試驗結果的綜合評價。為了得到各因素對試驗結果的影響程度以及因子的重要程度，利用極差分析法對綜合評價進行判斷。

計算公式為：

式中：j為水平序號，其值為1～4；i為因素序號，其值為1～4；n為每個因素下的水平總數(shù)，其值為4；xij為第i個因素下第j個水平的輸出結果。結合公式（1）～（3）及表2和表4的內(nèi)容，可得表5。

表5 極差分析表

Ri的值的大小代表著因素對綜合評價的影響程度，由表5可知，層高L＞抬升距離D＞抬升速度V＞曝光時間t，并作出各因素水平（水平按從低到高分為4個等級）對其綜合評價的影響程度的折線圖，如圖3所示。

圖3 各因素水平的綜合評價影響程度

從圖3知，隨著因素L、t、V、D水平等級的增大；L的綜合評價趨勢逐步增大，在第3水平達到峰值后再減小；t的綜合評價趨勢總體較平穩(wěn)，在第3水平達到峰值；V的綜合評價趨勢在第1水平達到峰值，隨后下降趨于平穩(wěn)；D的綜合評價趨勢逐步增大，在第3水平達到峰值再減小。由表5和圖3可得在綜合評價指標下理論較優(yōu)組合為L3T3V1D3。

由雖然極差分析可以得到各因素的重要程度，但不能定量的對影響程度的重要性（是否顯著）進行區(qū)分。更精確的分析可以將不重要的因素去除，從而提高試驗效率。

2.3 方差分析

作為極差分析的補充，為得到更精確的顯著程度，通過L、t、V和D這4個因素對這3個指標（綜合評價、光滑度、耗時）進行方差分析，分別得到表6所示結果。

表6反映了各因素對綜合評價（反映質(zhì)量和效率的指標）、光滑度、耗時的影響，就綜合評價而言，層高L對其影響顯著較高，抬升速度V、抬升距離D對其影響低顯著，曝光時間t對其影響不顯著，故在極差分析中將t剔除，最終調(diào)整為L3D3V1；僅考慮光滑度，L、D對其影響低顯著，t、V對其影響不顯著，故將極差分析中的t、V剔除，最終調(diào)整為L3D3；僅考耗時，L對其影響中度顯著，V、t對其影響低顯著，D對其影響不顯著，故將極差分析中的D剔除，最終調(diào)整為L3T3V1。

表6 綜合評價、光滑度、耗時的方差分析

3 驗證

為了證明通過極差分析所得綜合評價指標下的組合有效，按照L3D3V1的因素組合（層高L取0.1 mm、抬升距離D取5 mm、抬升速度V取40 mm/min）進行3次重復試驗，并根據(jù)表2進行打分。試驗結果的綜合評價、光滑度以及耗時的平均值分別為17、9和8。從表7中可看出其綜合評價分值高于表4中的綜合評價分值，證明L3D3V1這組參數(shù)組合在綜合評價指標下是有效的。

表7 驗證結果

4 結論

針對LCD型光固化打印的質(zhì)量和效率進行了四因素四水平的正交試驗，然后對試驗結果進行了極差分析、方差分析，最后對優(yōu)選的參數(shù)進行實驗驗證。跟以往同類論文相比，本研究不僅探討了四因素下打印參數(shù)的優(yōu)選，更進一步地探討四因素在指標中的重要度，找到顯著性參數(shù)并刪減不顯著參數(shù)，以便在不同情形下能高效地完成作業(yè)并減少使用樹脂的成本。

理論上，若只針對光滑度指標優(yōu)化，應選擇層高L、抬升距離D兩組參數(shù)，在本試驗范圍內(nèi)理論較優(yōu)組合為L3D3；對于耗時指標，應選擇層高L、曝光時間t、抬升速度V三組參數(shù)，在試驗范圍內(nèi)理論較優(yōu)組合為L3T3V1；以上優(yōu)化對單一指標具有指導意義。但在實際使用時，往往考慮綜合性指標（同時具備較好表面質(zhì)量和效率），也就是根據(jù)綜合評價指標優(yōu)化，選擇L3D3V1組合（層高L取0.1 mm、抬升距離D取5 mm、抬升速度V取40 mm/min）。研究結論可為后續(xù)LCD型光固化打印參數(shù)優(yōu)化提供參考。