1、基于支撑强度可控的 DLP 三维打印工艺优化技术 周鑫 戴宁 李大伟 孙登广 王金强 程筱胜 南京航空航天大学机电学院航空宇航制造工程系 摘 要： 针对 DLP (Digital Light Process) 三维打印制件去除支撑后表面质量受损问题, 根据材料固化特性提出支撑强度差异可控的工艺优化方法。首先建立制件固化强度与曝光时间之间的数学模型, 通过力学实验进行拟合及参数因子修正。然后在三维打印制造过程中通过软件控制系统对零件模型和支撑模型设置不同的曝光时间, 实现强度差异可控, 从而降低支撑去除对零件表面的损伤。最后实验结果表明采用本文方法去除支撑后零件的表面质量有所提高, 且支撑去除效
2、率提高近 40%, 为提高 DLP 三维打印制件表面质量和精度提供了新的思路。关键词： DLP 三维打印; 固化强度; 表面质量; 支撑去除; 作者简介：周鑫 (1991-) , 男, 河北承德人, 硕士研究生, 研究方向:数字化设计制造;E-mail:;作者简介：戴宁 (1978-) , 男, 江苏南京人, 博士, 副教授, 研究方向:增材设计制造技术、生物医学工程, 通信作者;E-mail:dai_;作者简介：程筱胜 (1964-) , 男, 安徽黄山人, 教授, 博士生导师, 研究方向:数字化设计制造, 企业信息化。作者简介：李大伟 (1989-) , 男, 江苏盐城人, 博士研究生,
3、研究方向:数字化设计制造;作者简介：孙登广 (1991-) , 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 研究方向:数字化设计制造;作者简介：王金强 (1992-) , 男, 河南信阳人, 硕士研究生, 研究方向:数字化设计制造;收稿日期：2017-03-31基金：江苏省自然科学基金 (BK20161487) Optimization Technology of DLP 3D Printing Process Based on Controllable Strength of SupportZHOU Xin DAI Ning LI Dawei SUN Dengguang WANG Jinqiang C
4、HENG Xiaosheng College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Abstract： To reduce the damage to DLP 3D printing objects after removing support structure, the process optimization method based on controllable curing strength of support was propos
5、ed according to the photosensitive resin curing characteristics. First, the mathematic model between the curing strength and the exposure time is established and the mechanical experiment is carried out to modify the parameter factor. And then setting different exposure times on the part model and s
6、upport model through the DLP 3D printing software control system to obtain different strengths, thereby reducing the damage to the surface of the model after removing the support. Finally, the experimental results show that the surface quality of the parts is improved, and the efficiency of the supp
7、ort removal is improved by nearly 40%, which provides a new way to improve the surface quality and precision of the DLP 3D printing parts.Keyword： DLP 3D printing; curing strength; surface quality; support removal; Received： 2017-03-310 引言DLP 三维打印技术是利用数字光投影设备投射紫外光掩码对液态光敏树脂进行选择性固化的一种快速成型技术1-2。因其在固化过程
8、中一次曝光可同时固化一层, 进而提高了成型速度。随着新材料的不断出现, 光固化快速成型可以制造具有各种不同属性的零件模型, 如高弹性、高透光率、生物相容等, 在工业原型制造、航空航天、数字化医疗等领域有广泛的应用前景3-7。但是在 DLP三维打印过程中底板和支撑的去除会对零件表面质量造成损坏 (如图 1 所示) , 制约了 DLP 光固化三维打印技术的发展和应用。近年来国内外学者针对光固化三维打印技术, 为提高打印零件尺寸精度和表面质量, 在图像处理、工艺方法、材料等方面进行了大量的研究。Zhou 等8-9采用图像优化技术, 通过控制像素点的灰度值改变掩码上光照强度, 提高了制造模型的 XY
9、方向的精度和表面质量;Xu 等10采用切片图像多次曝光的方法减小了成型制件的变型程度;贾红帅11对 DLP 三维打印过程中投影图像畸变校正技术进行了研究, 针对不同的畸变来源分别对图像校正、辐照度均匀化、投影光学系统设计等方面进行了研究。Pan 等12采用了弯液面平衡法制造出具有光滑的上表面的模型, 此方法对竖直向上的曲面有较好的消除台阶效应的效果;Tumbleston 等13发明了一种连续液体界面成型的光固化制造方法, 该方法的关键是在固化的实体部分和液槽底部之间形成透氧的“死区”, 在此区域的树脂不会固化, 通过上拉已固化的实体, “死区”之间的液体会被不断补充上来。连续制造的方式不仅可以
10、提高打印速度, 而且可以消除台阶效应获得光滑的表面质量。在支撑工艺研究方面, 3D SYSTEMS14等商业公司采用 Multi Jet Printing 技术将液态光敏树脂喷射到构建平台上, 利用 UV 紫外光进行固化, 在成型过程中使用不同类型的光敏树脂材料, 一种用来生成实际的零件模型, 另一种容易去除的材料生成支撑, 通过加热融化或在溶剂中浸泡来去除支撑材料, 可获得较好的零件表面质量, 但这种技术在制造过程中要采用全支撑的方式, 需要消耗大量支撑材料, 且设备和材料都十分昂贵;洪军15等研究了光固化快速成型中零件非水平下表面的支撑设计规则, 提出了针对非水平下表面的支撑的结构形式、布
11、局及支撑间距等参数的确定方法, 此类方法能够减小支撑对零件模型的非水平下表面质量的影响;Zhang 等16等提出了一种能确定三维打印方向的感知模型, 此模型是利用大量样本数据进行机器学习, 综合考虑支撑区域、视觉特征、首选视点和光滑度四个属性, 用来避免在重要特征区域出现支撑结构, 保证在支撑去除后对模型在感官上造成最小的影响;但是目前针对DLP 光固化三维打印支撑去除问题的工艺优化研究相对较少。图 1 支撑去除后表面缺损实物图以及示意图 下载原图本文针对下沉式 DLP 三维打印制造工艺过程中, 制件模型的支撑去除后对支撑面产生破坏而引起表面缺损的问题, 通过控制软件对零件部分和支撑部分设置不
12、同的曝光时间, 即在保证支撑部分具有一定支撑强度的前提下减少曝光时间, 在仅用一种材料的条件下实现打印制件强度的差异控制。去除支撑过程中曝光时间短的支撑材料强度小, 很容易去除, 在与零件分离的部位不会使模型表面产生破损, 进而提高零件的表面质量。1 基于支撑强度可控的 DLP 三维打印工艺优化理论分析1.1 模型力学分析在下沉式 DLP 三维打印 (如图 2 所示) 过程中, 已固化模型沉浸在液态光敏树脂中, 当前层打印结束后, 托板下降一个层厚距离, 在刮板将液面刮平后投影设备曝光固化下一层。固化模型受到向上的浮力 F 浮 和向下的重力 G 以及支撑力 F 的共同作用 (如图 4 所示)
13、, 其受力平衡方程如 (1) 所示。由于固化模型的密度与液态光敏树脂的密度相差不超过 15%17, 则支撑结构所承受的力 F小于模型重量的 15%, 因此可以适当降低支撑模型的强度。图 2 下沉式 DLP 三维打印示意图 下载原图图 3 设备实物图 下载原图1.2 固化深度分析光固化工艺所使用的材料为液态的光敏树脂, 主要由聚合物、稀释剂、光引发剂以及颜料等组成。当光敏树脂受到特定波长的光线照射时, 光引发剂吸收特定频率的光能量, 产生引发固化反应的自由基或阳离子, 使单体和活性齐聚物发生交联反应而生成高分子固化物。随着光在树脂中投射的深度增加光强减弱, 其吸收光的能量遵循 Beer_Lamb
14、er 定律18:式中 I 为距离入射点为 d 处的光强, I 0为入射光强, 为摩尔吸光系数, c 为光敏树脂中引发剂的浓度。将上式中的光强用曝光量 E 代换得:式中 E 为距离入射点为 d 处的曝光量, E 0为初始曝光量。光敏树脂固化时曝光量必须大于某一特定值, 这一特定值称为临界曝光量 Ec, 不同的树脂具有不同的临界曝光量, 当树脂固化达到一定深度时, 曝光量低于临界曝光量, 树脂固化深度不再增加, 此时树脂固化厚度 dmax为:在光固化打印过程中需要保证打印层厚度 h 小于树脂在设定时间下的固化深度dmax, 这样才能使相邻两层能够粘结在一起, 否则相邻两层会因粘结不牢而产生分离。h
15、d 会导致已经固化层在下一层固化的时候产生再固化现象如图 5 所示。图 4 模型受力示意图 下载原图图 5 过固化现象示意图 下载原图1.3 建立固化强度数学模型随曝光时间的增长, 光敏树脂吸收的光能增加, 导致光引发剂的反应活性增强, 树脂的固化率提高, 交联网络更为紧密, 因此制件的强度增大, 反之亦然19。Evans20-21提出了光敏树脂材料固化后的弹性模量 Y 与曝光量 E0和曝光时间t 的关系:其中 Ymax是指树脂完全固化后的杨氏模量, E c是树脂临界曝光量, 、 是树脂的无量纲常数, 并且 与 Ec成正比。从公式中可以看到, 树脂的弹性模量不仅取决于材料本身的属性, 也受到曝
16、光强度和时间的影响。为了探究曝光时间这一参数对制件抗拉强度的影响, 本文设定打印层厚为 0.1mm, 参考方程 (5) 提出针对基于 DLP 成型工艺打印制件强度方程如下:其中 为光敏树脂最大抗拉强度, E 为投影设备光照度, t 为曝光时间, 、 是树脂的无量纲常数。2 固化强度模型标定2.1 材料标定准备本文采用的光敏树脂为 Formlab 公司的标准白色树脂, 其感光波段为 405nm。掩码投射装置采用紫外数字光投影仪, 其核心部件为 TI 公司的数字微镜装置 (Digital Micromirror Device) , 此芯片上集成了大约 100 万个可单独控制翻转的微镜, 翻转频率能
17、够达到 2880HZ, 相邻像素间距约为 7.6um, 因此可以提供快速、精细的掩码图像。投影设备采用 405nm 波长的 LED 紫光灯作为光源, 额定功率为 600mw, 整体 DLP 三维打印设备实物如图 3 所示。2.2 拉伸试件设计拉伸实验采用上海皆准仪器设备有限公司万能力学试验机 (如图 6 所示) 。光敏树脂制件属于脆性材料, 在进行拉伸实验时对应力集中非常敏感。国家及ISO 等标准规定, 制件在进行拉伸实验时断裂位置在标距外的实验结果无效, 标距是指在拉伸试件中间部分标定的两条平行线之间的距离。为了提高实验的成功率与准确度, 并考虑到现有打印设备所能制造的制件尺寸, 设计拉伸试
18、件如图 7 所示, 并且试件拉伸实验结果表明试件设计合理可靠。图 6 拉伸实验图 下载原图图 7 拉伸试件尺寸及断裂结果 下载原图2.3 固化强度方程标定本实验探究打印层厚为 0.1mm、环境温度 15、试件姿态为竖直高度最大方向摆放的条件下, 不同曝光时间 t 对固化试件的抗拉强度及弹性模量的影响。图8 是制件抗拉强度和弹性模量随曝光时间的变化折线图。通过实验结果分析可知, 随着曝光时间的增加, 试件抗拉强度和弹性模量也逐渐增强且增强趋势变缓。图 8 曝光时间 t 与抗拉强度 、弹性模量 Y 的关系图 下载原图将实验结果与式 (6) 进行拟合, 在平均方差为 0.398 的情况下, 得到抗拉
19、强度与时间的关系式如下:图 9 为拟合方程曲线与实验数据结果对比图。从图中曲线趋势可知, 树脂抗拉强度 max约为 42.72MPa, 并且曝光时间 t 需大于某值才能保证树脂开始固化, 这种现象与树脂材料参数、临界曝光量理论相吻合, 说明拟合结果与实际情况相符。图 9 曝光时间与抗拉强度关系拟合结果 下载原图3 支撑强度可控的 DLP 三维打印工艺优化首先确定零件部分和支撑部分的曝光时间。根据材料的固化后强度与曝光时间的关系曲线可以观察到, 材料固化强度随曝光时间延长而增强, 但增加的趋势变缓, 最终强度趋近于材料的最大强度 max。光固化打印零件的零件模型可以在制作完成后进行二次曝光强化,
20、 因此在三维打印过程中不必一次性固化到材料最大强度 (这样做会极大地延长三维打印的时间且对材料的光污染也会增加) 。零件部分的初次固化强度保证在材料最大强度的 80%以上, 支撑强度是零件体强度的 60%-80%之间, 保证支撑能力并且与零件强度有明显的差异。再根据抗拉强度方程 (7) 分别计算不同部分的曝光时间, 设定支撑部分曝光时间为 t1, 零件模型曝光时间为 t2。综合考虑制造效率和实际情况, 本文中零件部分曝光时间 t2 为 6 秒, 支撑部分曝光时间 t1 为 3.5 秒, 最终两者强度差为12.5MPa。然后输入零件模型、支撑模型的三维离散数据 (如 STL 文件) , 以绝对坐
21、标Z=0 为底, 将零件模型按照层厚为 h 进行切片处理生成图片序列 M=M0, M1, M2, , 支撑模型部分切片生成图片序列 S=S0, S1, S2, , 零件和支撑模型切片结果示意图如图 10 所示:图 1 0 零件和支撑模型切片结果示意图 下载原图再将切片数据、曝光时间以及层厚等参数输入给打印控制软件, 通过软件控制曝光掩码序列并向下位机发送控制指令。在第 n 层曝光之前对模型切片 Mn进行判断, 如果判断结果为 0, 说明第 n 层切片中模型切片图像为空, 否则说明第n 层切片中包含模型切片图像;采用同样的判断方式对第 n 层支撑切片 Sn进行判断。由于每层曝光画面至少包含零件模
22、型切片和支撑模型切片中的一种, 所以根据 Mn、S n的判断结果会有三种情况:1) 当前切片中只包含支撑切片, 则只曝光 Sn图像, 曝光时间为 t1;2) 当前切片中只包含零件模型切片图像, 则只曝光Mn图像, 曝光时间为 t2;3) 切片中既包括 Mn又包括 Sn, 为节省制造时间, 先将Mn+Sn图像曝光 t1, 然后再将 Mn图像曝光 t2-t1。当前层曝光结束后, 平台下移一个层厚距离, 刮板将树脂液面刮平, 继续曝光下一层, 直到打印制造出完整模型。光固化三维打印控制流程如图 11 所示。最后将打印完成的支撑强度与零件强度不同的模型从打印平台上取出, 去除支撑后进行二次曝光强化,
23、根据零件表面质量要求进行打磨、上色等处理操作。图 1 1 DLP 三维打印控制流程图 下载原图4 实验结果将对模型和支撑部分采用不同的曝光时间, 控制支撑与零件强度差异, 进而提高零件支撑面表面的质量。表 1 为采用本文所提的优化工艺和未采用工艺优化的制造参数及去除支撑时间对比, 图 12 为零件模型去除支撑后表面质量的对比结果。未采用工艺优化的制件在去除支撑过程中, 由于支撑强度和零件强度相同, 很容易造成凹陷或者初步去除支撑后残余支撑较多, 并且去除大面积支撑时费时费力。采用强度差异控制的工艺优化方法进行三维打印的零件, 支撑容易被去除, 并且对零件模型表面损伤更小, 去除支撑所用时间更短
24、。表 1 不同零件打印参数和去支撑所用时间 下载原表 图 1 2 打印制件去除支撑后对表面质量对比 (A 为对照组 B 为采用本文工艺优化方法结果) 下载原图5 结束语针对下沉式 DLP 三维打印工艺, 建立了固化强度模型, 并将力学实验测试结果与固化强度方程进行拟合得到了较为精准的固化强度的数学模型, 为制件强度差异控制提供了理论依据;基于制件固化强度理论模型, 提出了软件控制掩码序列曝光时间的方法, 实现了打印制件的零件部分与支撑部分强度差异控制, 并进行了去除支撑对比实验, 实验结果验证了该方法在优化零件去除支撑后表面质量的可行性。本文工艺优化方法仍有不足之处, 例如并未对其他光敏材料数
25、据进行测试和探究曝光强度差异对材料成形强度影响的材料学机理, 今后将结合材料、支撑结构与制造工艺等方面进行优化, 进一步提高 DLP 三维打印制件的尺寸精度和表面质量。参考文献1ZHOUC, CHEN Y.Additive manufacturing based on optimized mask video projection for improved accuracy and resolutionJ.Journal of Manufacturing Processes, 2012, 14 (2) :107-118 2GARDAN J.Additive manufacturing tech
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