填充角度对3D打印原型件侧表面质量的影响

康小青　段玉岗

摘 要：对光敏树脂3D打印填充角度开展了工艺研究，并进行了光镜和表面粗糙度试验，获得了填充角度对侧表面质量的影响规律。实验结果表明：单轮廓填充角度对侧表面质量影响表现为随着填充角度的增大，表面粗糙度值越小，侧表面质量越好；三轮廓填充角度对侧表面质量影响很小，表面粗糙度值相差很小。

关键词：3D打印；填充角度；侧表面质量

中图分类号：U463.46 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0028-03

1 引言

3D打印技术又称增材制造技术[1-3]，它实际上是快速成型领域里面的一种新兴技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[4]。就其打印设备来说分成熔融沉积式（FDM）、分层实体制造（LOM）、立体光固化成型法（SLA）、电子束自由成形制造（EBF）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化成型（EBM）、选择性激光熔化成型（SLM）、选择性热烧结（SHS）和选择性激光烧结（SLS）等[5]。立体光固化成型是最早、最广泛用于工业上的3D打印技术，其具有成型速度快、精度高等优点。目前，立体光固化成型主要集中在扫描速度、激光功率、扫描间距，分层厚度等工艺研究，而填充角度对样件侧表面质量的影响的工艺研究较少。因此，本文着重研究了填充角度对成型件侧表面质量的影响，为进一步制作好的成型件提供了工艺参考。

2 实验部分

2.1 实验原料

光敏树脂，陕西恒通智能机器有限公司自制。

2.2 主要设备及仪器

激光快速成型设备，SPS600陕西恒通智能机器有限公司；光学显微镜，上海万衡精密光学仪器厂；北京凯达科仪科技有限公司NDT150便携式表面粗糙度仪。

2.3 样品制备

用激光快速成型机将光敏树脂制成长×宽×高×厚为50mm×50mm×300mm×1mm中空的长条体，此样品作为光镜和表面粗糙度测试件。其中，工艺参数为：激光功率350mw，扫描速度7500mm/s，分层厚度为0.1mm。

2.4 快速原型件侧表面质量测试

使用光镜对制件侧表面质量进行测试，并使用表面粗糙度仪对制件表面的粗糙度进行测量。

3 结果与讨论

3.1 光敏树脂性能测试

利用已经过设备标定和光斑标定后的SPS600设备，激光功率为400mw，扫描间距0.1mm，树脂工作温度32℃，扫描间距从1000～5000mm/s，平面扫描制作一层厚的20mm×20mm的正方形薄片，酒精清洗后，用游标卡尺测量薄片厚度。所测得的数据见表1所示，光敏树脂曝光能量自然对数与固化深度的关系曲线图1所示。

根据最小二乘法拟合求出所用光敏树脂的特性参数[6-7]，临界曝光量和透射深度分别为Ec=16.1mJ·cm-2，Dp=0.116mm。了解树脂的特性后，可以得到此光敏树脂最佳的扫描速度、扫描间距以及激光功率等工艺匹配，从而获得好的侧表面质量制件。

3.2 单重轮廓填充角度对侧表面质量的影响

由于样件制作时分层厚度为0.1mm，根据3D打印原理，都存在台阶效应，侧表面应是以0.1mm为单元的层层累加，肉眼看到的纹路也应该是比较均匀的0.1mm分层[8]。当改变填充角度从图2-6所示可以看出，填充角度对侧面的质量影响表现为以180°为一个周期产生明显条纹间距，如90°、60°、45°、30°、15°分别为约0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm、1.2mm。图7所示填充角度为15°时的断面图，可以看出肉眼看到的纹路大概为1.2mm，即证明了上述填充角度对侧面纹路影响的规律。

3.3 三重轮廓填充角度对侧表面质量的影响

由图8-12所示可以看出，当轮廓增加到三条时，填充角度对侧面条纹不再产生影响，具有很明显的0.1mm分层，并且侧表面质量很好。这是由于当轮廓数增加到三条时，轮廓固化区域已经将填充固化区域超出部分全部覆盖，填充固化区域对侧表面产生不了影响，表现为侧表面质量变好。

3.4 表面粗糙度表征侧表面质量

由表2可以看出当填充角度越小时，表面粗糙度越大，侧表面质量越差，这是由于当角度越小时，填充固化范围超出轮廓固化范围越多，对侧表面质量影响越大。

由表3可以看出，当轮廓为三条时，填充角度对表面粗糙度的影响很小。这是因为轮廓增多后，填充固化区域已全部被轮廓固化区域包围，提高了侧表面质量。

3.5 制作零件

在SPS600激光快速成型机上按照激光功率350mw，扫描速度7500mm/s，分层厚度为0.1mm，填充角度为90°打印三阳开泰模型，见图13所示。

图13所示的制件，侧表面比较光滑，并且曲面部分台阶效应也不明显，说明目前所用的工艺参数，尤其是填充角度90°验证了侧表面良好的质量。

4 结语

（1）单轮廓填充角度对侧表面质量影响表现为，以180°为一个周期产生明显条纹间距，如90°、60°、45°、30°、15°分別为约0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm、1.2mm，随着角度的增大，侧面表面粗糙度值越小，侧表面质量越好。（2）三轮廓填充角度对侧表面质量影响很小，表面粗糙度值相差也很小。考虑到实际制件中三轮廓会影响效率，因此如果只要精度不要效率可以用三轮廓，任意的填充角度，但是如果追求高效应选取单轮廓90°的填充角度。

参考文献

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