3D打印技术在图学模型中的应用研究

冯志徽，黄伟莉

（东华理工大学机械与电子工程学院，南昌 330000）

0 引言

目前市场常用的组合模型一直以来是木制和塑料制品，采用切削加工和注塑成型方法制作，模型形体呈整体式结构或对分剖切式结构，功能单一，无法进行形体变换，且笨重不便携带。其中几何体常见的连接组合方式有螺纹连接、键连接、销连接或是胶水黏合等，无法拆分。而采用3D打印技术制作组合模型，各种基本单元体采用薄壁中空结构，可实现轻量化要求。

光固化3D打印，又称立体光刻（SLA），是最早发展的商用3D技术[1－2]，也是目前非金属类的物件快速制造广泛使用的主流技术[3]。根据铸造、打磨、抛光等工艺的实际需求，设计出可用于组合的3D模型，通过光固化3D打印机打印出可组合树脂模型，代替传统工艺。

在光固化3D打印技术制作组合模型的过程中，3D建模和可铸造树脂3D打印是两个最为重要的环节，本文就这两个环节在制作组合模型中遇到的问题进行探究，优化模型的设计和打印的流程，以达到最好的倒模效果，供模型之间能随意组合。

1 光固化3D打印技术的工作过程

光固化3D打印技术的打印机基本构成和打印原理如图1所示。光固化快速成型系统由5个部分组成，分别为液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统和计算机控制系统[4]。工作时，在液槽中盛满液态光固化聚合物，带有很多小孔洞的可升降工作台在步进电机的驱动下，沿着Z轴方向做往复运动[5]。扫描系统由一组定位镜组成，它能依据计算机控制系统发出的指令，按照每一层的截面的轮廓信息做高速往复摆动，使得激光器发出的激光束反射后聚集在液槽里的液态聚合物表面上，同时沿此面做X－Y平面的扫描运动。当一层液态光固化聚合物受到紫外激光束照射时，其就会快速固化且形成相应的一层固态截面轮廓[6]。

图1 光固化3D打印技术的工艺过程Fig.1 Process of stereolithogra⁃phy 3D printing technology

光固化3D打印技术的工作原理是首先使用软件对数字模型沿Z轴进行切片处理，根据所需要的精度（即每层切片的厚度）确定切片的层数。精度越高，每层切片厚度就越小，则层数就越多，打印所需时间就越长。紫外激光器根据切片的形状，发出相应的紫外光线，该层树脂则会固化，就产生了所需的3D形状。固化的树脂逐层叠加，最终形成完整的3D模型。逐层叠加的过程中，每层之间的形状差异就是层纹。层纹有特定的方向、结构和厚度，会影响模型细节。切片精度取决于光固化打印机的Z轴丝杠的机械精度，精度越低层纹越明显[7]。

2 光固化3D打印技术制作图学模型流程

使用光固化3D打印技术制作图学模型的流程与传统模式（切削加工和注塑成型）相比，主要区别于3D建模和可铸造树脂3D打印这两个步骤。具体制作图学模型流程如图2所示。

图2 光固化3D打印技术制作图学模型流程Fig.2 Flow chart of stereolithography 3D printing technology

在图学模型的制作中，首先要对图学模型进行设计，使集合体既能灵活组合，又可以全面形象的展现出集合体内部结构。接着在电脑上进行3D建模，将建模完成的模型保存为STL文件并在切片软件上进行切片，然后导入3D打印机中。由于刚打印出的模型表面留有液态树脂以及模型的硬度欠缺，需在酒精或专用清洗液中清洗并且在紫外固化箱内固化。将固化后的模型镶嵌磁铁，观察模型是否能够符合要求自由组合，符合要求则进行打磨、抛光。如果不符合要求，设计了工艺对模型用液态树脂进行修补并且再次固化，进行打磨、抛光。

3 光固化3D打印技术在制作图学模型中遇到的问题探究

在使用光固化3D打印技术制作图学模型的过程中，发现了在制作模型的工艺上存在一些缺陷，并开始寻求怎样解决这些缺陷。以此图学模型为例，其组合拆分如图3所示。

图3 模型磁化成型组合拆分Fig.3 Model magnetization molding combination split diagram

3.1 打印出的模型有残缺以及变形明显

光固化3D打印工艺与其他3D打印工艺相比，其在打印精度方面有着较为明显的优势。这就对切片软件以及使用其熟练度要求较高，以图3组合模型中编号①的模型为例展开研究。

在CHITUBOX软件上给模型添加支撑和底座，如图4所示，把模型文件保存为STL格式，登录Nanodlp页面，上传需要打印的STL文件，对文件进行切片设置。最后提交打印机进行打印。

图4 模型添加支撑与底座Fig.4 Model adding support and base

打印出的模型如图5所示。

图5 打印出的模型Fig.5 Printed model

由图5可知，打印出的模型表面出现凹陷（A），侧面（B、D）和棱角处（C）出现缺陷以及层纹很明显。对此分析棱角处（C）的缺陷可能与支撑有关，因为在对模型进行加支撑的时候，棱角出的支撑稀少，并且棱角处是打印的着力点，所承受的力较大，棱角处很难固化，导致了缺陷的出现。模型表面（A、D）属于同一种问题，可能是打印的时候离型问题，由于离型膜属于耗材，在使用几个月后，存在离型力下降的可能，其次，如果离型膜上有突起，也会使平台和离型膜的间距过大，Z轴上的打印平台每次抬升的时候有一部分树脂在离型膜上面没有完全离型，树脂越积越多堆在一起，固化后模型出现层纹明显和表面不平整。模型B处的洞可能跟排气孔有关，打印的模型在CHITUBOX软件上进行了抽壳，里面处于真空状态，在模型底部打了通气孔，当把模型取出时发现排气孔已经堵塞，可能使得打印时里面空气出不来，模型在横截面最大处很难被拉起来，导致模型出现像B处那样的孔洞。

基于以上假设，本文进行了一一探究：（1）在CHI⁃TUBOX软件上把模型棱角处增添更多支撑，通气孔由原来的2 mm增加到3 mm，如图6所示；（2）更换打印机离型膜，把树脂槽从打印机中取出，槽中树脂导入瓶中，更换槽底部的离型膜。

图6 模型支撑和底座设置Fig.6 Model support and base setting

将模型文件导入Nanodlp切片软件中，其切片设置保持不变，最后提交到打印机中进行打印。打印出的模型如图7所示。

图7 打印的模型的左右视图及俯视图Fig.7 Left and right and top view of the printed model

由左右视图可知，模型表面凹凸不平消失，棱角轮廓线无缺陷，说明之前的假设是成立的。但是由俯视图可以清晰地观察到模型表面有层纹和裂开的缺陷，推测出现这种问题可能与料槽中树脂回流填充有关，打印此模型是在夜晚，温度降低，流动性差，没有足够的时间回流，可能导致模型表面出现层纹和裂开的缺陷。

在保持其他条件不变的情况下，选择白天打印，温度适中，变化幅度小，打印出的模型如图8所示。由图可知，模型表面层纹和裂开缺陷基本不存在，仅在侧面有裂痕。分析出现这种缺陷主要与温度有关，虽然选择在白天打印，但是这个模型横截面积大，打印需要6 h，无法保证打印时一直在恒温，而且还受其他因素的影响，例如树脂材料、树脂散热等。

图8 白天打印出的模型Fig.8 Printed model in the daytime

3.2 消除去支撑后模型表面留下的印记的方法

光固化3D打印机在打印模型时，需要在模型上添加支撑，会使用同种打印材料作为支撑，用软件在3D模型上添加许多支撑，支撑为圆柱状，底部较粗，头部逐渐变细，打印完成后需要小心地剪除支撑，去除支撑后，原支撑接触模型的位置会在模型上留下小凹点或小凸点，小凸点可以用砂纸打磨平整，而小凹点无法打磨，会使得模型表面看起来不平整。

无法保证全部影响因素在可控的情况下，出现如图8这种少量缺陷和去支撑留下的印记，重新打印则浪费材料和大量时间。针对以上两种情况，设计了以下工艺可以对模型进行修复。

（1）把模型取出后清洗、固化，然后用尖嘴钳小心地去除支撑。

（2）用胶头滴管吸取少量树脂溶液滴在模型表面缺陷处和支撑凹陷处，迅速放入紫外固化箱内，固化时间需要6~9 min，胶头滴管使用后要用酒精清洗。

（3）从固化箱取出模型，观察模型表面补缺处树脂固化程度，如果没有完全固化，继续放入固化箱内，待完全固化后取出。

图9 模型修复Fig.9 Model repair

（4）将完全固化模型补缺处在砂纸上打磨抛光，使其与周围表面融为一体。

将图8打印出的模型经过以上工艺进行修复，修复后如图9所示，由图可以观察出此前的缺陷消失，并且修复后变得很光滑，与周围表面融为一体。

3.3 存在的其他问题

（1）组装图学模型尺寸公差。打印出的模型要进行组装，而光固化3D打印机受限于目前现有光固化树脂的本身性能（热固性）以及打印机对材料粘度的要求（低粘度意味着的相对高收缩），使得打印出的模型会出现尺寸收缩，这就要求建模时注意工艺匹配问题。

（2）打印速度。打印过程中的快速提拉吸附力，树脂回流填充，树脂散热等工艺问题也是制约进一步提高打印速度的重要因素。随着3D打印技术普及，对可铸造树脂材料深入研究，树脂性能不断提高，打印速度也会随之增加，打印模型的时间会大大缩短，温度会容易控制，打印出模型的缺陷也会减少。

4 结束语

（1）基于磁学原理的网格组合式图学模型，模块化设计特点，利用磁学原理可实现灵活拆装，自由组合，携带方便；由于具有可拆分特点，因此，内外结构全方位可观察，立体表面的截交线、相贯线的形成过程也可通过模型组合进行观察解析；各种基本单元体采用薄壁中空结构，采用3D打印技术制作，实现轻量化要求。

（2）对于光固化3D打印技术在制作图学模型中遇到的问题，通过工艺试验不断探究解决办法，如对缺陷少的模型和模型表面支撑留下凹凸点问题进行修复，提出了自己的方法，有效地解决了打印出模型的利用率，节约了材料，改善了3D打印技术在制作图学模型中存在的问题。