对连续光固化面成型工艺参数与成型精度的关系研究

陈伟强

1. 江西理工大学 江西 南昌 330013；2. 中国福建光电信息科学与技术创新实验室 福建 福州 350108

引言

区别于传统的SLA工艺，连续面成型过程的工艺参数优化无法直接参考SLA工艺的研究结果，需要在对连续面成型工艺过程进行具体研究后，根据分析结果具体筛选影响制件成型精度的主要因素，再通过工艺实验对参数进行优化。

1 成型精度影响因素分析

连续面成型的实际成型过程包括：①已固化树脂形成的制件随着成型平台的运动，与树脂槽底部成型区域形成空隙；②四周的树脂迅速流入，填补成型区域；③光源连续投影制件截面的特征图像，光敏树脂接收到的能量逐渐累积，新补充至成型区域的树脂发生固化。该过程在制件成型过程中不断重复，直至整个制件的成型完成。在树脂固化的同时打印台沿Z向连续运动，成型区域出现短暂的树脂缺失现象，需要四周的树脂补充。对于本文中所搭建的实验平台，由于存在液体高度差，四周的树脂会在压力差的作用下向成型区域流动。

根据之前对树脂流平过程的分析，可以发现树脂的流平速度受到流动过程中损失的压力降ΔP、待流平区域大小以及树脂本身流动特性的影响，而与树脂上下表面接触到的固体界面的粗糙度无关[1]。

因为将树脂从四周流平到中心成型位置的过程视作为管内流动过程，且为非圆管的层流流动，因此需要计算该过程的等效水力直径，有：

式中：A ─ 树脂流经的截面积/mm2；p ─ 流体接触的固体周边长度/mm；h─ 树脂流经区域厚度/mm；b─ 树脂流经区域宽度/mm。

根据管内流动公式，考虑流动过程的对称性，计算管内流动过程中的平均流动速度：

根据Beer-Lambert定理，有：

公式（5）说明随着树脂与光源间距离的不断增大，该层树脂所能接收到的能量也在逐渐减小。如图3所示，考虑树脂的填充时间，为保证最终成型件无表面缺陷，对于树脂完全填充成型区域前接收的能量以及该层移动至不再接收照射能量前的总能量需要满足以下的边界条件：

树脂在完成成型区域的填充前保持液态状态，即此时所吸收的能量小于树脂的临界曝光量，

在懋功，一些地主窖藏了不少历年积存的粮食，他们逃走时这些藏粮是无法带走的，因此各地苏维埃政府能协助红军筹集到相当数量的粮食。根据当年新桥大坝口苏维埃的成员余七爸回忆，仅大坝口这样一个小村子，筹到的粮食就在1万斤左右。① 《红军长征过懋功》，《中共阿坝州党史研究资料》第12期，1986年8月内部版，第54页。另外，红军接管了国民党在懋功的仓库存粮。当时，在县城禹王宫有一存粮仓库，名为“济仓”，存粮在20万斤左右。

在该层远离光源照射区域不再吸收能量继续固化前，该层树脂完成固化，因而有

根据分析可知，为了保证光固化连续成型的制件精度，需要严格控制成型过程中的曝光强度与打印速度。因此，本章将通过设计工艺实验，研究曝光强度、打印速度与制件成型精度间的具体关系。

2 工艺参数对连续成型制件精度的影响

根据对连续面成型过程的分析，可知在连续成型过程中，曝光强度与打印速度是主要影响制件成型精度的工艺参数，因此本节针对曝光强度与打印速度设计工艺实验，研究这两项参数对制件成型精度的影响。

2.1 打印速度对成型精度的影响

为了研究在实际的成型过程中打印速度与树脂固化厚度之间的具体关系，利用已知固化特性的树脂制作H型悬臂件。其悬臂部分能够良好反映在不受限制的情况下采用不同打印速度制件的固化厚度，可用于测试不同打印速度设置下树脂的实际固化厚度与设计厚度间的关系。

为了较为准确的分析打印速度对制件固化厚度的影响，设置5个组别的实验，各分组实验环境相同，均采用曝光强度相同、打印速度改变的实验模式。实验具体包括五组不同曝光强度（10～18mW/cm2），各组中打印速度均按照0.02mm/s的间隔从0.09mm/s增长至0.17mm/s。使用千分尺测量H制件的固化厚度，测量精度为0.001mm。将测量值根据分组排列。

根据测量结果，计算相同参数下各测试件悬臂中心位置的平均固化厚度，按照组别依次绘制打印速度-固化厚度关系图。

根据关系图观察得到制件的固化厚度随着打印速度的改变，呈现一种近似线性的关系。对不同打印速度下固化厚度与曝光强度的关系作线性拟合，可得到随着打印速度由0.09mm/s增大至0.17mm/s，曝光强度-固化厚度曲线的斜率由分别为0.0161、0.011、0.0096、0.0083、0.0092，整体呈现一种下降趋势，即随着打印速度的增大，相同曝光强度下光敏树脂固化厚度的增长率呈一个逐渐减小的趋势。

为了进一步研究成型过程中打印速度与制件固化厚度的关系，根据假设成型中单位厚度树脂所接收的能量即光敏树脂接收能量总和与打印速度成反比，则在相同的条件下，光敏树脂单位厚度所接收的能量相同。根据前期防粘控制的研究结果，测量时6组不同打印速度下H型制件悬臂中心位置处的固化厚度。

随着速度的增加，光敏树脂吸收相同曝光量后固化厚度逐渐减小，这意味着随着速度的增加，固化指定成型厚度所需的能量随之增加。因此在实际的固化过程中，需要引入与打印速度相关的比例系数Cv，用以相应增大固化时所使用光源的曝光强度，来获得与设计尺寸一致的固化厚度。

2.2 曝光强度对成型精度的影响

光固化反应中只有当光敏树脂吸收的曝光量超过临界值，即满足时才能发生固化，因此曝光强度的设置将直接影响制件的固化。

若曝光强度太低，固化所需时间长，制件固化程度低。在成型平台快速移动过程中，制件吸收到的曝光量低，导致光敏树脂未能发生固化或固化程度低，制件边缘存在大量缺陷，成型制件尺寸小于原设计尺寸，出现“分层”甚至部分边缘缺失的现象；若曝光强度过大，制件吸收曝光量增加，则会导致制件与树脂槽底部防黏膜之间的分离力骤增，导致打印失败。

根据前期大量实验，可以得出曝光强度是影响制件XY平面的精度的主要工艺参数，为了研究不同曝光强度与XY平面内成型精度的具体关系，以及成型不同截面形状时制件的精度变化，分别采用0.15mm/s、0.17mm/s以及0.19mm/s的打印速度，打印截面形状为长方体、回字形、圆柱、圆环的制件。根据前文的研究，成型过程中的曝光强度范围设置为6～18mW/cm2之间，按照打印速度进行相应调整。

为了排除实验过程中可能产生的随机误差以及测量过程中的人为误差，采用相同工艺参数制作多个制件，中空制件由于千分尺无法夹持，因此采用数显游标卡尺进行测量，精度为0.01mm。

将测得的不同截面形状的制件的具体尺寸按照打印速度的不同分为3组，绘制曝光强度-成型尺寸关系图。随着曝光强度的增加，不同截面形状的制件的尺寸都有明显增加，更接近设计尺寸，但相同的打印速度、曝光强度下，不同截面形状的制件的变化趋势之间仍存在明显差异，为了较为准确地研究不同截面形状对成型精度的影响，将计算所得的各制件的精度误差百分比按照截面形状分组，以曝光强度为自变量，绘制曝光强度-成型制件尺寸误差关系图。对于不同截面形状的制件，其固化后的尺寸误差都随着曝光强度的增大而逐渐减小，在曝光强度的设置值达到14～18mW/cm2时，各打印速度下制件的线尺寸误差均降至7%左右[2]。

根据实验结果不同截面形状制件的收缩都会随曝光强度的增大而逐渐减小，在增大曝光强度的设置值至14～18mW/cm2时，各截面形状制件的尺寸误差均降至5%上下，由此可推断在一定范围内增大曝光强度能有效降低制件固化后实际尺寸与设计尺寸之间的误差。但若继续增大曝光强度，随着曝光量的增大，制件与树脂槽底部的防黏膜之间的分离力也会急遽增大，导致打印的失败。因此对于实验中所使用的树脂材料，为了进一步减小制件在XY平面内实际成型尺寸与设计尺寸之间的误差，需要对制件在XY平面内的尺寸进行补偿。

采用优化的曝光强度与打印速度打印出的制件的Z向精度的尺寸误差已经减小至0.6%以下，可以良好匹配制件的理论分层厚度，达到较高的Z向分辨率，从而保证制件细节特征的完整。

在针对提高制件Z向精度而对曝光强度与打印速度进行优化后，根据前文对制件XY平面精度的分析，需要通过补偿以减小制件在截面内的精度误差。为了确定制件的补偿规律，使用经过优化的打印参数制作不同截面形状零件。通过测量各打印参数下制件的实际尺寸，计算制件在该参数下与理论尺寸间的误差，获取补偿制件XY平面精度的具体参数。

通过分析连续面成型过程可知，制件打印过程中，因为光源一直保持开启，光敏树脂随着平台上升由四周向成型区域补充时也一直在接收紫外光能量，因此制件截面内中心区域与四周接收的能量大小有所差异，而基于Z向精度优化的打印参数为了保证制件的实际固化厚度与理论值一致，并未将四周边缘位置的树脂固化过程考虑在内。

因此，为了补偿因为曝光量在树脂补充过程中的差异导致的制件尺寸偏小，采用较大曝光强度的打印参数组合，根据采集到的实验数据，在基于Z向精度优化的工艺参数中，选取曝光强度设置为18mW/cm2，打印速度为0.25mm/s时，对制件的XY尺寸也进行相应补偿，并根据工艺实验结果对中空制件与实体制件的截面分别采用5%与7%的误差补偿。

基于制件Z向精度，根据推导公式计算分层厚度为25.4μm时，使用打印速度为0.25mm/s，曝光强度为18mW/cm2打印制件，并按照成型工艺实验的测量结果，对该打印参数下实体制件与中空制件的XY平面精度分别进行7%与5%的尺寸补偿，经过对制件各截面的尺寸补偿，各制件最终的打印尺寸与理论尺寸间的误差均被降低至1%以下，实体制件的误差则在0.2%左右[3]。

3 结束语

综上所述，本文首先通过对成型过程的分析，列出影响制件成型精度的主要工艺参数；然后利用搭建的光固化连续面成型实验平台，通过实验研究工艺参数与制件在XY平面内及Z方向精度的关系；最终通过平衡各工艺参数对成型精度的影响，获得最优的工艺参数组合，提高制件的成型精度。