增材制造技术在3D打印应用中存在的缺陷

增材制造指通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术。根据它快速成型、任意成型的特点又称其为增材制造。增材制造技术现在被广泛应用于各种工业领域，以及医药、教育、建筑、娱乐等相关行业中。

3D打印技术只是增材制造工艺的一种。增材制造通过降低模具成本、减少材料、减少装配、减少研发周期等优势来降低企业制造成本，提高生产效益。

1、3D打印制造具备的优势

与传统的大规模生产方式相比，在经济上具有吸引力的是小批量定制产品；直接从三维模型生产意味着不再需要模具与工具，同时也没有转换成本；以数字模型的形式进行设计方便人们共享，方便组装、定制和产品的修改；该工艺的可循环性使材料得以节约使用，同时还能重复利用未在制造过程中使用的废料（如粉末、树脂），本实验室高分子激光打印机新旧粉末采用的是1∶3比例混合使用；对于复杂的结构，如蜂窝状、局部支撑类、自由形式的封闭结构和通道是可以实现的，使最终部件的孔隙率非常低；订货减少了库存风险，没有未售出的成品，同时也改善了收入流，因为货物是在生产前支付的；分销允许本地消费者/客户和生产者之间的直接交互。

2、光固化技术原理

本文通过采用3D打印技术路线中典型技术光固化成型技术（SLA）为代表来详细说明。光固化是采用特定的波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，被激光照射到的光固化材料发生聚合而固化。因此，按每层的二维图像由激光束扫描辐照后，液态的高分子材料就会被特定形状的图案凝固。完成一个层面的固化之后，成型平台在垂直方向移动一个层片的高度，待新一层液面平稳之后再固化另一个层面，这样层层叠加便最终构成一个三维实体。

UV树脂即光敏树脂，是3D打印中光固化技术所用的主要材料。其原理就是利用激光引发感光树脂的聚合，通过电脑控制光束，逐层固化，最后得到所需的立体构件。同时感光树脂需要具备低黏度、低收缩、高固化速度、对光的敏感度高、层间黏附相容性好等特点。

目前市面上的光敏树脂成本依旧较高，且机械强度、耐候性和耐热性大多低于工程塑料，在一定程度上影响了材料的应用范围[1]。很多研究主要集中在光敏树脂材料与设备原理上，如杨娜娜[2]研究了国产和进口的一些同类型树脂，其力学性能相当，不同体系的光敏树脂，其性能和断裂方式差异较大；刘海涛等[3]研究了快速原型件表面质量受到光敏树脂组分、透射深度、单层固化强度和黏度的影响；蒋三生[4]研究了光敏树脂3D打印材料中打印工艺参数对打印制品质量及力学性能的影响。然而树脂的材料特性与使用过程中可能出现的问题却很少涉及，即研发较为活跃，但能够进入商业化使用的比较有限。特别是国产光敏树脂与进口光敏树脂的材料特性存在较大差距。本文主要从以下2方面进行探讨。

3、光敏树脂的特性以及分析

本实验室采用的是先临公司iSLA-650Pro3D打印机，本设备主要采用的是SH8800光固化树脂。目前市面上主要光固化树脂参数如表1所示。

通过上述表格可以计算出不同种类树脂的固化线宽Lw和固化深度Cd，因为这2个参数直接关系到光固化后模型的表面细节、韧性、成型精度等方面。树脂固化说明如图1所示。

其计算公式分别为：

式（1）（2）中：Ec、Dp分别为树脂的临界曝光量（lx/s）和透射深度（mm），是光敏树脂的固有参数；ωo为光斑的半径，mm；P为功率，W；Vs为扫描速度，m/s。通过这2个参数可以验证一个普遍的观点：在3D打印中都希望降低固化的线宽Lw，为了满足此条件在3D打印机制造企业工程师不断地改变式中的参数，比如不断地缩小光斑的半径以降低线宽。在固化深度方面，由于光线透过复合树脂时强度逐渐减弱，故深层树脂往往聚合不完全，当通过一定深度后，单体的聚合程度极小，树脂的强度非常低，这一临界深度成为“固化深度”。所以在表1中发现市面上很多材料的固化深度几乎都是一样的。

4、模型缺陷

3D打印过程本质上来说是采用离散和叠加的思想[5]。离散过程即是将三维模型切片，将得到的层片信息进行数据处理，其中不仅包含结合3D打印机设置加工参数，也包含对切片得到的层片轮廓内部进行扫描填充即路径规划等，从而得到数据文件[6]。而叠加过程就是将打印数据文件发送到打印机，打印机接收到指令后，开始逐层累积打印，最终就可得到实体模型[7]。一般来说，三维模型成型的质量取决于所选工艺的成型精度和3D打印的工艺的选择[8]。总体上，影响快速成型精度的因素分为3类，即计算机切片处理误差、打印过程误差和后处理误差[9]。以上3种误差中，在各类3D打印工艺前处理过程中共同会存在的问题就是计算机的软件切片产生的误差，同时产生的误差机理也是相同的。在日常打印中经常会发现一个问题，即模型放入打印机软件中会产生破面。然而很多人觉得自己的模型完全看不到破面，那这又是为何呢？在建立三维模型时，由于采用的是不同的软件，不同的软件默认保存的格式不尽相同，但是最终都是需要转化为STL格式才能进行3D打印。在实际教学中发现，不同的专业使用不同的建模软件，有些软件无法转化为STL格式或者有些模型在转化后模型产生的误差较大。当保存STL文件后，设计的所有表面和曲线都会被转换成网格，网格一般由一系列的三角形组成，代表着设计原型中的精确几何含义。很多三角形的面可以表现流畅的曲线，这就需要导出高分辨率的STL文件，所以需要将STL文件保存为合适的分辨率。一般弦高要达到0.05mm以下，角度值控制在0.1°以下，控制界面如图2所示。

然而当不断地控制三角面片各项尺寸时，随之而来的就是在格式转换过程中可能有些三角面片会变得很小，以至于机器无法察觉。STL文件必须是全封闭的，正如上面所说的原因，即使设计的物体已经创建完成后，很有可能仍存在一些没有留意到的小孔。此时要导出STL文件格式时，软件则会自动报错。这些错误并非发生在浏览阶段，而是存在于该模型的对象中。目前很多切片软件会自动帮助修复STL文件错误。

综上所述，为了消除以上所涉及到的问题，需要在建立模型时仔细留意是否存在破面或结合处产生误差，同时在模型格式转换中需要注意在曲面中的弦高与角度控制值。

光固化打印技术是目前各种打印技术中，在综合模型质量、单价、效率等方面综合考虑后最适合大规模推广的。本文在综合考虑市面上多种光敏树脂后从材料本身的特性出发，选择了一种性价比较高的SH8800材料。通过这种材料打印出的模型能够满足日常教学科研的需要。同时在实际科研中通过不断尝试，找到了比较合适的弦高与角度控制参数，解决了模型转换过程可能出现的问题，进而可以极大地提高打印零部件的效率。

参考文献：

［1］梁晓静，于晓燕.3D打印用高分子材料及其复合材料的研究进展［J］.高分子通报，2018（4）：27-35.

［2］杨娜娜.SLA光固化树脂的力学行为研究［J］.橡胶技术与装备，2017，43（8）：52-54.

［3］刘海涛，黄树槐，莫健华，等.光明树脂对快速原型件表面质量的影响［J］.高分子材料科学与工程，2007，23（5）：170-173.

［4］蒋三生.基于SLA成型的光敏树脂3D打印工艺及性能［J］.工程塑料应用，2019，47（1）：76-81.

［5］贺强，程涵，杨晓强.面向3D打印的三维模型处理技术研究综述［J］.制造技术与机床，2016（6）：54-57.

［6］雷聪蕊，葛正浩，魏林林，等.3D打印模型切片及路径规划研究综述［J］.计算机工程与应用，2021，57（3）：24-32.

［7］娄平，尚雯，张帆.面向3D打印切片处理的模型快速载入方法研究［J］.武汉理工大学学报，2016，38（6）：97-101.

［8］王琛.3D打印快速成型计算机切片处理误差分析［J］.软件，2021，42（4）：87-89.

［9］瞿娟，郁舒兰.基于网络爬虫的用户评论数据分析［J］.智能计算机与应用，2020，10（10）：170-173.

作者简介：吴开明（1991—），男，江苏盐城人，硕士研究生，助理实验师，主要从事3D打印与流体机械方面的工作。