成型精度誤差控制
立體光固化技術是精度最高的3D 打印技術之一, 因此提高立體光固化技術精度引起了3D打印技術行業的高度關注, 從業人員期待在立體光固化精度誤差控制上產生重大突破. 立體光固化技術成型過程包括: 前期數據準備、成型加工和后處理過程, 如圖10所示.
成型精度誤差主要有表面精度誤差、形狀精度誤差以及尺寸精度誤差. 表面精度誤差主要在前期數據準備時, 對實物的三維CAD模型進行STL格式化和分層切片逼近導致, 也被稱為臺階效應. 臺階效應無法被消除, 只能盡量減小層厚使誤差變小, 然而這會相應增加數據處理時間. 文獻提出了一種基于產品模型數據交互標準(Standard for the exchange of product model data, STEP) 的在CAD系統外直接對CAD 模型進行非均勻自適應分層的方法. 根據模型的表面形狀, 當模型表面傾斜大時, 選擇0.1mm的層厚; 反之, 選擇0.2mm以上的層厚. 這樣自動改變層厚提高成型精度. 形狀精度誤差的產生主要由翹曲形變[78] 及局部缺陷帶來. 翹曲形變的發生在成型過程中, 液態光敏樹脂在激光束照射下發生光交聯反應, 導致固化聚合過程中體積收縮, 產生內應力導致模型產生形變(指當外部荷載去掉以后, 仍殘存在物體內部的應力. 它是由于材料內部宏觀或微觀的組織發生了不均勻的體積變化而產生的). 目前主要有兩種方法可以控制翹曲形變: 1) 改進材料配方的方法, 來控制光固化過程中產生的體積收縮, 從而提高成型精度; 2)Jacobs提出的“二次曝光法”原理, 具體操作是: 首先,以臨界掃描速度Vc 對固化層進行第一次掃描, 首次掃描完成后會在液面上形成一個厚度略小于分層厚度的固化的薄層, 這個薄層并不與下面已固化的模型粘接. 這樣, 經過第一次掃描形成的薄層將會自由收縮, 而不會與已固化的實體相互干擾,也就不會產生層間應力; 然后, 以透射速度Vp 對固化層進行第二次掃描,用來將薄層與下面已固化的模型部分粘接起來. 因為第二次固化的液態光敏樹脂厚度很薄,所以其固化時產生的層間應力小, 因而比起傳統固化方法可以有效地降低翹曲形變的發生. 二次曝光法主要是要確定臨界掃描速度Vc 和透射速度Vp, 這也是該方法的難點. 由于第一次曝光時薄層未能與已固化模型粘接起來, 所以層與層之間存在漂移錯位, 使得模型側壁變得凹凸不平, 嚴重影響了成型表面精度. 西安交通大學提出“改進型二次曝光法”，該方法在原有二次曝光法的基礎上, 先確定掃描區域內的連通域個數; 再在每個連通域以透射掃描速度Vp 掃描出初始的5 條線, 用來把薄層和已固化模型粘接起來; 隨后的過程與二次曝光法相同. 該方法保留了傳統二次曝光法翹曲變形小的優點, 同時也能彌補層間漂移等缺點. 文獻利用了Tem01光強分布, 并用高斯函數來描述Tem01 光束的光斑半徑和能量分布函數I:
式中, r是徑向變量,ωOS表示截面的基模光斑半徑，PL為激光功率。固化深度公式Cd:
式中, Eo為入射能量密度; Ec為臨界曝光密度; Dp為透射深度. 當衰減為入射能量密度的時的固化深度:
式中, Vs 為光斑掃描速度. 模型成型后還有一個后處理過程, 特別是去除支撐結構以及提高表面光潔度的處理措施, 需要嚴格執行相應操作流程, 否則會造成形狀和尺寸精度的誤差。
全文完結；
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