基于sla快速成型构件的力学性能调控的制造方法
阅读说明：本技术 基于sla快速成型构件的力学性能调控的制造方法 (Manufacturing method for regulating and controlling mechanical property of rapid forming component based on SLA ) 是由 刘浩锐 杨娜娜 赵磊 杨来东 贺立群 刘馨 于 2021-01-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种于SLA快速成型构件的力学性能调控的制造方法,采用快速成型打印系统进行制造,所述快速成型打印系统包括3D打印设备、激光扫描系统、刮平装置、方位比较系统、基板驱动系统、控制系统以及远程传输模块；该方法包括打印前处理、3D打印模型、激光扫描固化、基板方位调整、激光扫描系统调整以及完成模型打印。该方法利用SLA快速成型技术制备构件,综合对打印过程中的拉伸强度、压缩强度、冲击强度等力学性能进行考虑,从而制备得到各项力学性能优异的快速成型构件。(The invention provides a manufacturing method for regulating and controlling mechanical properties of an SLA (service level agreement) rapid prototyping component, which is manufactured by adopting a rapid prototyping printing system, wherein the rapid prototyping printing system comprises 3D (three-dimensional) printing equipment, a laser scanning system, a strickling device, an orientation comparison system, a substrate driving system, a control system and a remote transmission module; the method comprises the steps of pre-printing, 3D model printing, laser scanning and curing, substrate orientation adjustment, laser scanning system adjustment and model printing completion. The method utilizes an SLA rapid prototyping technology to prepare the component, and comprehensively considers the mechanical properties such as tensile strength, compressive strength, impact strength and the like in the printing process, so that the rapid prototyping component with excellent mechanical properties is prepared.)
技术领域
本发明涉及光固化快速成型技术领域，具体涉及一种基于SLA快速成型构件的力学性能调控的制造方法。
背景技术
近年来，增材制造技术（即3D 打印技术）作为一种新兴的快速成型技术在全球范围内得到了快速发展。该技术具有无模具快速自由成形、全数字化、高柔性等技术特点，可以制造近乎无限复杂的几何结构。随着增材制造技术的材料和设备的发展，该技术在各个领域取得了广泛的应用，比如消费电子产品、汽车、航天航空、生物医疗、军工、地理信息、艺术设计等领域。
光固化快速成型技术（SLA）是最早发展起来的增材制造技术，是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的增材制造技术之一。SLA由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高等特点，已经在汽车、电子、医疗以及航空等工业领域中得到广泛的应用；尤其是在生物医学领域，由于其微米级别的打印精度和打印范围以及优良的力学性能，已经开始被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造。随着SLA技术的进步以及材料的发展，SLA技术从最初的产品原型验证、样品制作开始向最终功能产品制造方向转变，因此SLA成型件必须保证生产的可重复性、尺寸和性能的稳定性。除了材料本身的性能特点，SLA制造过程中的处理手段以及参数变化对材料的性能、尤其是力学性能产生重要的影响；这些处理手段以及参数不同会导致成型过程中出现孔洞、夹杂、裂纹等缺陷，同时，也会对打印时间产生影响、从而降低打印效率；并且会使快速成型构件的力学性能产生各向异性，影响打印模型在最终实际应用中的功能。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于SLA快速成型构件的力学性能调控的制造方法，该方法利用SLA快速成型技术制备构件，综合对打印过程中的拉伸强度、压缩强度、冲击强度等力学性能进行考虑，从而制备得到各项力学性能优异的快速成型构件。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种于SLA快速成型构件的力学性能调控的制造方法，其特征在于：采用快速成型打印系统进行制造，所述快速成型打印系统包括3D打印设备、激光扫描系统、刮平装置、方位比较系统、基板驱动系统、控制系统以及远程传输模块；
其具体步骤为：
a、打印前处理：首先在控制系统输入待打印的三维工件模型，然后对三维工件模型进行分层处理，得到工件各截面层的信息；同时以工件打印平台为XY面建立工件打印过程中的XYZ空间直角坐标系，根据工件所需的力学性能类型预设打印最优方位（即各截面层与XYZ空间直角坐标系的方位）；
b、3D打印模型：控制系统通过远程传输模块将工件的各截面层信息传输给3D打印设备，3D打印设备自下而上进行各截面层的打印，从而在基板上形成一定厚度的树脂层；
c、激光扫描固化：3D打印设备打印一层截面层结束后，采用激光扫描系统对打印完成的截面层进行扫描固化，扫描过程中同时将该截面层及基板的方位信息通过远程传输模块发送给方位比较系统；
d、基板方位调整：方位比较系统根据预设打印最优方位对激光扫描系统获取的截面层及基板方位信息与XYZ空间直角坐标系进行比较，然后通过基板驱动系统控制基板旋转，将下一待打印的截面层的方位调整至预设最优方位；
e、激光扫描系统调整：通过基板驱动系统控制基板旋转的同时调整激光扫面系统的方位以及策略，确保激光扫描系统扫描每一截面层的参数均相同；
f、完成模型打印：反复循环步骤b～步骤e，直至模型打印完成。
作进一步优化，所述步骤a中基板初始位置与打印平台共面，且所述基板上设置用于支撑与固定打印模型的装置。
作进一步优化，所述步骤a中根据工件所需的力学性能类型预设打印最优方位的步骤具体为：若要得到拉伸强度最优异的工件，则将工件保持在XYZ空间直角坐标系中的XY平面内侧放状态且与X轴或Y轴呈45°进行每层截面层的打印；若要得到冲击强度最优异的工件，则将工件保持在XYZ空间直角坐标系中的XY平面内侧放状态进行每层截面层的打印；若要得到压缩强度最优异的工件，则将工件模型整体轴线保持在XYZ空间直角坐标系中与YZ平面内的Y轴成0°的状态进行每层截面层的打印。
作进一步优化，所述步骤b中截面层采用光敏树脂作为打印材料，所述光敏树脂包括：环氧树脂、双官能团丙烯酸酯单体、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、环氧丙烯酸酯、聚醚多元醇、自由基光引发剂、阳离子光引发剂以及颜料。
作进一步优化，所述环氧树脂、双官能团丙烯酸酯单体、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、环氧丙烯酸酯、聚醚多元醇、自由基光引发剂、阳离子光引发剂以及颜料的百分含量分别为38～42%、18～22%、12～14%、9～11%、9.5～10.5%、1.8～2.2%、3.9～4.1%、0.8～1.2%。
作进一步优化，所述步骤b中打印的每层截面层的厚度均为50μm～100μm。
作进一步优化，所述3D打印模型步骤之后所述激光扫描固化步骤之前采用刮平装置将打印后的界面层液面刮平，从而避免截面层产生气泡以及厚度不均的问题。
作进一步优化，所述步骤c中激光扫描固化的参数为：激光波长为355nm，临界曝光量（Ec）10mJ/cm2，透射深度（Dp）110μm，激光功率200mW，扫描速度5000mm/s。
作进一步优化，所述激光扫描系统采用紫外激光扫描系统。
作进一步优化，所述步骤f中模型打印完成后用乙醇进行清洗，然后取下工件，进行二次固化，并打磨掉工件表面的支撑痕迹。
本发明具有如下技术效果：
本发明通过在打印过程中实时对打印方位以及工艺的调整，从而实现了控制打印工件的力学性能，保证工件具有高的拉伸强度、压缩强度以及冲击强度的优异力学性能，从而使得制备出的工件能够根据不同的需求适应不同的领域，有效避免光固化快速成型过程中，打印工件存在孔洞、夹杂、裂纹等缺陷。采用本发明方法具有成型速度快、成本低、力学性能优异等优点，能够广泛的应用于快速成型领域。
附图说明
图1为本发明实施例打印过程中拉伸强度性能最优异方位示意图。
图2为本发明实施例打印过程中冲击强度性能最优异方位示意图。
图3为本发明实施例打印过程中压缩强度性能最优异方位示意图。
图4为本发明实施例中平放打印工件（即常规打印方法）的结构示意图。
图5为本发明实施例中侧放打印工件（即本发明打印方法）的结构示意图。
图6为本发明实施例中侧放打印工件（即本发明打印方法）的断面形貌图；其中，图6a为侧放打印工件断口侧面；图6b为侧放打印工件裂纹源及镜面区；图6c为侧放打印工件雾面区与粗糙区的过渡区；图6d为侧放打印工件裂纹室温扩展区；图6e为侧放打印工件裂纹扩展终端的粗糙区。
图7为本发明实施例中平放打印工件（即常规打印方法）的断面形貌图；其中，图7a为平放打印工件断口侧面；图7b为平放打印工件裂纹源及镜面区；图7c为平放打印工件雾面区与粗糙区的过渡区；图7d为平放打印工件裂纹室温扩展区；图7e为平放打印工件裂纹扩展终端的粗糙区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种基于SLA快速成型构件的力学性能调控的制造方法，其特征在于：采用快速成型打印系统进行制造，所述快速成型打印系统包括3D打印设备、激光扫描系统、刮平装置、方位比较系统、基板驱动系统、控制系统以及远程传输模块；
其具体步骤为：
a、打印前处理：首先在控制系统输入待打印的三维工件模型，然后对三维工件模型进行分层处理，得到工件各截面层的信息；同时以工件打印平台为XY面建立工件打印过程中的XYZ空间直角坐标系，根据工件所需的力学性能类型预设打印最优方位（即各截面层与XYZ空间直角坐标系的方位）；
基板初始位置与打印平台共面，且所述基板上设置用于支撑与固定打印模型的装置；
工件所需的力学性能类型预设打印最优方位的步骤具体为：若要得到拉伸强度最优异的工件，则将工件保持在XYZ空间直角坐标系中的XY平面内侧放状态且与X轴或Y轴呈45°进行每层截面层的打印（如图1所示）；若要得到冲击强度最优异的工件，则将工件保持在XYZ空间直角坐标系中的XY平面内侧放状态进行每层截面层的打印（如图2所示）；若要得到压缩强度最优异的工件，则将工件模型整体轴线保持在XYZ空间直角坐标系中与YZ平面内的Y轴成0°的状态进行每层截面层的打印（如图3所示）。
需要说明的是：XY平面内的侧放状态为侧面与XY平面共面，而侧面为工件模型面积相对较小的面（如图4、图5的比对）。
b、3D打印模型：控制系统通过远程传输模块将工件的各截面层信息传输给3D打印设备，3D打印设备自下而上进行各截面层的打印，从而在基板上形成一定厚度的树脂层；
截面层采用光敏树脂作为打印材料，所述光敏树脂包括：38～42%、优选40%的环氧树脂，18～22%、优选20%的双官能团丙烯酸酯单体，12～14%、优选13%的三羟甲基丙烷三缩水甘油醚，9～11%、优选10%的环氧丙烯酸酯，9.5～10.5%、优选10%的聚醚多元醇，1.8～2.2%、优选2%的自由基光引发剂，3.9～4.1%、优选4%的阳离子光引发剂以及0.8～1.2%、优选1%的颜料；
每层截面层的厚度均为50μm～100μm、优选60μm、75μm、80μm。
每层截面层打印结束后，采用刮平装置将打印后的界面层液面刮平，从而避免截面层产生气泡以及厚度不均的问题。
c、激光扫描固化：3D打印设备打印一层截面层结束并采用刮平装置刮平后，采用紫外激光扫描系统对打印完成的截面层进行扫描固化，扫描过程中同时将该截面层及基板的方位信息通过远程传输模块发送给方位比较系统；
紫外激光扫描系统扫描固化的参数为：激光波长为355nm，临界曝光量（Ec）10mJ/cm2，透射深度（Dp）110μm，激光功率200mW，扫描速度5000mm/s。
d、基板方位调整：方位比较系统根据预设打印最优方位对激光扫描系统获取的截面层及基板方位信息与XYZ空间直角坐标系进行比较，然后通过基板驱动系统控制基板旋转，将下一待打印的截面层的方位调整至预设最优方位；
e、激光扫描系统调整：通过基板驱动系统控制基板旋转的同时调整激光扫面系统的方位以及策略，确保激光扫描系统扫描每一截面层的参数均相同；
f、完成模型打印：反复循环步骤b～步骤e，直至模型打印完成；模型打印完成后用乙醇进行清洗，然后取下工件，进行二次激光扫描固化（直接扫描整个工件模型），并打磨掉工件表面的支撑痕迹。
试验验证：
制备结束后依次对采用正常放置以及常规打印手段的打印工件（即按照平放状态、逐层打印的的工件）以及本发明实施例中打印工件进行拉伸试验、冲击试验、压缩试验、SEM分析以及光学显微分析；
其中：
拉伸试验参照GB/T1040.1-2006进行，选取合适的拉伸速率（本实施例中拉伸速率为5mm/min），拉伸试样的形状和尺寸参照标准GB/T1040.2-2006中的1A型试样；
冲击试验参照GB/T1043-2008进行，摆锤能量为2J，选取合适的V型缺口试样，试样缺口尺寸参照GB/T1043.1/1eAb；
压缩试验参照GB/T1448-2005进行，选取正确的压缩速率（本实施例中压缩速率为2mm/min）和合适的压缩试样尺寸；
SEM分析：将断裂后的试样切制合适的尺寸置于铜台进行喷金处理并观察；
光学显微分析：将断口附近的试样表面用酒精擦拭干净并置于显微镜载物台进行观察。
以沿XY平面侧放与平放的拉伸强度的工件进行SEM分析，如图6和图7所示（图6a与图7a为光学照片；图6b～6e与图7b～7e为SEM照片）。由图6b和图7b可以看出，侧放工件（即本发明打印工件）裂纹起源于工件内部的裂缝，平放工件（即现有技术打印工件）裂纹起源于工件的角落的缺陷；由图6c和图7c可以看出，在平放工件（即现有技术打印工件）断面过渡区发现有孔洞之类的缺陷；由图6d和图7d、图6e和图7e可以看出平放工件（即现有技术打印工件）裂纹扩展过程中断裂面发生台阶式的变化，而侧放工件（即本发明打印工件）的断裂面并未发生明显改变，且侧放工件（即本发明打印工件）断裂前的断面更为粗糙。
断面的粗糙程度能够间接的反应裂纹扩展的速率大小（断面粗糙度越小、裂纹扩展速度越高），因此平放工件（即现有技术打印工件）具有相对较高的裂纹扩展速度。从图6a和图7a可以看出侧放工件（即本发明打印工件）断裂为正断、而平放工件（即现有技术打印工件）裂纹扩展时发生了分叉，表明平放工件（即现有技术打印工件）在打印过程中更容易产生不均匀性或者孔洞、夹杂、裂纹等缺陷；因此可以推知，对于脆性的光敏树脂工件，加工方位对裂纹扩展过程产生影响进而导致不同的力学性能，平放工件（即现有技术打印工件）的层界面的面积大且数量少、其裂纹疏而长，而侧放工件（即本发明打印工件）的层截面的面积小且数量多，使得界面对裂纹的扩展具有阻碍作用，进而保证优异的力学性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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