供稿人：關(guān)志強 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-03-13
與傳統(tǒng)的減材制造相比，以逐層生產(chǎn)的增材制造可以提供更高的設(shè)計自由度，提升了制造復(fù)雜度和能力。目前，因為增材制造技術(shù)大多局限于小規(guī)?？焖僭椭圃旌湍＞咧圃?，導(dǎo)致效率相對較低、生產(chǎn)量不足等問題。為此在早期工藝規(guī)劃階段通過調(diào)整逐層曝光時間來評估和提高工藝效率是至關(guān)重要，并有望實現(xiàn)增材制造的大批量生產(chǎn)的可能。
美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校機械與工業(yè)工程系的Li等指出現(xiàn)有的立體光刻工藝規(guī)劃研究缺乏對制造產(chǎn)品性能的評估。因此，他們提出了一種以動態(tài)曝光時間為核心的新型工藝規(guī)劃算法，并同時確保產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量和機械性能。該研究制定并驗證了一個理論固化模型用以分析單個固化層以及最終產(chǎn)品在不同的曝光時間下的幾何尺寸、表面粗糙度和硬度。依托于該模型建立起新的工藝規(guī)劃算法，包括原材料特性、零件幾何信息和產(chǎn)品規(guī)格在內(nèi)的輸入?yún)?shù)，研究并建立高效率的工藝路線。該模型假設(shè)(1)不考慮印刷過程中的能量耗散，這意味著假設(shè)入射紫外輻照度完全用于樹脂固化；(2)假定離散曝光過程效果與連續(xù)曝光相同；(3)不考慮沉積層之間的相互作用。(4)紫外光(投影儀)是點光源，這表明表面上的紫外光輻照度遵循高斯分布。主要步驟如下：
為了驗證所建立的模型的準(zhǔn)確性，將模型計算和實驗結(jié)果進行了比較，打印如下圖所示的兩個零件。平均而言，當(dāng)預(yù)測幾何尺寸、表面粗糙度和肖氏硬度時，所建立的模型分別顯示出99.30%、95.81%和95.98%的良好準(zhǔn)確度。
（a）設(shè)計帶有直角表面的幾何特征（mm）
（b）設(shè)計45度曲面的幾何特征（mm）
圖1驗證模型時所打印的零件
該研究進一步對比了動態(tài)曝光時間和固定曝光時間下零件的制作。結(jié)果顯示，采用動態(tài)曝光時間可以使總固化時間和生產(chǎn)時間分別減少12.5%和3.91%、可以使零件長度和寬度方向的尺寸精度分別提高0.51%和1.66%、顯著降低了高達(dá)35.92%的表面粗糙度、還可以提高產(chǎn)品的機械性能。
為了評估所提出模型的穩(wěn)定性，對多個參數(shù)進行了敏感性分析，包括固化層厚、入射光輻照度、分層角度以及幾何尺寸。圖2顯示了上述四個參數(shù)對曝光時間選擇的影響。根據(jù)該圖，可以觀察到與其他兩個因素相比，入射光輻照度和零件尺寸對總固化時間更敏感。
圖2各種因素對總固化時間的影響
未來將通過考慮能量耗散和沉積層之間的相互作用來改進當(dāng)前的固化模型，并考慮將動態(tài)曝光時間與自適應(yīng)切片相結(jié)合，將其應(yīng)用于多種材料的打印與制造。