立体光刻快速成型的模型布置分析及优化
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摘 要：本文介绍了立体光刻快速成型技术的工作原理及工艺过程，通过具体实例探索模型布置规律，总结模型布置原则，对节省支撑材料、提高打印效率具有参考价值。
关键词：立体光刻;快速成型;模型布置
立体光刻成型技术作为目前快速成型领域中最成熟的技术，以其精准的尺寸、优良的质量被广泛应用于航空工程、机械制造、产品设计等领域。[1]立体光刻成型技术是基于光敏树脂的光聚合原理而工作的，其缺点为材料成本高昂。因此，从模型布置角度探索节约支撑材料、提高打印效率的方法具有重要意义。
1 立体光刻快速成型
1.1 工作原理
立体光刻快速成型技术使用的材料为光敏树脂和石蜡，光敏树脂为成型材料，石蜡为支撑材料。[2]光敏树脂由于其材料的特性，在一定强度和波长的紫外光照射下可以从液态变为固态。紫外光束的移动轨迹受成型数据的控制，在光敏树脂表面进行扫描，实现逐点固化。[3]完成当前成型面的扫描后，打印头上升固定高度重复上述过程，直到成型件完成。
1.2 工艺过程
立体光刻快速成型的工艺过程如下：
（1）载入模型。立体光刻快速成型机的控制软件需要载入STL模型。[4]因此，参数化软件中建立的模型必须转化为标准格式。为了保证成型精度和表面质量，转换过程中需要根据不同软件设置恰当的关键参数，避免环边、破面等问题的出现。[5]
（2）模型布置。模型布置即在控制软件中操作，对载入的STL模型进行空间排布。模型布置的好坏直接影响打印时间和支撑用材。因此，模型布置必需参考模型布置原则，探索最优方案，实现打印过程的优化。
（3）打印模型。打印模型前需要等待材料融化，检查打印平台是否处于水平面。一切就绪后，计算机将成型数据传送给快速成型机，模型打印开始。打印过程中，成型材料从不同探头同步喷射，需要保证探头内部的流通，避免设备损坏。[6]
（4）后处理工艺。后处理工艺将光敏树脂和石蜡进行分离。首先，将模型放入冰柜中冷却，使模型完全固化。然后，把模型放入烘箱中加热，除去表面大部分石蜡。最后，通过油浴进一步除去表面及凹槽处的石蜡。后处理工艺需要控制好温度和时间，在彻底分离石蜡的同时避免模型受热变形。
2 模型布置分析
在立体光刻快速成型的工艺过程中，模型布置直接影响打印时间和材料用量。本研究使用的是projet-5000快速成型机，设计100mm*50mm*10mm的长方体试件。通过多个实验分析，总结模型布置规律如下：
2.1 模型数量与打印时间的关系
以长方体试件为例，在打印平台里排列一个长方体试件的打印时间与排列多个长方体试件的打印时间相同。由此可知，同一成型平面内，模型数量对打印时间的影响很小。为了提高打印效率，在打印平台内应尽可能多地排布模型。
2.2 成型高度与打印时间的关系
以长方体试件为例，调整长方体试件的成型高度，即长方体试件与打印平台间的夹角（从90°到0°）。随着长方体试件与打印平台间夹角度数的减小，打印时间变短。因此，在打印模型时，应尽量减少成型高度，增大支撐面的投影面积，使打印时间大大缩短。
2.3 成型高度与支撑用材的关系
以长方体试件为例，将长方体试件与打印平台的夹角逐渐减小（从90°到0°），即成型高度逐渐降低。长方体试件处于悬空状态，为了防止变形，需要在打印平台和试件之间的空间里增加支撑结构。支撑材料的用量由打印平台和试件间相夹空间的体积决定，成型角度减小的过程中，相夹空间的体积逐渐减小，支撑材料的用量随之变小。为了节省支撑材料，可以减少模型与成型平台的夹角，即减少成型高度，增大支撑面的投影面积。因此，对同一模型而言，成型角度越小，成型高度越低，支撑材料用量越小。
3 模型布置优化
根据模型布置分析，优化模型布置的原则总结如下：
第一，立体光刻快速成型的同一成型平面内，模型布置的数量对打印时间的影响很小，在布置模型时应该充分利用打印平台的空间，尽可能多地排布模型，这样既可以提高成型效率，又能节省打印时间。
第二，空间模型布置时应考虑打印时间及支撑用材两个因素，应尽量减小成型高度，增大支撑面的投影面积，在减少打印时间的同时节省支撑用材，使打印过程更加合理。
4 结语
立体光刻作为一种出现最早、技术成熟的快速成型技术，已经得到广泛的应用。为了优化打印过程，本文对立体光刻快速成型工艺进行了分析，通过具体实例对比，探索了模型布置规律，总结了模型布置原则，对该工艺的推广应用具有参考和启发作用。
参考文献：
[1] 王琛，于嘉浩，陆红红，蒋雨婷.基于快速成型技术的中国古典家具模型制作工艺研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.
[2] 郁舒兰，施佳露，于娜，吴成.交互式老年人手指握力康复产品设计[J].家具，2019，41（2）：84-88.
[3] 高玲玲，徐伟.缩短有限定制沙发平均生产周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.
[4] 王子轩，吴智慧.办公环境中建筑与家具的文化体现[J].家具，2019，41（2）：41-45.
[5] 周季纯，吴燕.圈椅的起源与发展[J].家具，2019，41（2）：62-65.
[6] 姚月姝，祁忆青，王丹.冬季室内有害挥发物释放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.
作者简介：王琛，男，南京林业大学家居与工业设计学院实验师，主要研究方向：工业设计工程。
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