供稿人：關(guān)志強(qiáng) 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)自由度，提升了制造復(fù)雜度和能力。目前，因?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù)大多局限于小規(guī)?？焖僭椭圃旌湍＞咧圃?，導(dǎo)致效率相對(duì)較低、生產(chǎn)量不足等問(wèn)題。為此在早期工藝規(guī)劃階段通過(guò)調(diào)整逐層曝光時(shí)間來(lái)評(píng)估和提高工藝效率是至關(guān)重要，并有望實(shí)現(xiàn)增材制造的大批量生產(chǎn)的可能。
美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校機(jī)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(duì)制造產(chǎn)品性能的評(píng)估。因此，他們提出了一種以動(dòng)態(tài)曝光時(shí)間為核心的新型工藝規(guī)劃算法，并同時(shí)確保產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量和機(jī)械性能。該研究制定并驗(yàn)證了一個(gè)理論固化模型用以分析單個(gè)固化層以及最終產(chǎn)品在不同的曝光時(shí)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(guò)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(shù)脂固化；(2)假定離散曝光過(guò)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(diǎn)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(yàn)證所建立的模型的準(zhǔn)確性，將模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，打印如下圖所示的兩個(gè)零件。平均而言，當(dāng)預(yù)測(cè)幾何尺寸、表面粗糙度和肖氏硬度時(shí)，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(jì)帶有直角表面的幾何特征（mm）
（b）設(shè)計(jì)45度曲面的幾何特征（mm）
圖1驗(yàn)證模型時(shí)所打印的零件
該研究進(jìn)一步對(duì)比了動(dòng)態(tài)曝光時(shí)間和固定曝光時(shí)間下零件的制作。結(jié)果顯示，采用動(dòng)態(tài)曝光時(shí)間可以使總固化時(shí)間和生產(chǎn)時(shí)間分別減少12.5%和3.91%、可以使零件長(zhǎng)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(jī)械性能。
為了評(píng)估所提出模型的穩(wěn)定性，對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)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(gè)參數(shù)對(duì)曝光時(shí)間選擇的影響。根據(jù)該圖，可以觀察到與其他兩個(gè)因素相比，入射光輻照度和零件尺寸對(duì)總固化時(shí)間更敏感。
圖2各種因素對(duì)總固化時(shí)間的影響
未來(lái)將通過(guò)考慮能量耗散和沉積層之間的相互作用來(lái)改進(jìn)當(dāng)前的固化模型，并考慮將動(dòng)態(tài)曝光時(shí)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。