层厚/支撑角度及后处理对SLA零件性能的影响

郭 亮，陈忠旭，张庆茂，冯加模

(1.华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室，广东 广州 510006；2.广州市光机电技术研究院，广东 广州 510663)

层厚/支撑角度及后处理对SLA零件性能的影响

郭 亮1，陈忠旭1，张庆茂1，冯加模2

(1.华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室，广东 广州510006；2.广州市光机电技术研究院，广东 广州510663)

采用VisiJet®SLBlack型光敏树脂，从成型过程及后处理工艺出发，研究了切片层厚、支撑角度对成型件尺寸精度和表面精度的影响及二次固化时间对拉伸性能的影响。结果表明，支撑角度越接近45°，试样尺寸精度越高，小支撑角度大层厚试样会出现上表面隆起现象；层厚越大，试样表面越粗糙；二次固化后的拉伸强度在9.33～22.84MPa之间，断裂机制均为脆性断裂，二次固化时间为200min时，材料的拉伸强度为20.24MPa，塑性最好，断裂伸长率最大为3.80%；二次固化时间为250min时，拉伸强度最大为22.84MPa，但塑性降低。

光固化；三维打印；成型精度；力学性能

0 前言

近些年来，随着先进制造理念及技术的发展，增材制造技术逐渐在各行各业得到广泛应用，它综合了计算机、光学、机械、电子、材料等多个学科，可以直接、快速、精确的将设计思想转化为原型或模具，是目前一种真正的智能制造技术。增材制造技术的工艺方法都是基于离散 - 叠加原理而实现快速制造的，按成型方法分类，可分为2大类：基于激光或其他光源的成型技术，如光固化立体成型(SLA)、选区激光烧结技术(SLS)等；基于喷射的成型技术，如熔融沉积成型(FDM)、立体喷墨打印法(3DP)等[1]。相比于其他3种成型技术，SLA技术具有成型精度高、成型周期短、材料利用率高等优势，因而应用更为成熟广泛[2]。

在SLA零件成型或使用过程中，若措施不当，小则产生孔洞、夹杂、变形，大则产生翘曲、裂纹、断裂等致命缺陷，故通过研究SLA工艺来避免缺陷、提高使用性能，得到精度高、力学性能好的成型件是十分必要的。刘杰[3]重点对翘曲变形、侧孔畸变、台阶纹现象进行了详细实验研究，并提出了改善方法。郭辰光等[4]研究了铺层取向对SLA件力学性能的影响，研究表明，构件拉伸强度与拉伸断裂能随着铺层方向角度的增大而呈递增趋势。但是，对零件的支撑角度、切片层厚以及后处理工艺等因素研究较少，而这些因素对SLA件的精度和力学性能影响很大[5]。因此，本文重点研究了支撑角度、层厚和二次固化时间对SLA件的精度和力学性能的影响，为SLA技术的应用提供了参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

光敏树脂，VisiJet®SL Black，黑色，25 ℃时液态和固态的密度分别为1.13 g/cm3和1.15 g/cm3，弹性模量为2150 MPa，剪切模量为2350 MPa，0.45 MPa时的热变形温度为54 ℃，肖D硬度为86，玻璃化转变温度为62 ℃，美国3D Systems公司。

1.2 主要设备及仪器

光固化3D打印机，ProJetTM6000，美国3D Systems公司；

紫外固化灯，No.CU853，美国3D Systems公司；

3D表面形貌分析仪，BMT EXPERT，德国BMT公司；

电子万能试验机，CSS-44300，长春试验机研究所；

扫描电子显微镜(SEM)，S-4300，日本日立公司；

游标卡尺，MNT-150，德国美耐特公司。

1.3 样品制备

使用光固化3D打印机按设定的参数打印以下3组试样：(1)层厚分别为0.075 mm和0.100 mm的方块试样(尺寸为10 mm×10 mm×10 mm)各1个(1#、2#样品)，支撑角度均为0 °，即水平摆放；(2)层厚为0.125 mm的方块试样(尺寸为10 mm×10 mm×10 mm)4个(3#～6#样品)，支撑角度分别为0 °、15 °、30 °和45 °；如图1(a)所示，支撑角度α为零件支撑面的法线与切片层垂线的夹角；其他主要参数均采用设备默认参数：光斑直径为0.127 mm，光斑补偿为0.0762 mm，激光功率为170 mW，激光扫描速率为508 mm/s；按图1(b)的尺寸打印出5个拉伸试样，层厚均为0.125 mm，研究二次固化时间对拉伸强度的影响。

(a)支撑角度示意图 (b)拉伸试样图1 支撑角度示意图和拉伸试样Fig.1 Support angle and tensile samples

1.4 性能测试与结构表征

采用用游标卡尺测量方块试样的尺寸；

采用3D表面形貌分析仪检测方块试样的粗糙度，测量参数为：线长为5.0mm，点密度为100points/mm，测量速率为1.0mm/s，频率为100Hz；

拉伸性能按GB/T2567—2008测试，拉伸速率为10mm/min，室温为24℃；试验前，试样需经严格检查，试样应平整、光滑、无裂纹和无明显加工损伤；装夹好试样后，沿轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂；

SEM分析：将试样喷金处理后在SEM上进行观察；

尺寸精度测试：用游标卡尺对每个方块试样的长宽高进行测量，然后计算其平均值和偏差；

表面精度测试：使用表面形貌仪对每个方块试样的上表面和侧面进行线扫描，扫描速率为1.0mm/s；

元素定量分析(EDS)：采用配备有能谱仪和波谱仪分析探头的SEM进行分析；仪器主要性能指标：分辨率优于1.0nm，放大倍率为12～106倍，元素分析范围为Be4～U92，元素理论检测限≥0.1%。

2 结果与讨论

2.1 层厚和支撑角度对表面品质的影响

从表1可以看出，1#～6#样品的侧面尺寸偏差均在±1%之内，没有明显的变化规律，表明层厚和支撑角度对横向尺寸的精度影响不大。从1#～3#样品可以看出，打印层厚越大，纵向尺寸偏差越大，即产生表面隆起现象(图2)；3#～6#样品尺寸偏差最大达到3.8 %，之后逐渐减小，则支撑角度越大，试样尺寸越标准(图3)。表面精度方面，1#～3#样品的侧表面和上表面粗糙度均逐渐增大(图2)，层厚为0.075 mm时，粗糙度为0.81～0.85 μm；从3#～6#样品可以看出，同一层厚不同的支撑角度，侧表面和上表面粗糙度均变化不大，表明支撑角度对试样的粗糙度无明显影响。

表1 光敏树脂方块的尺寸精度和表面精度Tab.1 Size accuracy and surface roughness of photosensitive resin cubes

注：尺寸精度和表面精度为3组实验数据的平均值；A、B、C分别代表小方块的长宽高。

图2 层厚对成型精度的影响Fig.2 Effect of layer thickness on forming accuracy

图3 支撑角度对成型精度的影响Fig.3 Effect of support angle on forming accuracy

目前，3D打印数据分层处理都是基于STL格式文件的切片方法，即采用小三角形近似逼近三维模型外表面，小三角形数量的多少直接影响近似逼近精度，小三角形的数量越多，则精度高误差小，但增加了数据处理的难度[6]。离散 - 叠加是增材制造的基本原理，分层切片将不可避免地在两层间产生距离，这破坏了实体模型的完整性，造成了分层方向的表面精度和尺寸精度误差。如图4(a)所示，样品表面形成了“台阶纹”，这是不可避免的原理性误差，层厚越大则该现象越明显，零件表面的粗糙度越大[7]。还可以看出，层间存在空隙，层间的线条比较笔直，说明固化程度一致，成型效果好，若层间线条弯曲或存在空洞或不规则形状，则说明固化程度不同。在高度方向上，上一层先固化的树脂与正在固化的树脂层之间会产生应力，层层累积，应力逐渐增大而得不到释放，就会形成残余应力，从而降低了零件的精度，甚至会造成翘曲变形。

(a)1#样品侧表面 (b)工业齿轮表面图4 1#样品侧表面和工业齿轮表面的SEM照片Fig.4 SEM of sample 1# side surface and industrial gear surface

层厚相同时，支撑角度从0 °增加到45 °，高度方向的尺寸偏差变小，原因是支撑角度越接近于45 °，试样倾斜抵消了原来纵向因固化程度不一致而产生的偏差。而且，小支撑角度大层厚的零件分层不够精细，纵向偏差更大，会产生上表面隆起现象。图4(b)是放大3000倍时工业齿轮表面的SEM照片，零件表面出现空洞、毛刺等缺陷，增加了表面粗糙度，通过打磨、抛光等后处理方法可以有效提高表面精度。

2.2 二次固化时间对拉伸性能的影响

从图5可以看出，二次固化时间为100min时，打印件的拉伸强度很低，只有9.33MPa；随着紫外灯光照时间的延长，打印件的拉伸强度逐渐增大，在250min时拉伸强度达到最大(22.84MPa)，在此期间，拉伸强度的上升速率呈先快后慢的趋势；之后拉伸强度略有下降，在300min时达到22.80MPa，说明继续增加光照时间不能明显提高打印件的拉伸强度。采用定长标距120mm的方法得到的断裂伸长率曲线如图5所示，可以看出，二次固化时间为100min时，断裂伸长率较小为2.82%；随着紫外灯光照时间的增加，200min时，断裂伸长率达到最大(3.80%)，整体呈现先升高后降低的趋势。

图5 拉伸试样的力学性能Fig.5 Mechenical properties of the tensile samples

零件在打印过程中，光敏树脂会出现未完全固化或固化程度不一致等问题，这会降低零件的致密度和力学性能，因此，光固化3D打印的零件都需要进行二次固化。适当时间的二次固化可以有效增强光固化效果，提高零件的力学性能。二次固化时间太短，未完全固化或固化程度不一致等问题没有得到解决，零件表现出低韧、低强度的特征，使用性能不佳；二次固化时间太长，完全固化的光敏树脂零件会在紫外灯的照射下变得硬脆起来，不仅降低了使用性能，还增加了时间成本。

二次固化时间/min：1—100 2—150 3—200 4—250 5—300图6 拉伸试样的应力 - 应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of the tensile samples

从图6的应力 - 应变曲线可以看出，5条曲线在应变较小时都近似于直线，这是聚合物具有一定黏弹性的体现，这种弹性形变是小尺寸运动单元的运动引起聚合物分子键长、键角变化的结果。二次固化时间为100min时，样品的应变和应力都比较小，表现为低模量、低强度、断裂能小，没有出现明显的屈服点就发生断裂，为脆性断裂；随着光照时间的延长，应力和应变均明显增大，表明材料的韧性增强，这与断裂伸长率曲线表现一致，断裂能大，拉伸强度显著提高；200min时，材料的拉伸强度为20.24MPa，塑性最好；250min时，材料的拉伸强度达到最大，但塑性明显降低，再增加二次固化时间则会降低材料的使用性能。

从化学结构上讲，光敏树脂是一种热固性塑料，高分子的链结构直接影响高分子材料的性能，特别是力学和光学性能。液态光敏树脂经固化后称为交联高分子，交联分子链是具有一定强度的网状结构，分子之间不能滑动，具有一定的弹性和强度[8]。高分子材料的断裂需要破坏存在于高分子之间的范德华力和氢键，由于链结构单元有103～105个，相对分子质量大，使得高分子间的相互作用能比单个大分子中的化学键强得多[9]。高分子链由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象，内旋转能够改变构象的特性，对高分子链的柔性产生影响，进而影响高分子材料的韧性或弹性，断裂伸长率的大小取决于树脂分子链的柔性[10]。

如图7所示为对二次固化时间为200min时拉伸试样的断口进行SEM观察，并对特定区域的组成元素进行EDS分析。从图7(a)可以看出，断口表面既有凸起也有凹槽，凹槽部分存在横向台阶纹，形状不规则，这是韧性特征的体现，表明材料具有一定的韧性；对图7中的标记区域进行元素检测，结果显示C元素占大部分，O元素含量只有2.73%。图7(b)拉伸断口产生了间距相当的银白色条纹，即银纹现象，原因是聚合物在拉应力的作用下，在材料某些薄弱部位出现了应力集中而产生了局部的塑性形变和取向。图7(c)为银纹区域放大3000倍时的形貌，打印件内部存在孔洞和夹杂等缺陷，而这会引起应力集中，降低了材料的强度，应尽力避免其产生；对银纹区域进行元素检测[图7(d)]，O元素含量高达18.06%，明显高于其他区域，这表明银纹体内存在大量空隙。银纹区域内，聚合物在产生塑性变形的同时，高分子链沿拉应力方向高度取向，并吸收能量，由于横向收缩不足以补偿塑性伸长，导致银纹体内产生大量空隙，进而扩展形成裂纹。

微观上，聚合物的断裂破坏是化学键的断裂或分子链的滑移所导致，分子链适度的取向可使沿取向方向的拉伸模量、拉伸强度和韧性均有所提高，但在垂直于取向的方向上拉伸时，与未取向的聚合物相比，则更容易发生脆性断裂[11]。而且，借助于多官能团单体或某种助剂将大分子链之间通过支链或化学键相连接，形成交联的、不规则体型网络结构，也可以有效地增加分子链间的相互作用，使分子链不易发生相对滑移，拉伸强度和拉伸模量均提高，但交联的程度又不宜过大，否则就会失去弹性[12]。另外，在聚合物中添加合适的增塑剂或其他填料，可以明显改善材料的韧性或提高其拉伸模量和拉伸强度。

3 结论

(1)支撑角度和层厚对横向尺寸精度影响不大；高度方向，支撑角度越接近于45°，试样尺寸的误差越小，小支撑角度大层厚样品会出现上表面隆起现象；支撑角度对试样的粗糙度无明显影响；

(2)层厚增大，样品侧表面和上表面的粗糙度均逐渐增大，层厚为0.075mm时，粗糙度最小为0.81～0.85μm；

(3)二次固化后的拉伸试样均发生脆性断裂，但具有一定的塑性，拉伸强度在9.33～22.84MPa之间；二次固化时间为200min时，材料的拉伸强度为20.24MPa，塑性最好，断裂伸长率达到最大值(3.80%)；二次固化时间为250min时，拉伸强度达到最大值(22.84MPa)，但塑性降低；拉伸断口产生银纹现象，银纹体内存在大量空隙，进而扩展形成裂纹。

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EffectofLayerThickness,SupportAngleandPost-processingonPropertiesofSLAParts

GUO Liang1, CHEN Zhongxu1, ZHANG Qingmao1, FENG Jiamo2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices, South China Normal University,Guangzhou 510006,China; 2.Guangzhou Reserch Institute of O-M-E Technology, Guangzhou 510663, China)

This article reported an investigation on the accuracy and tensile property derived from the prototyping process and post-processing technology for improvement of the accuracy and mechanical properties of SLA parts. VisiJet®SL Black photosensitive resin was employed as a based material to prepare SLA parts. Effects of layer thickness and support angle on the size and surface accuracies of the parts were studied, and influence of post-curing time on their mechanical properties was evaluated. The results indicated that the parts achieved a higher size accuracy when the support angle was close to 45 °. A hump phenomenon was observed for the parts with a thick layer at a small support angle. Thicker layer resulted in a rougher surface for the parts. The parts achieved a tensile strength around 9.33～22.84 MPa with a brittle fracture. When the post-curing time was set to 200 min, the parts obtained a best plasticity effect and thus gained the tensile strength of 20.24 MPa and elongation at break of 3.80 % as an optimum value. However, the plasticity became poor for the parts at the post-curing time of 250 mins, although they achieved a maximum tensile strength of 22.84 MPa.

stereo lithorgraphy apparatus; three dimensional printing; prototyping accuracy; mechanical property

TQ322.4+1

B

1001-9278(2017)09-0091-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.014

2017-03-27

联系人，15323310190@163.com

广东省科技项目(2016B090917002)；广东省自然科学基金(2016A030313456)；2017国家重点研发计划(SQ2017YFGX070050)