通過有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，研究了液晶顯示（LCD）光固化打印圓柱模型時(shí)固化層層厚（0.01～0.11 mm）、固化層層數(shù)（10～100層）以及模型截面形狀和固化層面積突增對(duì)模型截面變形程度以及尺寸精度的影響。
結(jié)果表明：固化層層厚對(duì)模型截面變形的影響幾乎可以忽略；在打印過程中隨著固化層層數(shù)的增加，模型徑向和成形方向的變形速率逐漸減緩，尺寸收縮量增大速率變緩，但是打印后期變形程度增強(qiáng)，尺寸收縮量明顯增加；固化層總層數(shù)越多，中間相同層數(shù)下的變形程度越弱，尺寸收縮量越小。
對(duì)于外徑相同，空心直徑和偏心距離不同的空心圓柱模型，空心直徑越大或偏心距離越大，模型徑向收縮量越大，變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。當(dāng)下一層面積突然增大且打印過程沒有任何支撐或打印補(bǔ)償?shù)那闆r下，面積突增區(qū)域會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的徑向和成形方向的變形，且隨著面積突增程度的增加，變形程度增大。
論文標(biāo)題：
01研究背景
光固化3D打印技術(shù)以其高精、高效、環(huán)保及節(jié)能優(yōu)勢(shì)，在生物制藥、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。液晶顯示（LCD）光固化3D打印技術(shù)采用LCD顯示屏生成掩膜圖像，在保證打印精度和速度的同時(shí)降低了設(shè)備成本，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。在LCD光固化打印過程中，打印模型的整體精度取決于打印過程中的層厚。根據(jù)Beerlambet規(guī)則，模型每次可固化的最大層厚基本取決于打印機(jī)的光束強(qiáng)度。在光固化成型過程中，每一層曝光固化后都會(huì)因光敏樹脂相變而產(chǎn)生收縮，且層與層之間相互影響，這會(huì)導(dǎo)致模型產(chǎn)生局部或者整體變形，造成模型精度降低，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)打印過程的失敗。
目前，有關(guān)LCD光固化3D打印技術(shù)的研究主要集中工藝參數(shù)優(yōu)化以及打印材料性能調(diào)控方面。通過樹脂原材料的改進(jìn)或者打印參數(shù)的調(diào)整可以有效抑制模型的收縮變形，但模型的尺寸精度仍受到樹脂材料各向異性、打印過程中樹脂內(nèi)部的殘余應(yīng)力以及打印機(jī)器機(jī)械誤差等因素影響。
研究指出，可以通過改進(jìn)打印機(jī)器機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作方式以及添加模型支撐結(jié)構(gòu)和優(yōu)化支撐構(gòu)建角度等對(duì)變形進(jìn)行補(bǔ)償。PAN等指出，模型的形狀和結(jié)構(gòu)會(huì)影響LCD光固化打印精度。通過模型參數(shù)（如固化層層厚、固化層層數(shù)等）優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來補(bǔ)充尺寸變化更具經(jīng)濟(jì)性和普適性；采用有限元模擬分析的方法可以近似等效模擬變形結(jié)果，預(yù)測(cè)并總結(jié)一般模型的光固化成形規(guī)律與變形趨勢(shì)，從而為預(yù)防和控制實(shí)際生產(chǎn)過程中LCD光固化打印變形提供有效的指導(dǎo)。然而目前，有關(guān)LCD光固化打印模型的變形研究多圍繞打印機(jī)器帶來的功能性影響上，忽視了模型本身結(jié)構(gòu)特征的影響。
為此，作者采用有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，從模型自身的形狀特征以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，研究了LCD光固化打印過程中固化層層厚、固化層層數(shù)以及模型截面形狀和固化層面積突變對(duì)模型截面變形程度和尺寸精度的影響，以期為L(zhǎng)CD光固化打印模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。
02研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了試驗(yàn)材料參數(shù)、模型設(shè)計(jì)方法及測(cè)試流程。使用手術(shù)導(dǎo)板樹脂，通過Solidworks設(shè)計(jì)不同空心直徑和偏心距的圓柱體，以及階梯狀凸臺(tái)模型，采用正交試驗(yàn)法分析截面面積和幾何突變對(duì)收縮率的影響。使用CHITUBOX軟件和Saturn 3 Ultra打印機(jī)進(jìn)行光固化成型，最后通過游標(biāo)卡尺測(cè)量變形尺寸并按公式計(jì)算平均收縮率。
2 有限元模擬方法
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬的方法，具體包括：建立固化層模型，將每層曝光固化的受力等效為徑向應(yīng)力，其計(jì)算公式為σ? = -φ?E/(1-ν)；設(shè)置材料參數(shù)如密度、泊松比、彈性模量等；采用生死單元功能模擬逐層固化過程，通過抑制和激活單元來模擬層間黏結(jié)；定義網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，并對(duì)每層施加93.97 MPa的徑向應(yīng)力，以分析打印過程中的變形與尺寸精度。
3 結(jié)果與討論
本章節(jié)重點(diǎn)包括：通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了液晶顯示光固化打印模型截面變形與尺寸精度的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，固化層層厚對(duì)徑向收縮影響較小，建議采用0.09 mm以提高效率；打印總層數(shù)增加會(huì)減緩變形速率但后期變形加劇，需在多層打印時(shí)添加支撐約束；空心結(jié)構(gòu)的直徑和偏心距離增大會(huì)導(dǎo)致收縮率上升，建議空心遠(yuǎn)離邊緣并控制尺寸；面積突變區(qū)域易產(chǎn)生變形，需添加支撐或優(yōu)化形狀過渡以提高精度。模擬與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，但模擬值偏高，主要因未考慮層間相互作用及材料參數(shù)非線性變化。
不同中間圓柱直徑下凸臺(tái)模型成形方向收縮量云圖
試驗(yàn)得到不同中間圓柱直徑下凸臺(tái)模型的結(jié)構(gòu)
03結(jié)束語
（1）0.01～0.11 mm固化層層厚對(duì)模型截面變形的影響幾乎可以忽略；在打印過程中，隨著固化層層數(shù)的增加，模型徑向和成形方向的變形速率減緩，尺寸收縮量增大速率變緩，但是打印后期變形程度增大，尺寸收縮量明顯增加；固化層總層數(shù)越多，中間相同層數(shù)下的變形程度越弱，尺寸收縮量越小。在模型總層數(shù)較多的情況下，需要添加支撐以限制模型的變形程度。
（2）對(duì)于外徑相同的空心圓柱模型，空心直徑越大或偏心距離越大，模型徑向收縮量越大。空心結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離導(dǎo)板模型的邊緣，且空心尺寸不宜過大，以防止產(chǎn)生較大變形而影響精度。
（3）當(dāng)打印下一層的面積突然增大且沒有任何支撐或打印補(bǔ)償時(shí)，面積突增區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的徑向和成形方向的變形，且隨著面積突增程度的增加，變形程度增大。在面積增大程度較小且精度要求不高的情況下，模型打印過程中可不需要額外支撐，而大多情況下應(yīng)盡量確保模型形狀過渡平滑或者在面積增大區(qū)域添加支撐。
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