列印角度對模型表面品質的影響

 

光固化 3D 列印的表面品質受模型擺放等因素的影響會有很大的不同。本文主要討論如何優化模型擺放位置以提升表面品質。

結論

先說結論:不包含平面結構的模型不存在“最佳列印角度”的說法,只有平面模型才有“最佳列印角度”。對於平面模型來說,最佳列印角度為

非平面模型擺放時儘量避免層橫截面積過大即可。

最佳列印角度

你可能經常聽到有人說列印模型時應該斜著擺放,但是也許很少有人會告訴你具體擺放多少度合適。又或者你看到過類似這張圖:

 

和這個公式:

但仍然不是很清楚為什麼。

我們知道對於光固化印表機來說,最小列印單位是體素(Voxel),這和平面圖案中的像素非常類似。每個體素的體積就是單個像素的面積 × 層高。我們可以從微觀的角度來觀察一下對於平面來說不同的擺放角度有什麼區別。假設一臺印表機的像素寬度為0.05mm,層高也設置為 0.05mm,那麼最佳列印角度θ為

我們看一下分別以 40°,45°,50°擺放模型會發生什麼。

 

可以看到,只有當以 45°擺放模型時,傾斜的平面上的體素才可以呈一條直線分佈。

實際驗證一下,我們使用像素寬度為 0.051mm 的印表機,層高設置為 0.05mm,則最佳列印角度為:

來看一下實際列印結果:

 

可以看到以 44.43°擺放的模型表面沒有明顯的等距橫紋。

對於平面模型來說,並不是一定要傾斜列印。如果對第一層厚度的精度要求不是非常高 *,是可以直接貼底列印的。

* 貼底列印和傾斜列印各有優缺點。

由於大部分印表機的 Z 軸調零都是手工完成的,多多少少會存在一些誤差,精度很難達到微米級。如果Z軸零點設得過低,會導致第一層比設置的層高要薄。反之,如果 Z 軸零點設得過高,則會導致第一層比設置的層高厚。此外,由於底層的曝光時間通常比普通層長得多,貼底列印會出現大象腿問題(裙邊問題),雖然可以使用CHITUBOX中的公差補償來抵消,但是如果對精度要求很高,還需要花一些時間調校補償值。而且貼底列印拆模型時會比較困難,有把模型拆壞的風險。貼底列印的好處就是底部無需加支持,打出來的平面光滑,無需後處理。關於公差補償和大象腿問題可以查看文章如何使用 CHITUBOX的公差補償

傾斜列印就不存在貼底列印的上述問題,但是由於列印的是平面,如果傾斜角度不大,需要添加密集支撐來對抗剝離力,尤其是邊緣。這樣,拆完支撐後會留下痕跡,需要較長的後處理時間,平滑度也不如貼底列印。

 

有一種常見的錯誤列印方式是,將平面平行於列印平臺並加支撐,這樣相當於結合了貼底列印和傾斜列印的缺點,是不可取的。

避免這樣加支撐:

 

橫截面積和抬升速度對剝離力的影響

對於非平面模型,需要關注的點就是列印橫截面積。橫截面積越大,剝離力就越大。

對於類圓形的橫截面,可以用斯蒂芬粘性公式來近似估算剝離力。

  • η:液體的粘度係數
  • R:兩個平行圓面的直徑
  • h:兩個平行圓面的距離

可以看到,當兩個平行圓面的直徑增大為原來的 2 倍時,剝離力會增大為原來的16 倍,影響不容小覷。可以採取抬升降低速度的方式來減小剝離力。或者通過調整模型的角度來減小橫截面積,但這樣往往會使列印高度增加,從而導致列印時間變長。