光固化快速成型技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用

1、第41卷第12期2015年12月北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.41No.12Dec.2015光固化快速成型技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用李東方,陳繼民,袁艷萍,黃 寬,方浩博(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124摘 要:光固化快速成型是最早發(fā)展起來(lái)的一種快速成型技術(shù),在制造業(yè)材料科學(xué)與工程醫(yī)學(xué)文化藝術(shù)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.介紹了傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)在數(shù)據(jù)格式光斑補(bǔ)償?shù)染确矫娴难芯?對(duì)噴射固化成型技術(shù)面曝光光固化成型技術(shù)光敏樹(shù)脂的研究進(jìn)行了闡述,并介紹了最新的CLIP 技術(shù).對(duì)目前光固化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)未來(lái)光固化

2、成型技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望.關(guān)鍵詞:光固化;3D 打印;噴射固化;數(shù)據(jù)格式中圖分類號(hào):U 461;TP 308文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):0254-0037(201512-1769-06doi :10.11936/bjutxb2015070084Development and Application of Stereo Lithography ApparatusLI Dong-fang,CHEN Ji-min,YUAN Yan-ping,HUANG Kuan,FANG Hao-bo(Institute of Laser Engineering,Beijing University of Techno

3、logy,Beijing 100124,ChinaAbstract :Stereolithography is the first technology developed in rapid prototyping,which has beenbroadly applied in manufacturing,materials science,engineering,medicine,arts,culture and other fields.In this paper,the data exchange format,spot compensation which affects the a

4、ccuracy of traditional stereo lithography apparatus were discussed.And the research and development of polyjettechnology,Mask Projection Stereolithography,and the photosensitive resin were described,and the latest CLIP technology was introduced.The trend of future development and application of the

5、stereolithography technology was envisioned.Key words :stereo lithography;3D printing;polyjet;data exchange format 收稿日期:2015-07-21基金項(xiàng)目:北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Z140002;北京市科技創(chuàng)新項(xiàng)目(Z141100002814011作者簡(jiǎn)介:李東方(1990 ,男,碩士研究生,主要從事激光快速成型方面的研究,E-mail:lidongfangldf 通信作者:陳繼民(1965 ,男,教授,主要從事激光微納加工激光快速成型方面的研究,E-mail:jimin光固化

6、快速成型(stereo lithography apparatus,SLA,是最早發(fā)展起來(lái)的快速成型技術(shù).利用材料累加成型的基本原理,以液態(tài)光敏樹(shù)脂為原料,通過(guò)控制紫外光束掃描液態(tài)光敏樹(shù)脂,使其有序固化成型,材料利用率接近100%1.激光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂固化分層進(jìn)行三維物體成型的概念,最初是由美國(guó)的Charles W.Hull 在他的博士論文中提出,并獲得了專利.同年,由3D Systems 公司推出第一臺(tái)商品化的光固化快速成型設(shè)備.光固化快速成型作為一種多學(xué)科多技能高度交叉集成的技術(shù),其整體性能的發(fā)展依賴于各部分單元技術(shù)的發(fā)展2-4.目前從事光固化成型技術(shù)研究的公司中,美國(guó)的3D Syste

7、ms 公司在國(guó)際市場(chǎng)上所占的份額最大,另有Stratasys 公司德國(guó)EOS 公司日本CMET 公司Denken Engineering 公司Autostrade 公司以及國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)等5.光固化快速成型技術(shù)以其卓越的成型性能,成型工件可作為功能件直接應(yīng)用,并且具有較高的強(qiáng)度和硬度,對(duì)于特別復(fù)雜件特別精細(xì)件也可進(jìn)行成型,因北 京 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)2015年此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域.1 傳統(tǒng)光固化快速成型原理光固化快速成型原型機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光固化原理.光固化開(kāi)始后,在升降臺(tái)表面首先附上一定厚度的液態(tài)樹(shù)脂,振鏡系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下,使聚焦后的紫外激光束按零件分層

8、后的掃描路徑,在液態(tài)樹(shù)脂表面進(jìn)行掃描,完成第一個(gè)固化層,升降臺(tái)下移一定距離,并由刮刀刮平固化層表面的樹(shù)脂,再進(jìn)行后續(xù)層的掃描,新的固化層在前一層的表面固化,計(jì)算機(jī)根據(jù)零件各層的分層信息重復(fù)整個(gè)工作流程,直至工件加工完成.將工件取出后或進(jìn)行進(jìn)一步固化或直接進(jìn)行后續(xù)的表面處理,如噴砂打磨等. 圖1 傳統(tǒng)光固化快速成型技術(shù)原理Fig.1 Basic sketch of traditional stereolithography apparatus2 光固化成型技術(shù)的研究進(jìn)展隨著現(xiàn)代3D 打印技術(shù)的發(fā)展,光固化快速成型技術(shù)已由傳統(tǒng)激光快速成型逐步向面曝光噴射固化成型等方向發(fā)展.超越了傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技

9、術(shù)的限制,在材料性質(zhì)和種類制作層次制件功能等方面有了巨大進(jìn)步6-8.國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者為3D 打印技術(shù)的進(jìn)步做出了大量的研究工作.21 傳統(tǒng)光固化快速成型通過(guò)激光逐行掃描使光敏樹(shù)脂固化的傳統(tǒng)光固化成型方式,經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展,性能和工藝特性都得到了穩(wěn)步的提升.目前傳統(tǒng)光固化成型系統(tǒng)所用光源大多采用半導(dǎo)體泵浦的三倍頻Nd:YVO 4固體激光器替代He-Cd 激光器,使激光器壽命更長(zhǎng),加之光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn),進(jìn)一步滿足了設(shè)備對(duì)成型速度和成型精度的要求.在提高傳統(tǒng)光固化快速成型精度方面,為避免樹(shù)脂涂層厚度對(duì)精度的影響,Jacobs 等提出了 二次曝光法 ,西安交大的學(xué)者還提出了 改進(jìn)的二次曝光法 用以

10、避免層間漂移問(wèn)題9.另外進(jìn)行一定的光斑補(bǔ)償,針對(duì)不同的工件運(yùn)用不同掃描方式也可有效地提高掃描精度10.然而,面對(duì)逐步提升的制件標(biāo)準(zhǔn),目前的3D 打印數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足高精度的制件要求.快速成型過(guò)程中,模型數(shù)據(jù)分層處理大都是基于STL 格式文件的切片,其根據(jù)三角形逼近的方式產(chǎn)生曲面,無(wú)論精度多高也會(huì)不可避免地產(chǎn)生誤差.以直徑100mm 的球體為例,如圖2所示,利用Pro /E 導(dǎo)出的弦高分別為0.1和1.0時(shí)的STL 格式文件11.由Pro /E 直接存儲(chǔ)為STL 文件后圖形精度不能得到保證.圖2 球體STL 格式Fig.2 STL format of sphere為避免原始模型在轉(zhuǎn)化為STL

11、格式后精度降低的問(wèn)題,美國(guó)3D Systems 公司于1992年推出了SLC 數(shù)據(jù)格式,它是對(duì)三維CAD 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行二維半的輪廓表述,即在z 軸方向上由一系列橫截面組成,三維模型的每層截面信息由內(nèi)外邊界等多線表述.由切層導(dǎo)致的 臺(tái)階效應(yīng) 在一定程度上導(dǎo)致了工件誤差的產(chǎn)生,如圖3所示12-13.圖3 傳統(tǒng)光固化快速成型中的臺(tái)階效應(yīng)Fig.3 Staircase effect of traditionalstereolithography apparatus新的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn),彌補(bǔ)了CAD 數(shù)據(jù)和現(xiàn)代的3D 打印技術(shù)之間的差距.2013年一款基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言的增材制造格式標(biāo)準(zhǔn)(additive

12、 manufacturing file format,AMF被美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American society for testing and materials,ASTM和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納為新的3D 打印行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).對(duì)比僅能描述實(shí)體輪廓信息的STL 格式14,AMF771第12期李東方,等:光固化快速成型技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)模型各個(gè)頂點(diǎn)法線或切線方向確定曲率的曲面三角形,在切片后還可對(duì)曲面三角形進(jìn)行細(xì)分.加之通過(guò)空間坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)材料成分線性變化的梯度材料,以及顏色元素微結(jié)構(gòu)排列方位等高級(jí)概念的引入,AMF格式精度大幅提升,數(shù)據(jù)冗余降低,工藝信息更加全面,文件體積減小,數(shù)據(jù)讀取速度也有效

13、得到提升8,15.緊隨其后,微軟Dassault SystemesFIT AG/netfabb GmbH和Autodesk等行業(yè)巨頭,于2015年聯(lián)合發(fā)布3D打印文件格式3MF格式文件,可用于CAD軟件3D打印的硬件及軟件,該格式文件可用于3D打印的整個(gè)過(guò)程16.22 噴射固化成型噴射固化成型(PolyJet技術(shù)作為光固化成型技術(shù)的一種延伸,由Object Geomatries公司于2007年發(fā)布(目前已被Stratasys公司收購(gòu).Stratasys最新推出基于PolyJet技術(shù)的Objet500Connex33D打印設(shè)備支持同一部件多種材料多種顏色打印17.如圖4所示,使用陣列式噴頭,在計(jì)

14、算機(jī)控制下,噴嘴工作腔內(nèi)的液態(tài)光敏樹(shù)脂瞬間形成液滴,在壓力作用下液滴噴射到基底的指定位置,并立即使用紫外線將其固化,薄層聚集在托盤(pán)上,形成精確的3D模型或零件,其層分辨率可達(dá)16m,精度可達(dá)0.1 mm18.在懸垂部分或形狀復(fù)雜需要支撐的部位,該3D打印設(shè)備還可噴射用手或水可輕松除去的凝膠狀支撐材料.PolyJet3D技術(shù)打印彩色多材料的特點(diǎn),使透明和著色的半透明材料剛性材料橡膠類韌性材料以及專業(yè)光聚合物材料均可實(shí)現(xiàn)打印,在牙科醫(yī)療以及消費(fèi)產(chǎn)品行業(yè)有極廣泛的應(yīng)用.無(wú)獨(dú)有偶,美國(guó)3D Systems公司推出的Projet5500X 3D打印機(jī)采用的是與PolyJet技術(shù)類似的原理,采用多噴頭打印

15、(multijet printing,MJP技術(shù).該技術(shù)可同時(shí)以多個(gè)色彩和明暗度(包括不透明透明黑色或白色以及多種灰度進(jìn)行打印.23 面曝光快速成型隨著快速成型設(shè)備對(duì)精度速度等方面性能要求的提升,以及微光學(xué)元件技術(shù)的進(jìn)步,基于掩膜成型工藝的面曝光快速成型技術(shù)在近些年得到了快速的發(fā)展19-20.其成型原理是:零件的CAD模型經(jīng)計(jì)算機(jī)切片處理后,生成可反映零件截面圖形的切層數(shù)據(jù),由該文件驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)視圖生成器,特定波長(zhǎng)的面光源照射動(dòng)態(tài)視圖生成器,經(jīng)光路系統(tǒng)后,在光敏樹(shù)脂表面形成指定的零件截面視圖,可一次性實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件層的固化.當(dāng)該層零件截面生成后,工作臺(tái)下移一個(gè)層厚,進(jìn)行下一零件層的固化, 此過(guò)程往復(fù)

16、圖4 噴射固化成型技術(shù)Fig.4 PolyJet technology進(jìn)行,直至完成整個(gè)零件制作完成21.對(duì)比激光掃描式光固化成型技術(shù),面曝光快速成型速度快精度高,設(shè)備成本低,工藝簡(jiǎn)單.因此,面曝光快速成型技術(shù)在用于微小零件制作的快速成型領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展22.在成型精度方面,面曝光成型核心技術(shù)之一的數(shù)字光處理技術(shù)(digital light procession,DLP對(duì)面曝光成型精度起到了決定性作用.據(jù)美國(guó)德州儀器公司介紹,該公司最新開(kāi)發(fā)的DLP9000分辨率已由之前的1080P(19201080提升至WQXGA(2 5601600,像素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)400萬(wàn),這意味著面曝光成型精度在理論上可

17、實(shí)現(xiàn)由目前的4050m向更高精度的飛躍23-24 .圖5 CLIP技術(shù)Fig.5 CLIP technology在打印速度方面,面曝光快速成型方式于2015年初取得了突破性進(jìn)展,美國(guó)一家公司發(fā)明了全新的3D打印技術(shù),可實(shí)現(xiàn)比目前普通3D打印設(shè)備快25100倍的速度,打印東西如同科幻電影終結(jié)者2“中爬起來(lái)的T-100025.該技術(shù)被稱作連續(xù)液面制造(continuous liquid interface production,CLIP技術(shù),如圖5所示,利用氧可以阻止光敏樹(shù)脂固化的特性,通過(guò)使池底樹(shù)脂溶解氧,如此池底樹(shù)脂只能保持液態(tài),產(chǎn)生固化盲區(qū),通過(guò)小心控制光與氧作用的平衡,CLIP技術(shù)可以使制

18、件在樹(shù)脂中連續(xù)地 生長(zhǎng) 出來(lái).該技術(shù)可使用的原料有硅氧樹(shù)脂橡膠尼龍1771北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2015年陶瓷以及可降解生物材料等,極大地?cái)U(kuò)大了光固化成型的材料范圍26.24 光敏樹(shù)脂作為光固化成型不可或缺的材料,光敏樹(shù)脂被廣泛應(yīng)用于立體光刻數(shù)字光學(xué)處理噴射固化成型等快速成型方式中.其性能直接影響到零件的精度機(jī)械性能和零件的收縮變形27.光敏樹(shù)脂以自由基陽(yáng)離子混雜固化的樹(shù)脂體系較多,前者固化速度快黏度低韌性好成本低的特性與后者收縮率小的特性相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)體積變化互補(bǔ)性能協(xié)同的效果,有助于對(duì)成型件精度的提升28-29.有研究表明,誘發(fā)光敏樹(shù)脂聚合的波段可不僅限于紫外波段,在一定波長(zhǎng)的紅色激光下也可誘發(fā),

19、并且不會(huì)對(duì)人體的細(xì)胞造成傷害30.基于該發(fā)現(xiàn),日本Denken Engineering公司和Autostrade公司率先開(kāi)發(fā)出一款以680nm左右波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器為光源的光固化成型設(shè)備,使得SLA設(shè)備的成本大幅降低31.近年來(lái)傳統(tǒng)型光敏樹(shù)脂主要集中在提高成型材料的性能降低成本進(jìn)行材料改性等方面以擴(kuò)大應(yīng)用范圍.如將改性后的二氧化硅分散到自由基-陽(yáng)離子混雜型的光敏樹(shù)脂中,可使材料的臨界曝光量增大,投射深度減小,進(jìn)而使得制件硬度耐熱性彎曲強(qiáng)度等得到明顯提升;又如為提高制件韌性和可靠性,可在樹(shù)脂中加入碳化硅晶須;開(kāi)發(fā)可見(jiàn)光固化的光敏樹(shù)脂,提升固化速度,減小人體危害,由此可極大地提高制件效率,也極大地降

20、低了制件成本和設(shè)備成本32.隨著Objet500Connex3的推出,Stratasys在3D 打印材料上實(shí)現(xiàn)了變革性的突破,材料種類擴(kuò)充到了1000多種33.該設(shè)備所用的數(shù)字材料能夠模擬出透明柔軟和堅(jiān)硬的材料以及工程塑料,還可以將多種顏色和材料性質(zhì)融入一個(gè)模型,甚至允許將最高強(qiáng)度的數(shù)字化ABS光聚合物與類橡膠材料混合,來(lái)實(shí)現(xiàn)各種邵氏A級(jí)別硬度值和高耐用性34.3 光固化快速成型應(yīng)用及展望3D打印可以應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,只要這些領(lǐng)域需要模型或原型,光固化快速成型亦是如此35-36.在航空航天領(lǐng)域光固化快速成型制件可用于可裝配可制造性檢驗(yàn),進(jìn)行可制造性討論評(píng)估,確定最合理的制作工藝,可有效地縮短周期

21、提高精度提高制件成功率.在汽車制造領(lǐng)域,針對(duì)汽車制造領(lǐng)域產(chǎn)品多生產(chǎn)周期短等特點(diǎn),可用于模型展示模具制造功能性和裝配性檢驗(yàn)管路流動(dòng)性分析等.在鑄造行業(yè),光固化快速成型可以快速低成本制作壓蠟?zāi)＞?制作樹(shù)脂熔模以替代蠟型.在砂型鑄造中用樹(shù)脂模具代替木模,可有效提升復(fù)雜薄壁曲面等結(jié)構(gòu)鑄件的質(zhì)量和成型效率.光固化成型技術(shù)在鑄造業(yè)的應(yīng)用為快速鑄造小批量鑄造復(fù)雜件鑄造等問(wèn)題提供了有效的解決方法37-38.在醫(yī)學(xué)方面,可用于假體的制作復(fù)雜外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃模擬牙齒種植導(dǎo)板制作腫瘤內(nèi)放療的精確定位,以及口腔頜面修復(fù)等,有力促進(jìn)了醫(yī)療手段的進(jìn)步.在生命科學(xué)研究前沿領(lǐng)域,利用光固化快速成型技術(shù)可以制作具有生物活性的

22、人工骨支架,使用特定樹(shù)脂材料制作的支架擁有良好的機(jī)械性能和生物相容性,對(duì)骨細(xì)胞在其表面的黏附和生長(zhǎng)有很大幫助.另外,通過(guò)與冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合,光固化成型技術(shù)制作出的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)肝組織工程支架,能保證多種肝臟細(xì)胞有序分布,可為組織工程肝臟支架材料微觀結(jié)構(gòu)模擬提供有力的參考32.目前光固化技術(shù)正朝著更高精度的亞微米級(jí)發(fā)展,微光固化快速成型的實(shí)現(xiàn),以及近些年來(lái)微電子領(lǐng)域和微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展,使得光固化成型技術(shù)在微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造和研究方面有了極大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值39-41.另外,光固化成型技術(shù)在軍工建筑電影和電視家電輕工考古文化藝術(shù)雕塑珠寶等領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用.參考文獻(xiàn):1吳懋亮,諸文俊,李滌塵

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