第二章_光固化快速成型工藝

1、快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用 第二章第二章 光固化光固化快速成型工藝快速成型工藝機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社（第三版） 光固化快速成型工藝，也常被稱為立體光刻成型，英文的名稱為StereoLithography，簡稱SL，也有時(shí)被簡稱為SLA（StereoLithography Apparatus），該工藝是由Charles Hull于1984年獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)。自從1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型機(jī)SLA -250以來，SLA已成為目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成

2、型工藝方法。它以光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制紫外激光使其凝固成型。這種方法能簡捷、全自動(dòng)地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀較復(fù)雜的原型。第二章第二章 光固化成型工藝光固化成型工藝1光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備3光固化成型的工藝過程光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù)35第二章第二章 光固化快速成型工藝光固化快速成型工藝圖圖2-1 光固化快速成型工藝原理第一節(jié)第一節(jié) 光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的

3、基本原理和特點(diǎn)光固化成型工藝的成型過程如圖2-1示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，氦鎘激光器或氬離子激光器發(fā)出的紫外激光束在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個(gè)層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體原型。v2.1 2.1 光固化成型的基本原理光固化成型的基本原理 因?yàn)闃渲牧系母哒承?，在每層固化之后，液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅

4、速流平，這將會(huì)影響實(shí)體的精度。采用刮板刮切后，所需數(shù)量的樹脂便會(huì)被十分均勻地凃敷在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后可以得到較好的精度，使產(chǎn)品表面更加光滑和平整。圖圖2-2 光固化成型制造過程中殘留的多余樹脂光固化成型制造過程中殘留的多余樹脂圖圖2-3 吸附式涂層結(jié)構(gòu)吸附式涂層結(jié)構(gòu) 第一節(jié)第一節(jié) 光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)v 2.2 光固化成型技術(shù)的特點(diǎn)光固化成型技術(shù)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n成型過程自動(dòng)化程度高 SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開始后，成型過程可以完全自動(dòng)化，直至原型制作完成。n尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到0.1mm。 n優(yōu)良的表面質(zhì)量

5、雖然在每層固化時(shí)側(cè)面及曲面可能出現(xiàn)臺階，但上表面仍可得到玻璃狀的效果。 n可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型、尺寸比較精細(xì)的模型n可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型n制作的原型可以一定程度地替代塑料件第一節(jié)第一節(jié) 光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n制件易變形 成型過程中材料發(fā)生物理和化學(xué)變化n較脆，易斷裂性能尚不如常用的工業(yè)塑料n設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高 液態(tài)樹脂材料和激光器的價(jià)格較高n使用的材料較少 目前可用的材料主要為感光性的液態(tài)樹脂材料n液態(tài)樹脂有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時(shí)有局限性n需要二次固化 經(jīng)快

6、速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完全被激光固化。 第一節(jié)第一節(jié) 光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)1光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備3光固化成型的工藝過程光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù)35第二章第二章 光固化快速成型工藝光固化快速成型工藝 快速成型材料及設(shè)備一直是快速成型技術(shù)研究與開發(fā)的核心，也是快速成型技術(shù)重要組成部分?？焖俪尚筒牧现苯記Q定著快速成型技術(shù)制作的模型的性能及適用性，而快速成型

7、制造設(shè)備可以說是相應(yīng)的快速成型技術(shù)方法以及相關(guān)材料等研究成果的集中體現(xiàn)，快速成型設(shè)備系統(tǒng)的先進(jìn)程度標(biāo)志著快速成型技術(shù)發(fā)展的水平。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備v 2.2.1 2.2.1 光固化快速成型材料光固化快速成型材料1. 光固化材料優(yōu)點(diǎn)及分類光固化材料優(yōu)點(diǎn)及分類 光固化材料是一種既古老又嶄新的材料，與一般固化材料比較，光固化材料具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）固化快 可在幾秒鐘內(nèi)固化，可應(yīng)用于要求立刻固化的場合。（2）不需要加熱 這一點(diǎn)對于某些不能耐熱的塑料、光學(xué)、電子零件來說十分有用。（3）可配成無溶劑產(chǎn)品 使用溶劑會(huì)涉及到許多環(huán)境問題和審批手續(xù)問題，因此每個(gè)工業(yè)部

8、門都力圖減少使用溶劑。（4）節(jié)省能量。 各種光源的效率都高于烘箱。（5）可使用單組分，無配置問題，使用周期長。（6）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作及固化，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，從而提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 用于光固化快速成型的材料為液態(tài)光固化樹脂，或稱液態(tài)光敏樹脂。光固化樹脂材料中主要包括齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑及光引發(fā)劑。根據(jù)光引發(fā)劑的引發(fā)機(jī)理，光固化樹脂可以分為三類： (1)自由基光固化樹脂自由基光固化樹脂 主要有三類：第一類為環(huán)氧樹脂丙烯酸酯，該類材料聚合快、原型強(qiáng)度高但脆性大且易泛黃；第二類為聚酯丙烯酸酯，該類材料流平和固化好，性能可調(diào)節(jié)；

9、第三類材料為聚氨酯丙烯酸酯，該類材料生成的原型柔順性和耐磨性好，但聚合速度慢。稀釋劑包括多官能度單體與單官能度單體兩類。此外，常規(guī)的添加劑還有阻聚劑、UV穩(wěn)定劑、消泡劑、流平劑、光敏劑、天然色素等。其中的阻聚劑特別重要，因?yàn)樗梢员ＷC液態(tài)樹脂在容器中保持較長的存放時(shí)間。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 (2)陽離子光固化樹脂陽離子光固化樹脂 主要成分為環(huán)氧化合物。用于光固化工藝的陽離子型齊聚物和活性稀釋劑通常為環(huán)氧樹脂和乙烯基醚。環(huán)氧樹脂是最常用的陽離子型齊聚物，其優(yōu)點(diǎn)如下： 1）固化收縮小，預(yù)聚物環(huán)氧樹脂的固化收縮率為2%3%，而自由基光固化樹脂的預(yù)聚物丙烯酸酯

10、的固化收縮率為5%7%。 2）產(chǎn)品精度高。 3）陽離子聚合物是活性聚合，在光熄滅后可繼續(xù)引發(fā)聚合。 4）氧氣對自由基聚合有阻聚作用，而對陽離子樹脂則無影響。 5）粘度低。 6）生坯件強(qiáng)度高。 7）產(chǎn)品可以直接用于注塑模具。 第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 (3)混雜型光固化樹脂混雜型光固化樹脂 目前的趨勢是使用混雜型光固化樹脂。其優(yōu)點(diǎn)主要有： 1）環(huán)狀聚合物進(jìn)行陽離子開環(huán)聚合時(shí)，體積收縮很小甚至產(chǎn)生膨脹，而自由基體系總有明顯的收縮?；祀s型體系可以設(shè)計(jì)成無收縮的聚合物。 2）當(dāng)系統(tǒng)中有堿性雜質(zhì)時(shí)，陽離子聚合的誘導(dǎo)期較長，而自由基聚合的誘導(dǎo)期較短，混雜型體系可以提供

11、誘導(dǎo)期短而聚合速度穩(wěn)定的聚合系統(tǒng)。 3）在光照消失后陽離子仍可引發(fā)聚合，故混雜體系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合終結(jié)的缺點(diǎn)。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備2. 光敏樹脂的組成及其光固化特性分析光敏樹脂的組成及其光固化特性分析 （1 1）光敏樹脂）光敏樹脂 用于光固化快速成型的材料為液態(tài)光敏樹脂，主要由齊聚物齊聚物、光引光引發(fā)劑發(fā)劑、稀釋劑稀釋劑組成。 齊聚物齊聚物是光敏樹脂的主體，是一種含有不飽和官能團(tuán)的基料，它的末端有可以聚合的活性基團(tuán)，一旦有了活性種，就可以繼續(xù)聚合長大，一經(jīng)聚合，分子量上升極快，很快就可成為固體。 光引發(fā)劑光引發(fā)劑是激發(fā)光敏樹脂交聯(lián)

12、反應(yīng)的特殊基團(tuán)，當(dāng)受到特定波長的光子作用時(shí)，會(huì)變成具有高度活性的自由基團(tuán)，作用于基料的高分子聚合物，使其產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，由原來的線狀聚合物變?yōu)榫W(wǎng)狀聚合物，從而呈現(xiàn)為固態(tài)。光引發(fā)劑的性能決定了光敏樹脂的固化程度和固化速度。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 稀釋劑稀釋劑是一種功能性單體，結(jié)構(gòu)中含有不飽和雙鍵，如乙烯基、烯丙基等，可以調(diào)節(jié)齊聚物的粘度，但不容易揮發(fā)，且可以參加聚合。稀釋劑一般分為單官能度、雙官能度和多官能度。 當(dāng)光敏樹脂中的光引發(fā)劑被光源(特定波長的紫外光或激光)照射吸收能量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由基或陽離子，自由基或陽離子使單體和活性齊聚物活化，從而發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而

13、生成高分子固化物。由于齊聚物和稀釋劑的分子上一般都含有兩個(gè)以上可以聚合的雙鍵或環(huán)氧基團(tuán)，因此聚合得到的不是線性聚合物，而是一種交聯(lián)的體形結(jié)構(gòu)，其過程可以表示為：活性種或激光紫外光光引發(fā)劑PPI交聯(lián)高分子固體齊聚物單體P第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 （2 2）光敏樹脂的光固化特性分析）光敏樹脂的光固化特性分析 在激光照射下，光敏樹脂從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，達(dá)到一種凝膠態(tài)。凝膠態(tài)是一種液態(tài)和固態(tài)之間的臨界狀態(tài)，此時(shí)，粘度無限大，模量(Y)為零。激光的曝光量(E)必須超過一定的閾值(EC)，當(dāng)曝光量低于值EC時(shí)，由于氧的阻聚作用，光引發(fā)劑與空氣中的氧發(fā)生作用，而不與單體作

14、用，液態(tài)樹脂就無法固化。當(dāng)曝光量超過閾值后，樹脂的模量按負(fù)指數(shù)規(guī)律向該樹脂的極限模量逼近，模量與曝光量的關(guān)系為： 式中，為樹脂的模量曝光量常數(shù)；Ymax為樹脂的極限模量；EC為樹脂的臨界曝光量；KP為比例常數(shù)。 CEEY，1EEexp1EE0EYCmaxCmaxCPYEK第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 激光快速成型系統(tǒng)中所用的光源為激光。激光是一種單色光，具有單一的波長，因此，式中的EC和均為常數(shù)。液態(tài)光敏樹脂對激光的吸收一般符合Beer-Lambert規(guī)則，即激光的能量沿照射深度成負(fù)指數(shù)衰減，如圖2-4所示。圖圖2-4 樹脂對激光的吸收特性樹脂對激光的吸收特性

15、第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備3.3.光固化成型材料介紹光固化成型材料介紹 下面分別介紹Vantico公司、3D Systems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、適用場合以及選擇方案等。（1）Vantico公司的公司的SL系列系列 下表給出了Vantico公司提供的光固化樹脂在各種3D Systems公司光固化快速成型系統(tǒng)和原型不同的使用性能和要求情況下的光固化成型材料的選擇方案。 第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快

16、速成型材料及設(shè)備（2）3D Systems 公司的公司的Accura系列系列 3D Systems公司的ACCURA系列光固化成型材料主要有用于SLA Viper si2、SLA3500、SLA5000和SLA7000系統(tǒng)的ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40 Nd系列型號和用于SLA250、SLA500系統(tǒng)的SI40 Hc & AR型號等。 部分3D Systems 公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備（3）3D

17、 Systems 公司的公司的RenShape系列系列 3D Systems公司研制的RenShape7800樹脂主要面向成型精確及耐久性要求較高的光固化快速原型，在潮濕環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度持久性較好，粘度較低，易于層間涂覆及后處理時(shí)粘附的表層液態(tài)樹脂的流干，適用于高質(zhì)量的熔模鑄造的母模、概念模型、功能模型及一般用途的制件等。RenShape7810樹脂與RenShape7800樹脂的用途類似，制作的模型性能類似于ABS，用于制作尺寸穩(wěn)定性較好的高精度高強(qiáng)度模型，適于真空注型模具的母模、概念模型、功能模型及一般用途的制件等。RenShape7820樹脂固化后的模型顏色為黑色，適于制作消費(fèi)品包

18、裝、電子產(chǎn)品外殼及玩具等。RenShape7840樹脂固化后的模型呈象牙白色，性能類PP塑料，具有較好的延展性及柔韌性，適于尺寸較大的概念模型。RenShape7870樹脂制作的模型強(qiáng)度與耐久性都較好，透明性優(yōu)異，適于高質(zhì)量的熔模鑄造的母模、大尺寸物理性能與力學(xué)性能都較好的透明模型或制件的制作等。 上述3D Systems 公司的RenShape系列材料的性能如下表所示。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 （4）DSM公司的公司的SOMOS系列系列 DSM公司的SOMOS系列環(huán)氧樹脂主要是面向光固化快速成

19、型開發(fā)的系列材料，部分型號的性能及主要指標(biāo)如下表所示。 第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備v 2.2.2 2.2.2 光固化快速成型設(shè)備光固化快速成型設(shè)備 20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想。Charles Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為SLA-1的完整系統(tǒng)。同年，Charles Hu

20、ll和UVP的股東們一起建立了3D Systems公司，并于1988年首次推出SLA-250機(jī)型，如圖所示。 圖圖2-5 3D Systems公司的公司的SLA-250機(jī)型機(jī)型第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 目前，研究光固化成型（SLA）設(shè)備的單位有美國的3D Systems公司、Aaroflex公司，德國的EOS公司、F&S公司，法國的Laser 3D公司，日本的SONY/D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Denken Engieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，以色列的Cubital公司以及國內(nèi)的西安交通大學(xué)

21、、上海聯(lián)泰科技有限公司、華中科技大學(xué)等。 在上述研究SLA設(shè)備的眾多公司中，美國3D Systems公司的SLA技術(shù)在國際市場上占的比例最大。3D Systems公司在繼1988年推出第一臺商品化設(shè)備SLA-250以來，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三種機(jī)型，在光固化成型設(shè)備技術(shù)方面有了長足的進(jìn)步。其中，SLA3500和SLA5000使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器，掃描速度分別達(dá)到2.54m/sec和5m/sec，成層厚最小可達(dá)0.05mm。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 此外，還采用了一種稱之為Zephyer recoatin

22、g system的新技術(shù)，該技術(shù)是在每一成型層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.050.1mm的待固化樹脂，使成型時(shí)間平均縮短了20%。SLA3500和SLA5000兩種型號設(shè)備如圖2-6和圖2-7所示。該公司于1999年推出SLA7000機(jī)型，如圖2-8所示。SLA7000與SLA5000機(jī)型相比，成型體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達(dá)9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型層厚最小可達(dá)0.025mm，精度提高了一倍。3D Systems公司推出的較新的機(jī)型還有Vipersi2 SLA（如圖2-9所示）及Viper Pro SLA系統(tǒng)。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光

23、固化快速成型材料及設(shè)備圖圖2-6 3D Systems公司的公司的 SLA-3500機(jī)型機(jī)型圖圖2-7 3D Systems公司的公司的 SLA-5000機(jī)型機(jī)型第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備圖圖2-8 3D Systems公司的公司的SLA-7000機(jī)型機(jī)型圖圖2-9 3D Systems公司的公司的Vipersi2SLA機(jī)型機(jī)型第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備圖圖2-10 3D Systems公司的公司的Viper Pro SLA機(jī)型機(jī)型第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 國內(nèi)西安交通大學(xué)在光固化成型

24、技術(shù)、設(shè)備、材料等方面進(jìn)行了大量的研究工作，推出了自行研制與開發(fā)的SPS、LPS、和CPS三種機(jī)型，每種機(jī)型有不同的規(guī)格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成型機(jī)如圖所示。圖圖2-11 SPS600成型機(jī)成型機(jī) 圖圖2-12 LPS600成型機(jī)成型機(jī) 第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 西安交通大學(xué)光固化成型機(jī)主要性能指標(biāo)與技術(shù)特征: 該成型機(jī)激光器、掃描與光聚焦系統(tǒng)兩關(guān)鍵部件從國外引進(jìn)，掃描速度SPS最大可達(dá)7m/s、LPS可達(dá)2m/s，精度達(dá)0.1mm；全范圍掃描分辨率達(dá)3.6m，整機(jī)控制精度達(dá)50m，高于國外同類機(jī)器水平，保證了可

25、靠性；掃描光斑直徑=0.2mm，SPS激光壽命5000h，LPS激光壽命2000h，與國外水平相同。 采用了快速排序分層法，大大加快分層速度，且具有對分層數(shù)據(jù)自動(dòng)診斷和修復(fù)功能。 國際上創(chuàng)新的YLSF成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型件制作質(zhì)量。優(yōu)于美國3D Systems公司的工藝方法；拐角誤差采用自適應(yīng)延時(shí)控制，較少了輪廓誤差的影響，此為國際首創(chuàng)。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 零件成型精度達(dá)0.1mm(100mm)，與國外水平相同；樣件測試尺寸合格率達(dá)到美國3D Systems公司SLA系列機(jī)器的水平，高于日本CMET公司Soup型機(jī)器的水平。

26、 不同材料與結(jié)構(gòu)，可調(diào)整回流量，從而改善涂層質(zhì)量，此為國際首創(chuàng)；且可以采用不同公司、不同牌號的樹脂，有良好的兼容性和開放性。優(yōu)于美國3D Systems公司、日本CMET公司的同類產(chǎn)品。 零件模型管理和成型數(shù)據(jù)生成軟件在Windows95下自主開發(fā)、整機(jī)自制，用戶界面全部漢化，具有優(yōu)異的交互性和易學(xué)性。而且三維STL模型的檢視、分層過程與編輯、支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)全部實(shí)現(xiàn)了圖視化操作；而成型控制軟件是在DOS下開發(fā)，保證滿足了控制的實(shí)時(shí)性要求，操作界面全部漢化和圖視化。第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備 上海聯(lián)泰科技有限公司開發(fā)的光固化成型設(shè)備主要有RS-350H、RS-

27、350S、RS-600H和RS-600S等機(jī)型。圖圖2-13 RS-600S光固化成型機(jī)光固化成型機(jī)第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備1光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備3光固化成型的工藝過程光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù)35第二章第二章 光固化快速成型工藝光固化快速成型工藝

28、光固化快速原型的制作一般可以分為前處理、原型制作和后處理三個(gè)階段。1.1.前處理前處理 前處理階段主要是對原型的CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、擺放方位確定、施加支撐和切片分層，實(shí)際上就是為原型的制作準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。下面以某一小扳手的制作來介紹光固化原型制作的前處理過程。第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程 （1 1）CADCAD三維造型三維造型 三維實(shí)體造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必須的原始數(shù)據(jù)源。沒有CAD三維數(shù)字模型，就無法驅(qū)動(dòng)模型的快速原型制作。CAD模型的三維造型可以在UG、Pro/E、Catia等大型CAD軟件以及許多小型的CAD軟件上實(shí)現(xiàn)，圖2-14a

29、給出的是小扳手在UG NX2.0上的三維造型。 （2 2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是對產(chǎn)品CAD模型的近似處理，主要是生成STL格式的數(shù)據(jù)文件。STL數(shù)據(jù)處理實(shí)際上就是采用若干小三角形片來逼近模型的外表面，如圖2-14b所示。這一階段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)都有STL數(shù)據(jù)的輸出。第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程 （3 3）確定擺放方位）確定擺放方位 擺放方位的處理是十分重要的，不但影響著制作時(shí)間和效率，更影響著后續(xù)支撐的施加以及原型的表面質(zhì)量等，因此，擺放方位的確定需要綜合考慮上述各種因素。一般情況下，從縮短原型

30、制作時(shí)間和提高制作效率來看，應(yīng)該選擇尺寸最小的方向作為疊層方向。但是，有時(shí)為了提高原型制作質(zhì)量以及提高某些關(guān)鍵尺寸和形狀的精度，需要將最大的尺寸方向作為疊層方向擺放。有時(shí)為了減少支撐量，以節(jié)省材料及方便后處理，也經(jīng)常采用傾斜擺放。確定擺放方位以及后續(xù)的施加支撐和切片處理等都是在分層軟件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。對于上述的小扳手，由于其尺寸較小，為了保證軸部外徑尺寸以及軸部內(nèi)孔尺寸的精度，選擇直立擺放，如圖2-14c所示。同時(shí)考慮到盡可能減小支撐的批次，大端朝下擺放。第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程 （4 4）施加支撐）施加支撐 擺放方位確定后，便可以進(jìn)行支撐的施加了。施加支撐是

31、光固化快速原型制作前處理階段的重要工作。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，支撐的施加是費(fèi)時(shí)而精細(xì)的。支撐施加的好壞直接影響著原型制作的成功與否及制作的質(zhì)量。支撐施加可以手工進(jìn)行，也可以軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的支撐施加一般都要經(jīng)過人工的核查，進(jìn)行必要的修改和刪減。為了便于在后續(xù)處理中支撐的去除及獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，目前，比較先進(jìn)的支撐類型為點(diǎn)支撐，即在支撐與需要支撐的模型面是點(diǎn)接觸，圖2-14d示意的支撐結(jié)構(gòu)就是點(diǎn)支撐。第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程a) CAD三維原始模型三維原始模型 b) CAD模型的模型的STL數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型 光光固固化化快快速速原原型型前前處處

32、理理 c) 模型的擺放方位模型的擺放方位 d) 模型施加支撐模型施加支撐 圖圖2-14模型模型支撐支撐工作臺工作臺第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程模型模型工作臺工作臺 支撐在快速成型制作中是與原型同時(shí)制作的，支撐結(jié)構(gòu)除了確保原型的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠固定之外，還有助于減少原型在制作過程中發(fā)生的翹曲變形。從圖2-15還可見，在原型的底部也設(shè)計(jì)和制作了支撐結(jié)構(gòu)，這是為了成型完畢后能方便地從工作臺上取下原型，而不會(huì)使原型損壞。成型過程完成后，應(yīng)小心地除去上述支撐結(jié)構(gòu)，從而得到最終所需的原型。 圖圖2-15 支撐結(jié)構(gòu)示意圖支撐結(jié)構(gòu)示意圖 第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝

33、過程光固化成型工藝的工藝過程 支撐結(jié)構(gòu)的作用和類型：支撐結(jié)構(gòu)的作用和類型： 作用：作用：支撐作用和減少翹曲變形。支撐作用和減少翹曲變形。 類型：類型：n斜支撐斜支撐主要用于支撐懸臂結(jié)構(gòu)部分，在成型過程中為懸臂主要用于支撐懸臂結(jié)構(gòu)部分，在成型過程中為懸臂提供支承，同時(shí)也約束懸臂的翹曲變形。提供支承，同時(shí)也約束懸臂的翹曲變形。 主要用于支承腿部結(jié)構(gòu)主要用于支承腿部結(jié)構(gòu) n 直支撐直支撐 n 十字壁板十字壁板主要用于孤立結(jié)構(gòu)部分的支撐。主要用于孤立結(jié)構(gòu)部分的支撐。 n 腹板腹板主要用于大面積的內(nèi)部支承主要用于大面積的內(nèi)部支承 。 第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程（5 5

34、）切片分層）切片分層 支撐施加完畢后，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)定的分層厚度沿著高度方向進(jìn)行切片，生成RP系統(tǒng)需求的SLC格式的層片數(shù)據(jù)文件，提供給光固化快速原型制作系統(tǒng)，進(jìn)行原型制作。圖2-17給出的是該扳手的光固化原型。圖圖2-17 某手柄的光固化快速原型某手柄的光固化快速原型第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程v2.2.原型制作原型制作 光固化成型過程是在專用的光固化快速成型設(shè)備系統(tǒng)上進(jìn)行。在原型制作前，需要提前啟動(dòng)光固化快速成型設(shè)備系統(tǒng)，使得樹脂材料的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的合理溫度，激光器點(diǎn)燃后也需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，啟動(dòng)原型制作控制軟件，讀入前處理生成的層片數(shù)據(jù)文

35、件。 在模型制作之前，要注意調(diào)整工作臺網(wǎng)板的零位與樹脂液面的位置關(guān)系，以確保支撐與工作臺網(wǎng)板的穩(wěn)固連接。當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后，就可以啟動(dòng)疊層制作了。整個(gè)疊層的光固化過程都是在軟件系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成的，所有疊層制作完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)停止。圖2-18給出的是SPS600光固化成型設(shè)備在進(jìn)行光固化疊層制作時(shí)的界面。界面顯示了激光能源的某些信息、激光掃描速度、原型幾何尺寸、總的疊層數(shù)、目前正在固化的疊層、工作臺升降速度等有關(guān)信息。第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程圖圖2-18 SPS600光固化成型設(shè)備控制軟件界面光固化成型設(shè)備控制軟件界面第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程

36、光固化成型工藝的工藝過程v3.3.后處理后處理 在快速成型系統(tǒng)中原型疊層制作完畢后，需要進(jìn)行剝離等后續(xù)處理工作，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)等。對于光固化成型方法成型的原型，還需要進(jìn)行后固化處理等，下面以某一SLA原型為例給出其后續(xù)處理的步驟和過程。第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程 原型疊層制作結(jié)束后，工作臺升出液面，停留原型疊層制作結(jié)束后，工作臺升出液面，停留510min，以晾干多余的樹脂。，以晾干多余的樹脂。 將原型和工作臺一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等將原型和工作臺一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液體中，攪動(dòng)并刷掉殘留的氣泡。持續(xù)清洗液體中，攪動(dòng)并刷掉殘留的氣泡

37、。持續(xù)45min左右左右后放入水池中清洗工作臺約后放入水池中清洗工作臺約5min。 12第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程從外向內(nèi)從工作臺上取下原型，并去除支撐從外向內(nèi)從工作臺上取下原型，并去除支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 再次清洗后置于紫外烘箱中進(jìn)行整體后固化。再次清洗后置于紫外烘箱中進(jìn)行整體后固化。 34第三節(jié)第三節(jié) 光固化成型工藝的工藝過程光固化成型工藝的工藝過程1光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備3光固化成型的工藝過程光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微

38、光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù)35第二章第二章 光固化快速成型工藝光固化快速成型工藝v 2.4.1 光固化成型中樹脂收縮變形光固化成型中樹脂收縮變形 樹脂在固化過程中都會(huì)發(fā)生收縮，通常其體收縮率約為10%，線收縮率約為3%。從分子學(xué)角度講，光敏樹脂的固化過程是從短的小分子體向長鏈大分子聚合體轉(zhuǎn)變的過程，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，因此，固化過程中的收縮是必然的。 樹脂收縮主要有兩部分組成:一部分是固化收縮，另外一部分是當(dāng)激光掃描到液體樹脂表面時(shí)由于溫度變化引起的熱脹冷縮。常用樹脂的熱膨脹系數(shù)為10-4左右，同時(shí)，溫度升高的區(qū)域面積很小，因此溫度變化引起的收縮量極小，可以忽略不計(jì)。

39、（1）零件成型過程中樹脂收縮產(chǎn)生的變形）零件成型過程中樹脂收縮產(chǎn)生的變形 （2）后固化時(shí)收縮產(chǎn)生的變形）后固化時(shí)收縮產(chǎn)生的變形 后固化收縮量占總收縮量的25%40%左右。第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v 2.4.2 光固化快速成型的精度光固化快速成型的精度 光固化成型的精度一直是設(shè)備研制和用戶制作原型過程中密切關(guān)注的問題。光固化快速成型技術(shù)發(fā)展到今天，其原型的精度一直是人們持續(xù)需要解決的難題?？刂圃偷穆N曲變形和提高原型的尺寸精度及表面精度一直是研究領(lǐng)域的核心問題之一。原型的精度一般包括形狀精度、尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形狀、尺寸和表面相互位置三個(gè)方面與

40、設(shè)計(jì)要求的符合程度。形狀誤差主要有：翹曲、扭曲變形、橢圓度誤差及局部缺陷等；尺寸誤差是指成型件與CAD模型相比，在x、y、z三個(gè)方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由疊層累加產(chǎn)生的臺階誤差及表面粗糙度等。第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 影響光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型過程中的數(shù)據(jù)處理、成型過程中光敏樹脂的固化收縮、光學(xué)系統(tǒng)及激光掃描方式等。按照成型機(jī)的成型工藝過程，可以將產(chǎn)生成型誤差的因素按下圖所示分類。第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率圖圖2-20 光固化成型誤差光固化成型誤差v 1. 幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤

41、差 在成型過程開始前，必須對實(shí)體的三維CAD模型進(jìn)行STL格式化及切片分層處理，以便得到加工所需的一系列的截面輪廓信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)帶來誤差。如圖2-22所示。 措施（措施（1）：直接切片）：直接切片 為減小幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差，較好的辦法是開發(fā)對CAD實(shí)體模型進(jìn)行直接分層的方法，在商用軟件中，Pro/Engineer具有直接分層的功能，如圖2-23所示。 圖圖2-22 弦差導(dǎo)致截面輪廓線誤差弦差導(dǎo)致截面輪廓線誤差圖圖2-23 Pro/E對實(shí)體的三維對實(shí)體的三維 CAD模型直接分層模型直接分層第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 措施（措施（2）：自適應(yīng)分層）：自

42、適應(yīng)分層 切層的厚度直接影響成型件的表面光潔度。因此，必須仔細(xì)選擇切層厚度，有關(guān)學(xué)者采用不同算法進(jìn)行了自適應(yīng)分層方法的研究，即在分層方向上，根據(jù)零件輪廓的表面形狀，自動(dòng)地改變分層厚度，以滿足零件表面精度的要求，當(dāng)零件表面傾斜度較大時(shí)選取較小的分層厚度，以提高原型的成形精度；反之則選取較大的分層厚度，以提高加工效率，如圖2-25所示。 圖圖2-25 自適應(yīng)分層自適應(yīng)分層 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v 2. 成型過程中材料的固化收縮引起的翹曲變形成型過程中材料的固化收縮引起的翹曲變形 光固化成型工藝中，液態(tài)光敏樹脂在固化過程中都會(huì)發(fā)生收縮，收縮會(huì)在工件內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，

43、沿層厚從正在固化的層表面向下，隨固化程度不同，層內(nèi)應(yīng)力呈梯度分布。在層與層之間，新固化層收縮時(shí)要受到層間粘合力限制。層內(nèi)應(yīng)力和層間應(yīng)力的合力作用致使工件產(chǎn)生翹曲變形。 措施如下：措施如下： （1）成型工藝的改進(jìn) （2）樹脂配方的改進(jìn) 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v 3. 樹脂涂層厚度對精度的影響樹脂涂層厚度對精度的影響 在成型過程中要保證每一層鋪涂的樹脂厚度一致，當(dāng)聚合深度小于層厚時(shí)，層與層之間將粘合不好，甚至?xí)l(fā)生分層；如果聚合深度大于層厚時(shí)，將引起過固化，而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，引起翹曲變形，影響成型精度。在掃描面積相等的條件下，固化層越厚，則固化的體積越大，層

44、間產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，故而為了減小層間應(yīng)力，就應(yīng)該盡可能地減小單層固化深度，以減小固化體積。 措施如下： 二次曝光法多次反復(fù)曝光后的固化深度與以多次曝光量之和進(jìn)行一次曝光的固化深度是等效的。 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v 4. 光學(xué)系統(tǒng)對成型精度的影響光學(xué)系統(tǒng)對成型精度的影響 在光固化成型過程中，成型用的光點(diǎn)是一個(gè)具有一定直徑的光斑，因此實(shí)際得到的制件是光斑運(yùn)行路徑上一系列固化點(diǎn)的包絡(luò)線形狀。如果光斑直徑過大，有時(shí)會(huì)丟失較小尺寸的零件細(xì)微特征，如在進(jìn)行輪廓拐角掃描時(shí)，拐角特征很難成型出來，如圖2-26所示。聚焦到液面的光斑直徑大小以及光斑形狀會(huì)直接影響加工分辨率和

45、成型精度。圖圖2-26 輪廓拐角處的掃描輪廓拐角處的掃描 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 措施（措施（1）：光路校正）：光路校正 在SLA系統(tǒng)中，掃描器件采用雙振鏡模塊(圖2-27中a和b)，設(shè)置在激光束的匯聚光路中，由于雙振鏡在光路中前后布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成掃描軌跡在x軸向的“枕形”畸變，當(dāng)掃描一方形圖形時(shí)，掃描軌跡并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方形，而是出現(xiàn)圖2-28中的“枕形”畸變。“枕形”畸變可以通過軟件校正。圖圖2-28 枕形畸變示意圖枕形畸變示意圖 圖圖2-27 振鏡掃描系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖振鏡掃描系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 措

46、施（措施（2）：光斑校正）：光斑校正 雙振鏡掃描的另一個(gè)缺陷是，光斑掃描軌跡構(gòu)成的像場是球面，與工作面不重合，產(chǎn)生聚焦誤差或z軸誤差。聚焦誤差可以通過動(dòng)態(tài)聚焦模塊得到校正，動(dòng)態(tài)聚焦模塊可在振鏡掃描過程中同步改變模塊焦距，調(diào)整焦距位置，實(shí)現(xiàn)z軸方向掃描，與雙振鏡構(gòu)成一個(gè)三維掃描系統(tǒng)。聚焦誤差也可以用透鏡前掃描和透鏡進(jìn)行校正，掃描器位于透鏡之前，激光束掃描后射在聚焦透鏡的不同部位，并在其焦平面上形成直線軌跡與工作平面重合,如圖2-27所示。這樣可以保證激光聚焦焦點(diǎn)在光敏樹脂液面上，使達(dá)到光敏樹脂液面的激光光斑直徑小，且光斑大小不變。圖圖2-29 f透鏡掃描透鏡掃描 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及

47、效率光固化成型的精度及效率v 5. 激光掃描方式對成型精度的影響激光掃描方式對成型精度的影響 掃描方式與成型工件的內(nèi)應(yīng)力有密切關(guān)系，合適的掃描方式可減少零件的收縮量，避免翹曲和扭曲變形，提高成型精度。 SLA工藝成形時(shí)多采用方向平行路徑進(jìn)行實(shí)體填充，即每一段填充路徑均互相平行，在邊界線內(nèi)往復(fù)掃描進(jìn)行填充，也稱為Z字形（Zig-Zag）或光柵式掃描方式，如圖2-30a所示。但在掃描一行的過程中，掃描線經(jīng)過型腔時(shí)，掃描器以跨越速度快速跨過。這種掃描方式，需頻繁跨越型腔部分，一方面空行程太多，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“拉絲”現(xiàn)象(空行程中樹脂感光固化成絲狀)；另一方面掃描系統(tǒng)頻繁地在填充速度和快進(jìn)速度之間變換，

48、會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，激光器要頻繁進(jìn)行開關(guān)切換，降低了加工效率。第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 圖2-30b中采用分區(qū)掃描方式，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)采用連貫的Zig-Zag掃描方式，激光器掃描至邊界即回折反向填充同一區(qū)域，并不跨越型腔部分；只有從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)區(qū)域時(shí)，才快速跨越。這種掃描方式可以省去激光開關(guān)，提高成型效率，并且由于采用分區(qū)后分散了收縮應(yīng)力，減小了收縮變形，提高了成型精度。a) 順序往復(fù)掃描順序往復(fù)掃描 b)分區(qū)域往復(fù)掃描分區(qū)域往復(fù)掃描圖圖2-30 Z字形掃描方式字形掃描方式第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 光柵式掃描又可分

49、為長光柵式掃描和短光柵式掃描。應(yīng)用模擬和試驗(yàn)的方法掃描加工懸臂梁，結(jié)果表明與長光柵式掃描相比較采用短光柵式掃描更能減小扭曲變形。采用跳躍光柵式掃描方式（如圖2-31所示）能有效的提高成型精度，因?yàn)樘S光柵式掃描方式可以使已固化區(qū)域有更多的冷卻時(shí)間，從而減小了熱應(yīng)力。a) 跳躍長光柵式掃描方式跳躍長光柵式掃描方式 b)跳躍短光柵式掃描方式跳躍短光柵式掃描方式圖圖2-31 跳躍光柵式掃描方式跳躍光柵式掃描方式第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 對掃描方式的研究表明，在對平板類零件進(jìn)行掃描時(shí)易采用螺旋式掃描方式（如圖2-32所示），且從外向內(nèi)的掃描方式比從內(nèi)向外的掃描方式加工

50、生產(chǎn)的零件精度高。 b)跳躍短光柵式掃描方式跳躍短光柵式掃描方式圖圖2-32 螺旋式掃描方式螺旋式掃描方式a) 跳躍長光柵式掃描方式跳躍長光柵式掃描方式第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v 6. 光斑直徑大小對成型尺寸的影響光斑直徑大小對成型尺寸的影響 在光固化成型中，圓形光斑有一定直徑，固化的線寬等于在該掃描速度下實(shí)際光斑直徑大小。如果不采用補(bǔ)償，光斑掃描路徑如圖2-33a所示。成型的零件實(shí)體部分外輪廓周邊尺寸大了一個(gè)光斑半徑，而內(nèi)輪廓周邊尺寸小了一個(gè)光斑半徑，結(jié)果導(dǎo)致零件的實(shí)體尺寸大了一個(gè)光斑直徑，使零件出現(xiàn)正偏差。為了減小或消除實(shí)體尺寸的正偏差，通常采用光斑補(bǔ)償方

51、法，使光斑掃描路徑向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個(gè)光斑半徑，如圖2-33b所示。從理論上說，光斑掃描按照向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個(gè)光斑半徑的路徑掃描，所得零件的長度尺寸誤差為零。第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率a)未采用光斑補(bǔ)償時(shí)的掃描路徑未采用光斑補(bǔ)償時(shí)的掃描路徑 b)采用光斑補(bǔ)償時(shí)的掃描路徑采用光斑補(bǔ)償時(shí)的掃描路徑圖圖2-33 光斑尺寸及掃描路徑對制件輪廓尺寸的影響光斑尺寸及掃描路徑對制件輪廓尺寸的影響v 7. 激光功率、掃描速度、掃描間距產(chǎn)生的誤差激光功率、掃描速度、掃描間距產(chǎn)生的誤差 光固化快速成型過程是一個(gè)“線面體”的材料累積過程，為了分析掃描過程工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃

52、描間距）產(chǎn)生的誤差，首先對掃描固化過程進(jìn)行理論分析，進(jìn)而找出各個(gè)工藝參數(shù)對掃描過程的影響。第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v4.3 光固化成型的制作效率光固化成型的制作效率v1. 影響制作時(shí)間的因素影響制作時(shí)間的因素 光固化成形零件是由固化層逐層累加形成的，成形所需要的總時(shí)間由掃描固化時(shí)間及輔助時(shí)間組成，可表示為： 成形過程中，每層零件的輔助時(shí)間tp與固化時(shí)間tci的比值反映了成形設(shè)備的利用率，可以通過如下公式表示： 可以看出，當(dāng)實(shí)體體積越小，分層數(shù)越多時(shí)，輔助時(shí)間所占的比例就越大，如制作大尺寸的薄殼零件，這時(shí)成型設(shè)備的有效利用很低，因此在這種情況下，減少輔助時(shí)間對提

53、高成型效率是非常有利的。kVNtttpcip第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率pNiciNttt1v 2. 減少制作時(shí)間的方法減少制作時(shí)間的方法 針對成形零件的時(shí)間構(gòu)成，在成形過程中，可以通過改進(jìn)加工工藝、優(yōu)化掃描參數(shù)等方法，減少零件成形時(shí)間，提高加工效率，實(shí)際使用中通常采用以下幾種措施： （1 1）減少輔助成形時(shí)間）減少輔助成形時(shí)間 輔助時(shí)間與成型方法有關(guān)，一般可通過如下公式表示為： 321pppptttt 式中 工作臺升降運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間； 完成樹脂涂覆所需要的時(shí)間； 等待液面平穩(wěn)所需的時(shí)間。 可見減少升降時(shí)間、樹脂涂覆時(shí)間及等待時(shí)間，可以減少成型中的輔助時(shí)間。 1

54、pt2pt3pt第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 （2 2）層數(shù)較小的制作方向）層數(shù)較小的制作方向 零件的層數(shù)對成型時(shí)間的影響很大，對于同一個(gè)成形零件，不同的制作方向的條件下，成型時(shí)間差別較大?？焖俪尚头椒ㄖ谱髁慵r(shí)，在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量減少制作層數(shù)。 對零件制作方向進(jìn)行優(yōu)化選擇可以降低成型時(shí)間，對比不同制造方向時(shí)的成型時(shí)間，可以看出，選擇制作層數(shù)較少的制作方向，零件制作時(shí)間不同程度地減少，甚至減少了近70%的制作時(shí)間。 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率3. 掃描參數(shù)對成型效率的影響掃描參數(shù)對成型效率的影響 每一層的掃描時(shí)間可以降低零件

55、的總成型時(shí)間，提高成型效率。每一層的掃描時(shí)間與掃描速度、掃描間距、掃描方式及分層厚度有關(guān)，通常掃描方式和分層厚度是根據(jù)工藝要求確定的，每層的掃描時(shí)間取決于掃描速度及掃描間距的大小，其中掃描速度決定了單位長度的固化時(shí)間，而掃描間距的大小決定單位面積上掃描路徑的長短。 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 光固化快速成型中，光源的能量不是均勻分布的，光束的能量分布符合高斯分布曲線，光敏樹脂固化時(shí)對紫外光的吸收一般符合Beer-Lanbert規(guī)則，樹脂吸收紫外光引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，這一光化學(xué)反應(yīng)主要由Grottus-Draper和Einstein定律支配，反應(yīng)后樹脂固化，輪廓曲線近

56、似為高斯曲線，其輪廓理論曲線如圖2-38所示。 圖圖2-38 樹脂固化截面理論形狀樹脂固化截面理論形狀 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 光束固化一個(gè)平面時(shí)，固化面是由一系列相鄰的固化線相互粘結(jié)而組成。由于樹脂固化線的寬度大于掃描間距(通常0.1mm)，成型中相鄰掃描線之間產(chǎn)生部分重疊，圖2-39是一個(gè)平面固化時(shí)的示意圖,相鄰固化線之間的重疊部分的大小決定于光斑的直徑和掃描間距的大小，實(shí)際成型中相鄰固化線之間有較大的重疊，因此可以采用較大的掃描間距，相鄰固化線之間仍然可以有效地相互粘結(jié)。圖圖2-39 相鄰固化線的重合相鄰固化線的重合 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效

57、率光固化成型的精度及效率 掃描間距的提高縮短了紫外光在固化平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的掃描距離，表2-8為不同的掃描間距下零件的制作時(shí)間，當(dāng)掃描間距提高到0.2mm時(shí)，這時(shí)零件的制作時(shí)間只有間距為0.1mm時(shí)的52%62%，成型時(shí)間減少接近一半，而當(dāng)掃描間距提高到0.3mm時(shí)，制作時(shí)間只有間距0.1mm時(shí)的40%左右，即在同樣的制作條件下，適當(dāng)提高固化成型中的掃描間距，可以有效減少零件制作時(shí)間，提高制作效率。 第四節(jié)第四節(jié) 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率1光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)光固化快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)2光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料及設(shè)備3光固化成型的工藝過

58、程光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù)35第二章第二章 光固化快速成型工藝光固化快速成型工藝 在微電子和生物工程等領(lǐng)域，制件一般要求具有微米級或亞微米級的細(xì)微結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的SLA工藝技術(shù)無法滿足這一領(lǐng)域的需求。尤其在近年來，MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）和微電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造成為具有極大研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱點(diǎn)。微光固化快速成型-SL（Micro Stereolithography）便是在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)方法基礎(chǔ)上，面向微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造需求而提出的一

59、種新型的快速成型技術(shù)。目前提出并實(shí)現(xiàn)的-SL技術(shù)主要包括基于單光子吸收效應(yīng)的-SL技術(shù)和基于雙光子吸收效應(yīng)的-SL技術(shù)，可將傳統(tǒng)的SLA技術(shù)成型精度提高到亞微米級，開拓了快速成型技術(shù)在微機(jī)械制造方面的應(yīng)用。第五節(jié)第五節(jié) 微光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù)v 1. 基于單光子吸收效應(yīng)的基于單光子吸收效應(yīng)的-SL技術(shù)技術(shù) 光固化過程中，樹脂分子對光能的吸收是以單個(gè)光子為單位的，因此被稱為“單光子吸收光聚合反應(yīng)”，簡稱為SPA（Single-Photon Absorbed Photopolymerization）。 以單光子吸收（SPA）效應(yīng)為反應(yīng)機(jī)理的SLA技術(shù)，其成型精度取決于光斑

60、大小、固化時(shí)間、固化層厚度等工藝參數(shù)，目前可以達(dá)到0.1mm的精度。如果優(yōu)化光路系統(tǒng)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，可以將SLA的精度提高到微米級，使光固化成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)微米級的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，即能夠?qū)崿F(xiàn)-SL技術(shù)。 目前，以SPA效應(yīng)為反應(yīng)機(jī)理的-SL技術(shù)有兩種主要的成型模式：掃描式-SL（Scanning Micro Stereolithography）和遮光板投影式-SL（Mask Projection Micro Stereolithography）。第五節(jié)第五節(jié) 微光固化快速成型制造技術(shù)微光固化快速成型制造技術(shù) （1）掃描式）掃描式-SL 掃描式-SL和傳統(tǒng)的SLA技術(shù)原理相同，但采用的控制系統(tǒng)和傳動(dòng)控制更為精確