教學第二章-光固化快速成型工藝課件

快速成型與快速模具制造技術及其應用

第二章光固化快速成型工藝機械工業(yè)出版社（第三版）2020/12/271快速成型與快速模具制造技術及其應用第二章光固化

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，也有時被簡稱為SLA（StereoLithographyApparatus），該工藝是由CharlesHull于1984年獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的快速成型技術。自從1988年3DSystems公司最早推出SLA商品化快速成型機SLA-250以來，SLA已成為目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種快速成型工藝方法。它以光敏樹脂為原料，通過計算機控制紫外激光使其凝固成型。這種方法能簡捷、全自動地制造出表面質量和尺寸精度較高、幾何形狀較復雜的原型。第二章光固化成型工藝2020/12/272光固化快速成型工藝，也常被稱為立體1光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設備3光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術35第二章光固化快速成型工藝2020/12/2731光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設圖2-1光固化快速成型工藝原理第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點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行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，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，然后進行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。2.1光固化成型的基本原理

2020/12/274圖2-1光固化快速成型工藝原理第一節(jié)光固化快速成型工因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短時間內迅速流平，這將會影響實體的精度。采用刮板刮切后，所需數量的樹脂便會被十分均勻地凃敷在上一疊層上，這樣經過激光固化后可以得到較好的精度，使產品表面更加光滑和平整。圖2-2光固化成型制造過程中殘留的多余樹脂圖2-3吸附式涂層結構

第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點2020/12/275因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液2.2光固化成型技術的特點

優(yōu)點：成型過程自動化程度高SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開始后，成型過程可以完全自動化，直至原型制作完成。尺寸精度高

SLA原型的尺寸精度可以達到±0.1mm。

優(yōu)良的表面質量

雖然在每層固化時側面及曲面可能出現臺階，但上表面仍可得到玻璃狀的效果?？梢灾谱鹘Y構十分復雜的模型、尺寸比較精細的模型可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結構的消失型制作的原型可以一定程度地替代塑料件第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點2020/12/2762.2光固化成型技術的特點第一節(jié)光固化快速成型工藝的缺點：制件易變形成型過程中材料發(fā)生物理和化學變化較脆，易斷裂性能尚不如常用的工業(yè)塑料設備運轉及維護成本較高

液態(tài)樹脂材料和激光器的價格較高使用的材料較少

目前可用的材料主要為感光性的液態(tài)樹脂材料液態(tài)樹脂有氣味和毒性，并且需要避光保護，以防止提前發(fā)生聚合反應，選擇時有局限性需要二次固化

經快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完全被激光固化。第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點2020/12/277缺點：第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點2020/1光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設備3光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術35第二章光固化快速成型工藝2020/12/2781光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設

快速成型材料及設備一直是快速成型技術研究與開發(fā)的核心，也是快速成型技術重要組成部分。快速成型材料直接決定著快速成型技術制作的模型的性能及適用性，而快速成型制造設備可以說是相應的快速成型技術方法以及相關材料等研究成果的集中體現，快速成型設備系統(tǒng)的先進程度標志著快速成型技術發(fā)展的水平。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/279快速成型材料及設備一直是快速成型技術研究2.2.1光固化快速成型材料1.光固化材料優(yōu)點及分類

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：

（1）固化快可在幾秒鐘內固化，可應用于要求立刻固化的場合。 （2）不需要加熱這一點對于某些不能耐熱的塑料、光學、電子零件來說十分有用。 （3）可配成無溶劑產品使用溶劑會涉及到許多環(huán)境問題和審批手續(xù)問題，因此每個工業(yè)部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）可以實現自動化操作及固化，提高生產的自動化程度，從而提高生產效率和經濟效益。

第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/27102.2.1光固化快速成型材料第二節(jié)光固化快速成型材料及

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、反應性稀釋劑及光引發(fā)劑。根據光引發(fā)劑的引發(fā)機理，光固化樹脂可以分為三類：

(1)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，性能可調節(jié)；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，因為它可以保證液態(tài)樹脂在容器中保持較長的存放時間。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2711用于光固化快速成型的材料為液態(tài)光固化樹脂，或稱

(2)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)點如下：1）固化收縮小，預聚物環(huán)氧樹脂的固化收縮率為2%~3%，而自由基光固化樹脂的預聚物丙烯酸酯的固化收縮率為5%~7%。2）產品精度高。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）生坯件強度高。7）產品可以直接用于注塑模具。

第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2712(2)陽離子光固化樹脂第二節(jié)光固化快速成型材料及設備

(3)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)點主要有：1）環(huán)狀聚合物進行陽離子開環(huán)聚合時，體積收縮很小甚至產生膨脹，而自由基體系總有明顯的收縮?；祀s型體系可以設計成無收縮的聚合物。2）當系統(tǒng)中有堿性雜質時，陽離子聚合的誘導期較長，而自由基聚合的誘導期較短，混雜型體系可以提供誘導期短而聚合速度穩(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的缺點。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2713(3)混雜型光固化樹脂第二節(jié)光固化快速成型材料及設備22.光敏樹脂的組成及其光固化特性分析（1）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、光引發(fā)劑、稀釋劑組成。

齊聚物是光敏樹脂的主體，是一種含有不飽和官能團的基料，它的末端有可以聚合的活性基團，一旦有了活性種，就可以繼續(xù)聚合長大，一經聚合，分子量上升極快，很快就可成為固體。

光引發(fā)劑是激發(fā)光敏樹脂交聯反應的特殊基團，當受到特定波長的光子作用時，會變成具有高度活性的自由基團，作用于基料的高分子聚合物，使其產生交聯反應，由原來的線狀聚合物變?yōu)榫W狀聚合物，從而呈現為固態(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)光固化快速成型材料及設備2020/12/27142.光敏樹脂的組成及其光固化特性分析第二節(jié)光固化快速成

稀釋劑是一種功能性單體，結構中含有不飽和雙鍵，如乙烯基、烯丙基等，可以調節(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，會產生自由基或陽離子，自由基或陽離子使單體和活性齊聚物活化，從而發(fā)生交聯反應而生成高分子固化物。由于齊聚物和稀釋劑的分子上一般都含有兩個以上可以聚合的雙鍵或環(huán)氧基團，因此聚合得到的不是線性聚合物，而是一種交聯的體形結構，其過程可以表示為：第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2715稀釋劑是一種功能性單體，結構中含有不飽和雙鍵，（2）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)轉變，達到一種凝膠態(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，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)，當曝光量低于值EC時，由于氧的阻聚作用，光引發(fā)劑與空氣中的氧發(fā)生作用，而不與單體作用，液態(tài)樹脂就無法固化。當曝光量超過閾值后，樹脂的模量按負指數規(guī)律向該樹脂的極限模量逼近，模量與曝光量的關系為：

式中，β為樹脂的模量—曝光量常數；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。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2716（2）光敏樹脂的光固化特性分析第二節(jié)光固化快速成型材料

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β均為常數。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指數衰減，如圖2-4所示。圖2-4樹脂對激光的吸收特性第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2717激光快速成型系統(tǒng)中所用的光源為激光。激光是一種單3.光固化成型材料介紹

下面分別介紹Vantico公司、3DSystems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SL系列

下表給出了Vantico公司提供的光固化樹脂在各種3DSystems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)光固化快速成型材料及設備2020/12/27183.光固化成型材料介紹第二節(jié)光固化快速成型材料及設備20第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2719第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2719第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2720第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2720（2）3DSystems公司的Accura系列

3DSystems公司的ACCURA系列光固化成型材料主要有用于SLAVipersi2、SLA3500、SLA5000和SLA7000系統(tǒng)的ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40Nd系列型號和用于SLA250、SLA500系統(tǒng)的SI40Hc&AR型號等。部分3DSystems公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2721（2）3DSystems公司的Accura系列第二節(jié)第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2722第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2722（3）3DSystems公司的RenShape系列3DSystems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)定性和強度持久性較好，粘度較低，易于層間涂覆及后處理時粘附的表層液態(tài)樹脂的流干，適用于高質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，適于制作消費品包裝、電子產品外殼及玩具等。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樹脂制作的模型強度與耐久性都較好，透明性優(yōu)異，適于高質量的熔模鑄造的母模、大尺寸物理性能與力學性能都較好的透明模型或制件的制作等。上述3DSystems公司的RenShape系列材料的性能如下表所示。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2723（3）3DSystems公司的RenShape系列第二節(jié)第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2724第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2724

（4）DSM公司的SOMOS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型開發(fā)的系列材料，部分型號的性能及主要指標如下表所示。

第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2725（4）DSM公司的SOMOS系列第二節(jié)光固化快速成型材2.2.2光固化快速成型設備

20世紀70年代末到80年代初期，美國3M公司的AlanJ.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國UVP公司的CharlesW.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地點各自獨立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產生三維實體的新思想。CharlesHull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個能自動建造零件的稱之為SLA-1的完整系統(tǒng)。同年，CharlesHull和UVP的股東們一起建立了3DSystems公司，并于1988年首次推出SLA-250機型，如圖所示。

圖2-53DSystems公司的SLA-250機型第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/27262.2.2光固化快速成型設備圖2-53DSystem

目前，研究光固化成型（SLA）設備的單位有美國的3DSystems公司、Aaroflex公司，德國的EOS公司、F&S公司，法國的Laser3D公司，日本的SONY/D-MEC公司、TeijinSeiki公司、DenkenEngieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，以色列的Cubital公司以及國內的西安交通大學、上海聯泰科技有限公司、華中科技大學等。在上述研究SLA設備的眾多公司中，美國3DSystems公司的SLA技術在國際市場上占的比例最大。3DSystems公司在繼1988年推出第一臺商品化設備SLA-250以來，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三種機型，在光固化成型設備技術方面有了長足的進步。其中，SLA3500和SLA5000使用半導體激勵的固體激光器，掃描速度分別達到2.54m/sec和5m/sec，成層厚最小可達0.05mm。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2727目前，研究光固化成型（SLA）設備的單位有美國

此外，還采用了一種稱之為Zephyerrecoatingsystem的新技術，該技術是在每一成型層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.05~0.1mm的待固化樹脂，使成型時間平均縮短了20%。SLA3500和SLA5000兩種型號設備如圖2-6和圖2-7所示。該公司于1999年推出SLA7000機型，如圖2-8所示。SLA7000與SLA5000機型相比，成型體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型層厚最小可達0.025mm，精度提高了一倍。3DSystems公司推出的較新的機型還有Vipersi2SLA（如圖2-9所示）及ViperProSLA系統(tǒng)。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2728此外，還采用了一種稱之為Zephyerrec圖2-6

3DSystems公司的SLA-3500機型圖2-7

3DSystems公司的

SLA-5000機型第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2729圖2-63DSystems公司的圖2-8

3DSystems公司的SLA-7000機型圖2-93DSystems公司的Vipersi2SLA機型第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2730圖2-83DSystems公司的SLA-7000機圖2-103DSystems公司的ViperProSLA機型第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2731圖2-103DSystems公司的ViperPro

國內西安交通大學在光固化成型技術、設備、材料等方面進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三種機型，每種機型有不同的規(guī)格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成型機如圖所示。圖2-11

SPS600成型機圖2-12LPS600成型機第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2732國內西安交通大學在光固化成型技術、設備、材料等方面

西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術特征:①該成型機激光器、掃描與光聚焦系統(tǒng)兩關鍵部件從國外引進，掃描速度SPS最大可達7m/s、LPS可達2m/s，精度達±0.1mm；全范圍掃描分辨率達3.6μm，整機控制精度達50μm，高于國外同類機器水平，保證了可靠性；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。②采用了快速排序分層法，大大加快分層速度，且具有對分層數據自動診斷和修復功能。③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量。優(yōu)于美國3DSystems公司的工藝方法；拐角誤差采用自適應延時控制，較少了輪廓誤差的影響，此為國際首創(chuàng)。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2733西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術特征

④零件成型精度達±0.1mm(<100mm)或0.1%(>100mm)，與國外水平相同；樣件測試尺寸合格率達到美國3DSystems公司SLA系列機器的水平，高于日本CMET公司Soup型機器的水平。⑤不同材料與結構，可調整回流量，從而改善涂層質量，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3DSystems公司、日本CMET公司的同類產品。⑥零件模型管理和成型數據生成軟件在Windows95下自主開發(fā)、整機自制，用戶界面全部漢化，具有優(yōu)異的交互性和易學性。而且三維STL模型的檢視、分層過程與編輯、支撐結構的設計全部實現了圖視化操作；而成型控制軟件是在DOS下開發(fā)，保證滿足了控制的實時性要求，操作界面全部漢化和圖視化。第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2734④零件成型精度達±0.1mm(<100mm)或

上海聯泰科技有限公司開發(fā)的光固化成型設備主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等機型。圖2-13RS-600S光固化成型機第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2735上海聯泰科技有限公司開發(fā)的光固化成型設備主要有R第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2736第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2736第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/2737第二節(jié)光固化快速成型材料及設備2020/12/27371光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設備3光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術35第二章光固化快速成型工藝2020/12/27381光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設

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階段。1.前處理

前處理階段主要是對原型的CAD模型進行數據轉換、擺放方位確定、施加支撐和切片分層，實際上就是為原型的制作準備數據。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)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2739光固化快速原型的制作一般可以分為前處理、原型制

（1）CAD三維造型

三維實體造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必須的原始數據源。沒有CAD三維數字模型，就無法驅動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軟件上實現，圖2-14a給出的是小扳手在UGNX2.0上的三維造型。

（2）數據轉換

數據轉換是對產品CAD模型的近似處理，主要是生成STL格式的數據文件。STL數據處理實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三維設計軟件系統(tǒng)都有STL數據的輸出。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2740（1）CAD三維造型第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程

（3）確定擺放方位

擺放方位的處理是十分重要的，不但影響著制作時間和效率，更影響著后續(xù)支撐的施加以及原型的表面質量等，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，從縮短原型制作時間和提高制作效率來看，應該選擇尺寸最小的方向作為疊層方向。但是，有時為了提高原型制作質量以及提高某些關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。有時為了減少支撐量，以節(jié)省材料及方便后處理，也經常采用傾斜擺放。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)上實現。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孔尺寸的精度，選擇直立擺放，如圖2-14c所示。同時考慮到盡可能減小支撐的批次，大端朝下擺放。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2741（3）確定擺放方位第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程20

（4）施加支撐

擺放方位確定后，便可以進行支撐的施加了。施加支撐是光固化快速原型制作前處理階段的重要工作。對于結構復雜的數據模型，支撐的施加是費時而精細的。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量。支撐施加可以手工進行，也可以軟件自動實現。軟件自動實現的支撐施加一般都要經過人工的核查，進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)良的表面質量，目前，比較先進的支撐類型為點支撐，即在支撐與需要支撐的模型面是點接觸，圖2-14d示意的支撐結構就是點支撐。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2742（4）施加支撐第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/a)CAD三維原始模型

b)CAD模型的STL數據模型

光固化快速原型前處理

c)模型的擺放方位d)模型施加支撐圖2-14模型支撐工作臺第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程模型工作臺2020/12/2743a)CAD三維原始模型b)CAD模型的STL數據模型

支撐在快速成型制作中是與原型同時制作的，支撐結構除了確保原型的每一結構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，在原型的底部也設計和制作了支撐結構，這是為了成型完畢后能方便地從工作臺上取下原型，而不會使原型損壞。成型過程完成后，應小心地除去上述支撐結構，從而得到最終所需的原型。

圖2-15

支撐結構示意圖

第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2744支撐在快速成型制作中是與原型同時制作的，支支撐結構的作用和類型：作用：支撐作用和減少翹曲變形。

類型：斜支撐主要用于支撐懸臂結構部分，在成型過程中為懸臂提供支承，同時也約束懸臂的翹曲變形。主要用于支承腿部結構

直支撐十字壁板主要用于孤立結構部分的支撐。腹板主要用于大面積的內部支承。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2745支撐結構的作用和類型：主要用于支撐懸臂結構部分，在成型過（5）切片分層

支撐施加完畢后，根據設備系統(tǒng)設定的分層厚度沿著高度方向進行切片，生成RP系統(tǒng)需求的SLC格式的層片數據文件，提供給光固化快速原型制作系統(tǒng)，進行原型制作。圖2-17給出的是該扳手的光固化原型。圖2-17某手柄的光固化快速原型第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2746（5）切片分層圖2-17某手柄的光固化快速原型第三節(jié)2.原型制作光固化成型過程是在專用的光固化快速成型設備系統(tǒng)上進行。在原型制作前，需要提前啟動光固化快速成型設備系統(tǒng)，使得樹脂材料的溫度達到預設的合理溫度，激光器點燃后也需要一定的穩(wěn)定時間。設備運轉正常后，啟動原型制作控制軟件，讀入前處理生成的層片數據文件。在模型制作之前，要注意調整工作臺網板的零位與樹脂液面的位置關系，以確保支撐與工作臺網板的穩(wěn)固連接。當一切準備就緒后，就可以啟動疊層制作了。整個疊層的光固化過程都是在軟件系統(tǒng)的控制下自動完成的，所有疊層制作完畢后，系統(tǒng)自動停止。圖2-18給出的是SPS600光固化成型設備在進行光固化疊層制作時的界面。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、目前正在固化的疊層、工作臺升降速度等有關信息。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/27472.原型制作第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12圖2-18SPS600光固化成型設備控制軟件界面第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2748圖2-18SPS600光固化成型設備控制軟件界面第三節(jié)3.后處理

在快速成型系統(tǒng)中原型疊層制作完畢后，需要進行剝離等后續(xù)處理工作，以便去除廢料和支撐結構等。對于光固化成型方法成型的原型，還需要進行后固化處理等，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)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/27493.后處理第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/

原型疊層制作結束后，工作臺升出液面，停留5~10min，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、酒精等清洗液體中，攪動并刷掉殘留的氣泡。持續(xù)45min左右后放入水池中清洗工作臺約5min。

12第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2750原型疊層制作結束后，工作臺升出液面，停留5~10mi從外向內從工作臺上取下原型，并去除支撐結構。再次清洗后置于紫外烘箱中進行整體后固化。34第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程2020/12/2751從外向內從工作臺上取下原型，并去除支撐結構。再次清洗后置于1光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設備3光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術35第二章光固化快速成型工藝2020/12/27521光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設2.4.1光固化成型中樹脂收縮變形樹脂在固化過程中都會發(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變的過程，其分子結構發(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，另外一部分是當激光掃描到液體樹脂表面時由于溫度變化引起的熱脹冷縮。常用樹脂的熱膨脹系數為10-4左右，同時，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。（1）零件成型過程中樹脂收縮產生的變形（2）后固化時收縮產生的變形

后固化收縮量占總收縮量的25%～40%左右。第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27532.4.1光固化成型中樹脂收縮變形第四節(jié)光固化成型的精2.4.2光固化快速成型的精度

光固化成型的精度一直是設備研制和用戶制作原型過程中密切關注的問題。光固化快速成型技術發(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方面與設計要求的符合程度。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三個方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由疊層累加產生的臺階誤差及表面粗糙度等。第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27542.4.2光固化快速成型的精度第四節(jié)光固化成型的精度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據處理、成型過程中光敏樹脂的固化收縮、光學系統(tǒng)及激光掃描方式等。按照成型機的成型工藝過程，可以將產生成型誤差的因素按下圖所示分類。第四節(jié)光固化成型的精度及效率圖2-20光固化成型誤差2020/12/2755影響光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型1.幾何數據處理造成的誤差

在成型過程開始前，必須對實體的三維CAD模型進行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，在進行數據處理時會帶來誤差。如圖2-22所示。

措施（1）：直接切片為減小幾何數據處理造成的誤差，較好的辦法是開發(fā)對CAD實體模型進行直接分層的方法，在商用軟件中，Pro/Engineer具有直接分層的功能，如圖2-23所示。圖2-22弦差導致截面輪廓線誤差圖2-23Pro/E對實體的三維CAD模型直接分層第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27561.幾何數據處理造成的誤差圖2-22弦差導致截面輪廓線

措施（2）：自適應分層切層的厚度直接影響成型件的表面光潔度。因此，必須仔細選擇切層厚度，有關學者采用不同算法進行了自適應分層方法的研究，即在分層方向上，根據零件輪廓的表面形狀，自動地改變分層厚度，以滿足零件表面精度的要求，當零件表面傾斜度較大時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2-25自適應分層第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2757措施（2）：自適應分層圖2-25自適應分層第四節(jié)2.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發(fā)生收縮，收縮會在工件內產生內應力，沿層厚從正在固化的層表面向下，隨固化程度不同，層內應力呈梯度分布。在層與層之間，新固化層收縮時要受到層間粘合力限制。層內應力和層間應力的合力作用致使工件產生翹曲變形。

措施如下：

（1）成型工藝的改進（2）樹脂配方的改進

第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27582.成型過程中材料的固化收縮引起的翹曲變形第四節(jié)光固3.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，當聚合深度小于層厚時，層與層之間將粘合不好，甚至會發(fā)生分層；如果聚合深度大于層厚時，將引起過固化，而產生較大的殘余應力，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，層間產生的應力就越大，故而為了減小層間應力，就應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—多次反復曝光后的固化深度與以多次曝光量之和進行一次曝光的固化深度是等效的。

第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27593.樹脂涂層厚度對精度的影響第四節(jié)光固化成型的精度及4.光學系統(tǒng)對成型精度的影響在光固化成型過程中，成型用的光點是一個具有一定直徑的光斑，因此實際得到的制件是光斑運行路徑上一系列固化點的包絡線形狀。如果光斑直徑過大，有時會丟失較小尺寸的零件細微特征，如在進行輪廓拐角掃描時，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直接影響加工分辨率和成型精度。圖2-26輪廓拐角處的掃描第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27604.光學系統(tǒng)對成型精度的影響圖2-26輪廓拐角處的掃措施（1）：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構特點，造成掃描軌跡在x軸向的“枕形”畸變，當掃描一方形圖形時，掃描軌跡并非一個標準的方形，而是出現圖2-28中的“枕形”畸變?！罢硇巍被兛梢酝ㄟ^軟件校正。圖2-28枕形畸變示意圖圖2-27振鏡掃描系統(tǒng)原理結構圖

第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2761措施（1）：光路校正圖2-28枕形

措施（2）：光斑校正

雙振鏡掃描的另一個缺陷是，光斑掃描軌跡構成的像場是球面，與工作面不重合，產生聚焦誤差或z軸誤差。聚焦誤差可以通過動態(tài)聚焦模塊得到校正，動態(tài)聚焦模塊可在振鏡掃描過程中同步改變模塊焦距，調整焦距位置，實現z軸方向掃描，與雙振鏡構成一個三維掃描系統(tǒng)。聚焦誤差也可以用透鏡前掃描和?θ透鏡進行校正，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在光敏樹脂液面上，使達到光敏樹脂液面的激光光斑直徑小，且光斑大小不變。圖2-29fθ透鏡掃描第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2762措施（2）：光斑校正圖2-29fθ透鏡掃描第四節(jié)5.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應力有密切關系，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工藝成形時多采用方向平行路徑進行實體填充，即每一段填充路徑均互相平行，在邊界線內往復掃描進行填充，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，掃描線經過型腔時，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，會出現嚴重的“拉絲”現象(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速度之間變換，會產生嚴重的振動和噪聲，激光器要頻繁進行開關切換，降低了加工效率。第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27635.激光掃描方式對成型精度的影響第四節(jié)光固化成型的精度

圖2-30b中采用分區(qū)掃描方式，在各個區(qū)域內采用連貫的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；只有從一個區(qū)域轉移到另外一個區(qū)域時，才快速跨越。這種掃描方式可以省去激光開關，提高成型效率，并且由于采用分區(qū)后分散了收縮應力，減小了收縮變形，提高了成型精度。a)順序往復掃描b)分區(qū)域往復掃描圖2-30Z字形掃描方式第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2764圖2-30b中采用分區(qū)掃描方式，在各個區(qū)域內采

光柵式掃描又可分為長光柵式掃描和短光柵式掃描。應用模擬和試驗的方法掃描加工懸臂梁，結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，因為跳躍光柵式掃描方式可以使已固化區(qū)域有更多的冷卻時間，從而減小了熱應力。a)跳躍長光柵式掃描方式b)跳躍短光柵式掃描方式圖2-31跳躍光柵式掃描方式第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2765光柵式掃描又可分為長光柵式掃描和短光柵式掃描。應

對掃描方式的研究表明，在對平板類零件進行掃描時易采用螺旋式掃描方式（如圖2-32所示），且從外向內的掃描方式比從內向外的掃描方式加工生產的零件精度高。

b)跳躍短光柵式掃描方式圖2-32螺旋式掃描方式a)跳躍長光柵式掃描方式第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2766對掃描方式的研究表明，在對平板類零件進行掃描時6.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際光斑直徑大小。如果不采用補償，光斑掃描路徑如圖2-33a所示。成型的零件實體部分外輪廓周邊尺寸大了一個光斑半徑，而內輪廓周邊尺寸小了一個光斑半徑，結果導致零件的實體尺寸大了一個光斑直徑，使零件出現正偏差。為了減小或消除實體尺寸的正偏差，通常采用光斑補償方法，使光斑掃描路徑向實體內部縮進一個光斑半徑，如圖2-33b所示。從理論上說，光斑掃描按照向實體內部縮進一個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)光固化成型的精度及效率a)未采用光斑補償時的掃描路徑b)采用光斑補償時的掃描路徑圖2-33光斑尺寸及掃描路徑對制件輪廓尺寸的影響2020/12/27676.光斑直徑大小對成型尺寸的影響第四節(jié)光固化成型的精度7.激光功率、掃描速度、掃描間距產生的誤差

光固化快速成型過程是一個“線—面—體”的材料累積過程，為了分析掃描過程工藝參數（激光功率、掃描速度、掃描間距）產生的誤差，首先對掃描固化過程進行理論分析，進而找出各個工藝參數對掃描過程的影響。第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27687.激光功率、掃描速度、掃描間距產生的誤差第四節(jié)光固4.3光固化成型的制作效率1.影響制作時間的因素光固化成形零件是由固化層逐層累加形成的，成形所需要的總時間由掃描固化時間及輔助時間組成，可表示為：

成形過程中，每層零件的輔助時間tp與固化時間tci的比值反映了成形設備的利用率，可以通過如下公式表示：可以看出，當實體體積越小，分層數越多時，輔助時間所占的比例就越大，如制作大尺寸的薄殼零件，這時成型設備的有效利用很低，因此在這種情況下，減少輔助時間對提高成型效率是非常有利的。第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27694.3光固化成型的制作效率第四節(jié)光固化成型的精度及效2.減少制作時間的方法針對成形零件的時間構成，在成形過程中，可以通過改進加工工藝、優(yōu)化掃描參數等方法，減少零件成形時間，提高加工效率，實際使用中通常采用以下幾種措施：

（1）減少輔助成形時間

輔助時間與成型方法有關，一般可通過如下公式表示為：

式中—工作臺升降運動所需要的時間；—完成樹脂涂覆所需要的時間；—等待液面平穩(wěn)所需的時間?？梢姕p少升降時間、樹脂涂覆時間及等待時間，可以減少成型中的輔助時間。

第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/27702.減少制作時間的方法式中—工作臺升降（2）層數較小的制作方向零件的層數對成型時間的影響很大，對于同一個成形零件，不同的制作方向的條件下，成型時間差別較大?？焖俪尚头椒ㄖ谱髁慵r，在保證質量的前提下，應盡量減少制作層數。對零件制作方向進行優(yōu)化選擇可以降低成型時間，對比不同制造方向時的成型時間，可以看出，選擇制作層數較少的制作方向，零件制作時間不同程度地減少，甚至減少了近70%的制作時間。第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2771（2）層數較小的制作方向第四節(jié)光固化成型的精度及效率3.掃描參數對成型效率的影響

每一層的掃描時間可以降低零件的總成型時間，提高成型效率。每一層的掃描時間與掃描速度、掃描間距、掃描方式及分層厚度有關，通常掃描方式和分層厚度是根據工藝要求確定的，每層的掃描時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)光固化成型的精度及效率2020/12/27723.掃描參數對成型效率的影響第四節(jié)光固化成型的精度及

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)光化學反應，這一光化學反應主要由Grottus-Draper和Einstein定律支配，反應后樹脂固化，輪廓曲線近似為高斯曲線，其輪廓理論曲線如圖2-38所示。

圖2-38樹脂固化截面理論形狀

第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2773光固化快速成型中，光源的能量不是均勻分布的，光光束固化一個平面時，固化面是由一系列相鄰的固化線相互粘結而組成。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生部分重疊，圖2-39是一個平面固化時的示意圖,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。圖2-39相鄰固化線的重合第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2774光束固化一個平面時，固化面是由一

掃描間距的提高縮短了紫外光在固化平面往復運動時的掃描距離，表2-8為不同的掃描間距下零件的制作時間，當掃描間距提高到0.2mm時，這時零件的制作時間只有間距為0.1mm時的52%～62%，成型時間減少接近一半，而當掃描間距提高到0.3mm時，制作時間只有間距0.1mm時的40%左右，即在同樣的制作條件下，適當提高固化成型中的掃描間距，可以有效減少零件制作時間，提高制作效率。

第四節(jié)光固化成型的精度及效率2020/12/2775掃描間距的提高縮短了紫外光在固化平面往復運動時1光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設備3光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術35第二章光固化快速成型工藝2020/12/27761光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設

在微電子和生物工程等領域，制件一般要求具有微米級或亞微米級的細微結構，而傳統(tǒng)的SLA工藝技術無法滿足這一領域的需求。尤其在近年來，MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems）和微電子領域的快速發(fā)展，使得微機械結構的制造成為具有極大研究價值和經濟價值的熱點。微光固化快速成型μ-SL（MicroStereolithography）便是在傳統(tǒng)的SLA技術方法基礎上，面向微機械結構制造需求而提出的一種新型的快速成型技術。目前提出并實現的μ-SL技術主要包括基于單光子吸收效應的μ-SL技術和基于雙光子吸收效應的μ-SL技術，可將傳統(tǒng)的SLA技術成型精度提高到亞微米級，開拓了快速成型技術在微機械制造方面的應用。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2777在微電子和生物工程等領域，制件一般要求具有微米級1.基于單光子吸收效應的μ-SL技術

光固化過程中，樹脂分子對光能的吸收是以單個光子為單位的，因此被稱為“單光子吸收光聚合反應”，簡稱為SPA（Single-PhotonAbsorbedPhotopolymerization）。以單光子吸收（SPA）效應為反應機理的SLA技術，其成型精度取決于光斑大小、固化時間、固化層厚度等工藝參數，目前可以達到±0.1mm的精度。如果優(yōu)化光路系統(tǒng)及機械傳動系統(tǒng)，可以將SLA的精度提高到微米級，使光固化成型技術實現微米級的復雜三維結構的構建，即能夠實現μ-SL技術。目前，以SPA效應為反應機理的μ-SL技術有兩種主要的成型模式：掃描式μ-SL（ScanningMicroStereolithography）和遮光板投影式μ-SL（MaskProjectionMicroStereolithography）。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/27781.基于單光子吸收效應的μ-SL技術第五節(jié)微光固化快速

（1）掃描式μ-SL

掃描式μ-SL和傳統(tǒng)的SLA技術原理相同，但采用的控制系統(tǒng)和傳動控制更為精確。如圖2-40所示，在掃描式μ-SL中，通常采用光源固定，而工作臺相對運動的方式來進行掃描。這樣就可以避免由于光源移動引起的光斑尺寸的變化，從而避免了因為固化區(qū)尺寸的不恒定因素而引起的尺寸精度的下降。 掃描式μ-SL采用單層逐步掃描的成型方式，效率較低。為了克服這一技術缺陷，提出了遮光板投影式μ-SL（MaskProjectionMicroStereolithography）的方案，利用具有制件截面形狀的遮光板，通過一次曝光，一次性整體固化一個截面，然后通過逐層疊加形成實體形狀。圖2-40基于單光子吸收效應的μ-SL技術原理示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2779（1）掃描式μ-SL圖2-40基于單光子吸收效應的第五節(jié)（2）遮光板投影式μ-SL（MPμ-SL） 遮光板投影式μ-SL（MPμ-SL）的概念，由德國卡爾斯魯厄研究中心于上個世紀八十年代提出，又被稱為LIGA（德語LithographieGalvanoformungAbformung的簡寫）技術。如圖2-41所示，LIGA技術采用X射線作為固化光源，通過具有一定形狀的遮光板，將受控后的射線投影在樹脂表面，使樹脂受光照的部分發(fā)生固化，通過逐層疊加的方式最終形成復雜的實體形狀。這一工藝雖然相對于掃描式μ-SL效率較高，但在制作形狀較為復雜的工件時，因為需要制備大量的遮光板，成本較高。圖2-41遮光板投影式μ-SL技術原理示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2780（2）遮光板投影式μ-SL（MPμ-SL）圖2-41遮光板

為解決這一問題，一種新的制造理念被提了出來，即結合現有的比較成熟的計算機圖像生成技術，以動態(tài)遮光板(DynamicMask)取代傳統(tǒng)的遮光板。其原理如圖2-42所示，根據計算機CAD造型的實體信息，獲得制件每一層切片的具體信息，并由此生成具有制件截面形狀的“動態(tài)遮光板”，以生成具有相應形狀的固化層并逐層的疊加生成實體。其工作原理與掃描式μ-SL大體相同，只是不需要制備大量的遮光板，大大降低了成本。圖2-42動態(tài)遮光板式μ-SL技術原理示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2781為解決這一問題，一種新的制造理念被提

MPμ-SL的研究主要集中在提高動態(tài)遮光板的分辨率，以制作尺寸更小的三維像素，從而提高制件的制作精度。目前MPμ-SL技術按照生成動態(tài)遮光板的不同方法有如下三種：SLM(SpatialLightModulators)技術，LCD（LiquidCrystalDisplay）技術以及DMD(DigitalMicromirrorDevice)技術。

SLM技術由貝爾實驗室開發(fā)，目前已經投入商業(yè)應用，在芯片制造業(yè)發(fā)揮了巨大的作用，可以生成1280x1024的像素點陣，每個像素的尺寸為17～30μm。

LCD技術生成像素點的尺寸較大，并且無法使用市場上現有的光敏樹脂，在一定程度上限制了這一技術的推廣。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2782MPμ-SL的研究主要集中在提高動態(tài)遮光板的

DMD技術由Texas設備公司開發(fā)，是目前比較流行的一種動態(tài)遮光板生成方式。其原理如圖2-43所示。DMD由許多的微鏡面構成（MicroMirror），每一個微鏡面對應成型面上的一個像素點。通過控制微鏡面的關閉與打開，可以控制光路的閉合，進而控制光敏樹脂成型面上相應位置點的固化與否。首先將制件的形狀通過CAD實體文件的形式表示出來，然后將實體切片并把每層的切片信息轉化為點陣圖的形式，以此為依據可以控制DMD中微鏡面的閉合，從而達到生成動態(tài)遮光板的目的。圖2-43基于動態(tài)遮光板式的DMDMPμ-SL技術原理第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2783 DMD技術由Texas設備公司開發(fā)，是目前比較

DMDMPμ-SL與LCDMPμ-SL相比，可生成更小的像素點，并且由于DMD的響應速度更快，因此可以更為精確的控制曝光時間。圖2-44所示為采用DMDMPμ-SL技術做作的三維微結構實例。圖中，實例(a)為微矩陣結構，共110層，每層層厚為5μm；(b)為微型柱組成的陣列，每根微型柱直徑為30μm，高1000μm；(c)為螺旋微結構陣列，整體螺旋直徑為100μm，螺旋線軸徑為25μm；(d)為亞微米級微結構，直徑為0.6μm。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術圖2-44基于動態(tài)遮光板方式的μ-SL技術制作的三維微結構

(a)(b)(c)(d)2020/12/2784 DMDMPμ-SL與LCDMPμ-SL2.基于雙光子吸收效應的μ-SL技術

雙光子吸收理論雖然早在1931年便被提出，但一直到1960年才在實驗室觀測到了雙光子吸收效應。此后，雙光子吸收領域的研究取得了快速發(fā)展，其科研成果在許多方面投入實際應用。圖2-45a所示為單光子吸收后發(fā)出熒光的過程。入射光為紫光，波長為400nm，當此能量正好等于基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差時，此能量將被基態(tài)電子吸收，使基態(tài)電子躍遷至具有較高能量的激發(fā)態(tài)，經過了一定的生命期后，此電子返回基態(tài)時的能量差時將以光能的形式放出，這個現象就是單光子吸收激發(fā)熒光。圖2-45b所示為雙光子吸收效應激發(fā)的熒光。當入射光為波長800nm的近紅外光時，由于其波長為紫光的兩倍，光子能量相應為紫光的二分之一。單個近紅外光光子沒有足夠的能量將圖中處于基態(tài)的電子激發(fā)，但是兩個近紅外光光子可以達到一個紫光光子的作用，使處于基態(tài)的電子能夠吸收兩個光子的能量，躍遷至激發(fā)態(tài)。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/27852.基于雙光子吸收效應的μ-SL技術第五節(jié)微光固化快a)單光子b)雙光子

圖2-45

光子吸收效應激發(fā)熒光示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2786a)單光子

以雙光子吸收效應代替?zhèn)鹘y(tǒng)光固化成型過程中單光子吸收的過程，就實現了所謂的雙光子吸收光聚合反應。雙光子吸收光固化成型的實現需要采用不同于傳統(tǒng)光固化成型的機制。首先，雙光子吸收是非線性效應，需要采用能量較高的入射光源。目前常用的光源為飛秒級激光，配合采用高倍顯微鏡物鏡聚焦，以獲得能量極高的光斑。選擇飛秒級激光光源的另一優(yōu)勢是這一波長范圍內的激光不會使目前光固化成型中使用的光敏樹脂充分固化，這是因為一般光固化成型中使用的光敏樹脂的敏感波長范圍為350～400nm的紫外區(qū)，而飛秒級近紅外激光的波長范圍為750～800nm，不會使樹脂發(fā)生光固化反應。如圖2-46a所示，在成型過程中，高能激光由高倍顯微物鏡聚焦，使樹脂液面之下的焦點處能量達到引發(fā)雙光子吸收效應的強度，而焦點之外光路中的光因為光強不足無法引發(fā)聚合效應，因此光固化反應僅發(fā)生在焦點位置，實現了局部固化，從而大大提高了光固化成型的精細度。通過控制焦點的位置，可以控制固化點的位置，在得到一系列的固化點后，便組成具有復雜形狀的制件，如圖2-46b所示。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2787以雙光子吸收效應代替?zhèn)鹘y(tǒng)光固化成型過程中圖2-46高能激光經物鏡聚焦后在樹脂內部焦點處形成局部固化區(qū)a)高能激光經物鏡聚焦后在樹脂內部焦點處形成局部固化區(qū)b)通過控制焦點位置成形截面形狀第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2788圖2-46高能激光經物鏡聚焦后在樹脂內部焦點處形成局部固化

由于雙光子吸收效應屬于非線性過程，根據非線性的特性，可以使固化物的尺寸小于光點的大小，從而達到次衍射極限。因此，μ-SL可以達到的最小的三維像素的大小，將決定于樹脂分子的大小。 μ-SL中的掃描方式主要有兩種：微點掃描法和法線掃描。兩種方法各有自己的優(yōu)點，如圖2-47所示，采用μ-SL制作界面形狀為字母“C”的制件，如果采用微點掃描法，將逐個生成三維像素點，精度較高，但效率較低；采用線掃描法，雖然效率較高，但精度不如微點掃描法。如果制作亞微米級的復雜結構，應選用微點掃描法，以保證制件精度。圖2-47μ-SL技術中的激光掃描方式a)微點掃描法b)線掃描法第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2789 由于雙光子吸收效應屬于非線性過程

圖2-48所示為采用微點掃描法制作的微型柱結構的SEM圖像。在二維平面上，每隔20μm放置一根微型柱，微型柱直徑為1.2μm，高9.4μm，在200μm×200μm的范圍之內工作做100根微型柱。實驗中使用SL-5510型光敏樹脂，入射光功率為12.5mW,每根微柱的曝光時間為2.4秒。

微光固化快速成型(μ-SL)技術早在上個世紀八十年代就已經被提出，經過將近二十多年的努力研究，已經得到了一定的應用。但是，絕大多數的μ-SL制造技術成本相當高，因此多數還處于實驗室階段，離實現大規(guī)模工業(yè)化生產還有一定的距離。今后該領域的研究方向如下： （1）開發(fā)低成本生產技術，降低設備的成本；（2）開發(fā)新型的樹脂材料； （3）進一步提高光成型技術的精度；（4）建立μ-SL數學模型和物理模型，為解決工程中的實際問題提供理論依據；（5）實現μ-SL與其它領域的結合，例如生物工程領域等。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2790圖2-48所示為采用微點掃描法制作的微型圖2-48采用微點掃描法制作的微型柱結構的SEM圖像第五節(jié)微光固化快速成型制造技術2020/12/2791圖2-48采用微點掃描法制作的微型柱結構的SEM圖像第五第二章光固化快速成型工藝1．敘述光固化快速成型的原理2．光固化快速成型的特點有哪些？3．光固化材料的優(yōu)點有哪些？光固化樹脂主要分為幾大類？5．光固化成型工藝過程主要分為幾個階段，其后處理工藝過程包括哪些基本步驟？6．光固化成型的支撐結構的類型有哪些？支撐的作用是什么？7．光固化原型工藝中的收縮變形來自于哪幾個方面？8．影響光固化原型精度的因素有哪些？為提高原型精度，各因素是如何控制的？思考題4．列舉供應光固化成型設備國內外主要商家及其基本型號9．影響光固化原型制作效率的因素有哪些？如何提高原型的制作效率？2020/12/2792第二章光固化快速成型工藝1．敘述光固化快速成型的原理2快速成型與快速模具制造技術及其應用

第二章光固化快速成型工藝機械工業(yè)出版社（第三版）2020/12/2793快速成型與快速模具制造技術及其應用第二章光固化

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，也有時被簡稱為SLA（StereoLithographyApparatus），該工藝是由CharlesHull于1984年獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的快速成型技術。自從1988年3DSystems公司最早推出SLA商品化快速成型機SLA-250以來，SLA已成為目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種快速成型工藝方法。它以光敏樹脂為原料，通過計算機控制紫外激光使其凝固成型。這種方法能簡捷、全自動地制造出表面質量和尺寸精度較高、幾何形狀較復雜的原型。第二章光固化成型工藝2020/12/2794光固化快速成型工藝，也常被稱為立體1光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設備3光固化成型的工藝過程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技術35第二章光固化快速成型工藝2020/12/27951光固化快速成型工藝的基本原理和特點2光固化快速成型材料及設圖2-1光固化快速成型工藝原理第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點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行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，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，然后進行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。2.1光固化成型的基本原理

2020/12/2796圖2-1光固化快速成型工藝原理第一節(jié)光固化快速成型工因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短時間內迅速流平，這將會影響實體的精度。采用刮板刮切后，所需數量的樹脂便會被十分均勻地凃敷在上一疊層上，這樣經過激光固化后可以得到較好的精度，使產品表面更加光滑和平整。圖2-2光固化成型制造過程中殘留的多余樹脂圖2-3吸附式涂層結構

第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點2020/12/2797因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液2.2光固化成型技術的特點

優(yōu)點：成型過程自動化程度高SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開始后，成型過程可以完全自動化，直至原型制作完成。尺寸精度高

SLA原型的尺寸精度可以達到±0.1mm。

優(yōu)良的表面質量

雖然在每層固化時側面及曲面可能出現臺階，但上表面仍可得到玻璃狀的效果?？梢灾谱鹘Y構十分復雜的模型、尺寸比較精細的模型可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結構的消失型制作的原型可以一定程度地替代塑料件第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點2020/12/27982