SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用(20210110011156)

1、肖才M親衣譚 成績快速成型技術(shù)課程論文題 目:SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用學(xué)生姓名：柴偉鋒學(xué) 號：201215010522專業(yè)班級：機(jī)制Y1208任課教師：王 贊2015年6 月26 日目 錄1、引言 22、SLA快速原型技術(shù)的基本原理3、SLA快速原型技術(shù)的特點(diǎn) 53.1 SLA 快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 53.2 SLA快速原型技術(shù)的缺點(diǎn) 54、 SLA快速原型技術(shù)的應(yīng)用 74.1 SLA 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 74.2 SLA 在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用 75、SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展 96結(jié)束語SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用1、引言SLA （Stereo lithography Apparatu

2、s ），即立體光固化成型法，常被稱為立體光刻成型，有時(shí)被稱為。光固化快速成型工藝是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)。它是機(jī)械工程、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造技術(shù)（CAD/CAM、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC、精密伺服驅(qū)動(dòng)、檢測 技術(shù)、激光技術(shù)及新型材料科學(xué)技術(shù)的集成。它不同于傳統(tǒng)的用材料去除方式制造零件的 方法，而是用材料一層一層積累的方式構(gòu)造零件模型。由于該項(xiàng)技術(shù)不像傳統(tǒng)的零件制造 方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造時(shí)間減少為幾天、幾小時(shí)， 大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和三維CAD軟件應(yīng)用的不斷推廣，使得光固化成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為可能。光固化成型技術(shù)特

3、別適合于新產(chǎn) 品的開發(fā)、不規(guī)則或復(fù)雜形狀零件制造（如具有復(fù)雜形面的飛行器模型和風(fēng)洞模型）、大 型零件的制造、模具設(shè)計(jì)與制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的外觀評估和裝配檢驗(yàn)、快速反求與復(fù)制，也適用于難加工材料的制造（如利用 SLA技術(shù)制備碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件等）。這項(xiàng)技術(shù)不僅在制造業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，而且在材料科學(xué)與工程、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng) 用前景。2、SLA快速原型技術(shù)的基本原理光固化成型工藝的成型過程如圖1?所示4。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

4、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。當(dāng)實(shí)體原型完成后，首先將實(shí)體取出，并將多余的樹脂排凈。之后去掉支撐，進(jìn) 行清洗，然后再將實(shí)體原型放在紫外激光下整體后固化。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)迅速流平，這將會影 響實(shí)體的精度。采用刮板刮切后，所需數(shù)量的樹脂便會被十分均勻地涂敷在上一疊層上， 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

5、；并且可以解決殘 留體積的問題。3、SLA快速原型技術(shù)的特點(diǎn)3.1 SLA的優(yōu)點(diǎn)1. 光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)2. 由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快,產(chǎn)品生產(chǎn)周期短,無需切削工具與模具3. 可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具4. 使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯(cuò)誤修復(fù)的成本5. 為實(shí)驗(yàn)提供試樣，可以對計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與校核.6. 可聯(lián)機(jī)操作，可遠(yuǎn)程控制，利于生產(chǎn)的自動(dòng)化.3.2 SLA的缺點(diǎn)1. SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂,使用和維護(hù)成本過高.2. SLA系統(tǒng)是要對液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求苛刻.3. 成型件多

6、為樹脂類，強(qiáng)度,剛度,耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存.4. 預(yù)處理軟件與驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高.5. 軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，入門困難;使用的文件格式不為廣大設(shè)計(jì)人員熟悉.6. 立體光固化成型技術(shù)被單一公司所壟斷.4、光固化成型技術(shù)的應(yīng)用在當(dāng)前應(yīng)用較多的幾種快速成型工藝方法中，光固化成型由于具有成型過程自動(dòng)化程 度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細(xì)的尺寸成型等特點(diǎn)，使之 得到最為廣泛的應(yīng)用。在概念設(shè)計(jì)的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工模具 及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費(fèi)品以及醫(yī)療等行業(yè)。4.1 SLA在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用在航

7、空航天領(lǐng)域，SLA?模型可直接用于風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行可制造性、可裝配性檢驗(yàn)。航 空航天零件往往是在有限空間內(nèi)運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)，在采用光固化成型技術(shù)以后，不但可以 基于SLA?原型進(jìn)行裝配干涉檢查，還可以進(jìn)行可制造性討論評估，確定最佳的合理制造工 藝。通過快速熔模鑄造、快速翻砂鑄造等輔助技術(shù)進(jìn)行特殊復(fù)雜零件（如渦輪、葉片、葉 輪等）的單件、小批量生產(chǎn)，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的試制和試驗(yàn)。航空領(lǐng)域中發(fā)動(dòng)機(jī)上許多零件都是經(jīng)過精密鑄造來制造的，對于高精度的木模制作， 傳統(tǒng)工藝成本極高且制作時(shí)間也很長。采用SLA?工藝，可以直接由CAD數(shù)字模型制作熔模 鑄造的母模，時(shí)間和成本可以得到顯著的降低。數(shù)小時(shí)之內(nèi)，就可以

8、由CAD數(shù)字模型得到成本較低、結(jié)構(gòu)又十分復(fù)雜的用于熔模鑄造的 SLA1快速原型母模。利用光固化成型技術(shù)可以制作出多種彈體外殼，裝上傳感器后便可直接進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。 通過這樣的方法避免了制作復(fù)雜曲面模的成本和時(shí)間，從而可以更快地從多種設(shè)計(jì)方案中 篩選出最優(yōu)的整流方案，在整個(gè)開發(fā)過程中大大縮短了驗(yàn)證周期和開發(fā)成本。此外，利用 光固化成型技術(shù)制作的導(dǎo)彈全尺寸模型，在模型表面表進(jìn)行相應(yīng)噴涂后，清晰展示了導(dǎo)彈 外觀、結(jié)構(gòu)和戰(zhàn)斗原理，其展示和講解效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的電腦圖紙模擬方式，可在未 正式量產(chǎn)之前對其可制造性和可裝配性進(jìn)行檢驗(yàn)。4.2 SLA在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用光固化快速成型技術(shù)除了在航空航天領(lǐng)域有較

9、為重要的應(yīng)用之外，在其他制造領(lǐng)域的 應(yīng)用也非常重要且廣泛，如在汽車領(lǐng)域、模具制造、電器和鑄造領(lǐng)域等。下面就光固化快 速成型技術(shù)在汽車領(lǐng)域和鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用作簡要的介紹?，F(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點(diǎn)就是產(chǎn)品的多型號、短周期。為了滿足不同的生產(chǎn)需求，就需要 不斷地改型。雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)不斷完善，可以完成各種動(dòng)力、強(qiáng)度、剛度分析， 但研究開發(fā)中仍需要做成實(shí)物以驗(yàn)證其外觀形象、工裝可安裝性和可拆卸性。對于形狀、 結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的零件，可以用光固化成型技術(shù)制作零件原型， 以驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想， 并利用零件原型做功能性和裝配性檢驗(yàn)。光固化快速成型技術(shù)還可在發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究中用于流動(dòng)分析。流動(dòng)分析技術(shù)是用來在復(fù)

10、雜零件內(nèi)確定液體或氣體的流動(dòng)模式。將透明的模型安裝在一簡單的試驗(yàn)臺上，中間 循環(huán)某種液體，在液體內(nèi)加一些細(xì)小粒子或細(xì)氣泡，以顯示液體在流道內(nèi)的流動(dòng)情況。該 技術(shù)已成功地用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)（氣缸蓋、機(jī)體水箱）、進(jìn)排氣管等的研究。問題的關(guān) 鍵是透明模型的制造，用傳統(tǒng)方法時(shí)間長、花費(fèi)大且不精確，而用SLA技術(shù)結(jié)合CAD造型僅僅需要45?周的時(shí)間，且花費(fèi)只為之前的1/3，制作出的透明模型能完全符合機(jī)體水箱 和氣缸蓋的CAD數(shù)據(jù)要求，模型的表面質(zhì)量也能滿足要求。光固化成型技術(shù)在汽車行業(yè)除了上述用途外，還可以與逆向工程技術(shù)、快速模具制造 技術(shù)相結(jié)合，用于汽車車身設(shè)計(jì)、前后保險(xiǎn)桿總成試制、內(nèi)飾門板等結(jié)構(gòu)樣件

11、/?功能樣件試制、賽車零件制作等。在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是采用機(jī)加工方法，有時(shí) 還需要鉗工進(jìn)行修整，費(fèi)時(shí)耗資，而且精度不高。特別是對于一些形狀復(fù)雜的鑄件（例如 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等），模具的制造更是一個(gè) 巨大的難題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也備有一些數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級設(shè)備，但除 了設(shè)備價(jià)格昂貴外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系統(tǒng)支持，機(jī)床的 編程也很困難?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，為鑄造的鑄模生產(chǎn)提供了速度更快、精度更高、結(jié) 構(gòu)更復(fù)雜的保障。5、光固化成型技術(shù)的研究進(jìn)展光固化快速成型制造技術(shù)自問世以來在快速制造領(lǐng)域

12、發(fā)揮了巨大作用，已成為工程界 關(guān)注的焦點(diǎn)。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本，一直是該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱 點(diǎn)。目前，很多研究者通過對成型參數(shù)、成型方式、材料固化等方面分析各種影響成型精 度的因素，提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法，如掃描線重疊區(qū)域固化工藝、 改進(jìn)的二次曝光法、研究開發(fā)用 CAD原始數(shù)據(jù)直接切片法、在制件加工之前對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等，這些工藝方法都可以減小零件的變形、降低殘余應(yīng)力，提高原型的制作精度。 此外，SLA?所用的材料為液態(tài)光敏樹脂，其性能的好壞直接影響到成型零件的強(qiáng)度、韌性 等重要指標(biāo)，進(jìn)而影響到SLA肢術(shù)的應(yīng)用前景。所以近年來在提高成型材料的性能降低成 本

13、方面也做了很多的研究，提出了很多有效的工藝方法，如將改性后的納米SiO2?分散到自由基-?陽離子混雜型的光敏樹脂中，可以使光敏樹脂的臨界曝光量增大而投射深度變小， 其成型件的耐熱性、硬度和彎曲強(qiáng)度有明顯的提高；又如在樹脂基中加入SiC ?晶須，可以提高其韌性和可靠性；開發(fā)新型的可見光固化樹脂，這種新型樹脂使用可見光便可固化且 固化速度快，對人體危害小，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)大幅度地降低了成本。光固化快速成型技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)比較成熟，各種新的成型工藝不斷涌現(xiàn)。下面從微光固化快速成型制造技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)兩方面展望SLA?技術(shù)。5.1?微光固化快速成型制造技術(shù)目前，傳統(tǒng)的SLA?設(shè)備成型精度為土 0.1

14、mm能夠較好地滿足一般的工程需求。但是 在微電子和生物工程等領(lǐng)域，一般要求制件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)已無法滿足這一領(lǐng)域的需求。尤其在近年來，MEMSMicroElectro-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)。微光固化快速成型卩-SL (Micro Stereolithography )便是在傳統(tǒng)的SLA?i 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種新型的快速成型技術(shù)。該技術(shù)早在 20?世紀(jì)80?年代就已經(jīng)被提出，經(jīng)過將近 20?多年的努力研究，已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用

15、。 目前提出并實(shí)現(xiàn)的卩-SL?技術(shù)主要包括基于單光子吸收效應(yīng)的卩-SL?技術(shù)和基于雙光子吸 收效應(yīng)的卩-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。但是，絕大多數(shù)的卩-SL?制造技術(shù)成本相當(dāng)高，因此多數(shù)還 處于試驗(yàn)室階段，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。因而今后該領(lǐng)域的研究方向 為：開發(fā)低成本生產(chǎn)技術(shù)，降低設(shè)備的成本；開發(fā)新型的樹脂材料；進(jìn)一步提高光成型技術(shù)的精度；建立卩-SL?數(shù)學(xué)模型和物理模型，為解決工程中的實(shí)際問題提供理論依據(jù)；實(shí) 現(xiàn)卩-SL與其他領(lǐng)域的結(jié)合，例如生物工程領(lǐng)域8?等。5.2?生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域光固化快速成型技術(shù)為不

16、能制作或難以用傳統(tǒng)方法制作的人體器官模型提供了一種新 的方法，基于CT圖像的光固化成型技術(shù)是應(yīng)用于假體制作、復(fù)雜外科手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜 面修復(fù)的有效方法。目前在生命科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域出現(xiàn)的一門新的交叉學(xué)科組織工 程是光固化成型技術(shù)非常有前景的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?；赟LA技術(shù)可以制作具有生物活性的人工骨支架，該支架具有很好的機(jī)械性能和與細(xì)胞的生物相容性，且有利于成骨細(xì)胞的黏 附和生長。如圖5?所示為用SLA?J術(shù)制作的組織工程支架，在該支架中植入老鼠的預(yù)成骨 細(xì)胞，細(xì)胞的植入和黏附效果都很好9。此外，將光固化快速成型技術(shù)和冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合，能夠制造出包含多種復(fù)雜微結(jié) 構(gòu)的肝組織工程支架，該支架系統(tǒng)

17、可保證多種肝臟細(xì)胞的有序分布，可為組織工程肝臟支 架材料微觀結(jié)構(gòu)的模擬提供參考。6結(jié)束語光固化快速成型技術(shù)發(fā)展至今已有了長足的進(jìn)步，正繼續(xù)向著工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā) 展，它與其他先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的結(jié)合越來越來緊密。在光固化快速成型技術(shù)未來的發(fā) 展中，應(yīng)對以下3?個(gè)方面的發(fā)展趨勢加以注意：第一，進(jìn)一步研制經(jīng)濟(jì)的、高效的和精密 的光固化成型工藝和設(shè)備，努力提高成型精度和成型尺寸的穩(wěn)定性，降低設(shè)備運(yùn)行成本； 第二，繼續(xù)研究成型材料的機(jī)理和性能，進(jìn)一步開發(fā)高性能、低成本的光固化成型特種材 料；第三，不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。參？考?文 ?獻(xiàn)1 楊黨國，張征宇，周志華，等.?光固化快速成型的輕質(zhì) AGARD-B模型氣動(dòng)特性試驗(yàn)研究.?實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2009,23(2):73-77.2 張宇紅，曾俊華，洪軍.?大型零件光固化快速成型工藝研究.?計(jì)算機(jī)集成