第二章光固化快速成型工藝詳解演示文稿

第二章光固化快速成型工藝詳解演示文稿當前1頁，總共87頁。優(yōu)選第二章光固化快速成型工藝當前2頁，總共87頁。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(shè)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(shù)35第二章光固化快速成型工藝當前3頁，總共87頁。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(chǎn)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(jié)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

當前4頁，總共87頁。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(nèi)迅速流平，這將會影響實體的精度。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(jié)構(gòu)

第一節(jié)光固化快速成型工藝的基本原理和特點當前5頁，總共87頁。2.2光固化成型技術(shù)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(zhì)量

雖然在每層固化時側(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。可以制作結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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當前6頁，總共87頁。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(shè)備運轉(zhuǎn)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(jīng)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當前7頁，總共87頁。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(shè)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(shù)35第二章光固化快速成型工藝當前8頁，總共87頁。

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，而快速成型制造設(shè)備可以說是相應的快速成型技術(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)的先進程度標志著快速成型技術(shù)發(fā)展的水平。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前9頁，總共87頁。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(nèi)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(chǎn)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(xiàn)自動化操作及固化，提高生產(chǎn)的自動化程度，從而提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前10頁，總共87頁。

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(jù)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(diào)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(shè)備當前11頁，總共87頁。

(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(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）生坯件強度高。7）產(chǎn)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(shè)備當前12頁，總共87頁。

(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(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)計成無收縮的聚合物。2）當系統(tǒng)中有堿性雜質(zhì)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(jié)的缺點。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前13頁，總共87頁。2.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(jīng)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(lián)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(chǎn)生交聯(lián)反應，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)光固化快速成型材料及設(shè)備當前14頁，總共87頁。

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(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(lián)的體形結(jié)構(gòu)，其過程可以表示為：第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前15頁，總共87頁。（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(zhuǎn)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(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，β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)。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前16頁，總共87頁。

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(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指數(shù)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(shè)備當前17頁，總共87頁。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(shè)備當前18頁，總共87頁。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前19頁，總共87頁。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前20頁，總共87頁。（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(shè)備當前21頁，總共87頁。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前22頁，總共87頁。（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(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(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(shè)備當前23頁，總共87頁。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前24頁，總共87頁。

（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(shè)備當前25頁，總共87頁。2.2.2光固化快速成型設(shè)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(chǎn)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(shè)備當前26頁，總共87頁。

目前，研究光固化成型（SLA）設(shè)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(nèi)的西安交通大學、上海聯(lián)泰科技有限公司、華中科技大學等。在上述研究SLA設(shè)備的眾多公司中，美國3DSystems公司的SLA技術(shù)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(shè)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(shè)備技術(shù)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(shè)備當前27頁，總共87頁。

此外，還采用了一種稱之為Zephyerrecoatingsystem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0.05~0.1mm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(shè)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(shè)備當前28頁，總共87頁。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(shè)備當前29頁，總共87頁。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(shè)備當前30頁，總共87頁。圖2-103DSystems公司的ViperProSLA機型第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前31頁，總共87頁。

國內(nèi)西安交通大學在光固化成型技術(shù)、設(shè)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(shè)備當前32頁，總共87頁。

西安交通大學光固化成型機主要性能指標與技術(shù)特征:①該成型機激光器、掃描與光聚焦系統(tǒng)兩關(guān)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(shù)據(jù)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(zhì)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(shè)備當前33頁，總共87頁。

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(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3DSystems公司、日本CMET公司的同類產(chǎn)品。⑥零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(jié)構(gòu)的設(shè)計全部實現(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(shè)備當前34頁，總共87頁。

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-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(shè)備當前35頁，總共87頁。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前36頁，總共87頁。第二節(jié)光固化快速成型材料及設(shè)備當前37頁，總共87頁。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(shè)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(shù)35第二章光固化快速成型工藝當前38頁，總共87頁。

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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(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)光固化成型工藝的工藝過程當前39頁，總共87頁。

（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(shù)據(jù)源。沒有CAD三維數(shù)字模型，就無法驅(qū)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(xiàn)，圖2-14a給出的是小扳手在UGNX2.0上的三維造型。

（2）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)計軟件系統(tǒng)都有STL數(shù)據(jù)的輸出。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程當前40頁，總共87頁。

（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(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(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當前41頁，總共87頁。

（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(jié)構(gòu)復雜的數(shù)據(jù)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(zhì)量。支撐施加可以手工進行，也可以軟件自動實現(xiàn)。軟件自動實現(xiàn)的支撐施加一般都要經(jīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)就是點支撐。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程當前42頁，總共87頁。a)CAD三維原始模型

b)CAD模型的STL數(shù)據(jù)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當前43頁，總共87頁。

支撐在快速成型制作中是與原型同時制作的，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，而不會使原型損壞。成型過程完成后，應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2-15

支撐結(jié)構(gòu)示意圖

第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程當前44頁，總共87頁。支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

直支撐十字壁板主要用于孤立結(jié)構(gòu)部分的支撐。腹板主要用于大面積的內(nèi)部支承。第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程當前45頁，總共87頁。（5）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當前46頁，總共87頁。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(shè)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(shè)備系統(tǒng)，使得樹脂材料的溫度達到預設(shè)的合理溫度，激光器點燃后也需要一定的穩(wěn)定時間。設(shè)備運轉(zhuǎn)正常后，啟動原型制作控制軟件，讀入前處理生成的層片數(shù)據(jù)文件。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(shè)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(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)光固化成型工藝的工藝過程當前47頁，總共87頁。圖2-18SPS600光固化成型設(shè)備控制軟件界面第三節(jié)光固化成型工藝的工藝過程當前48頁，總共87頁。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(jié)構(gòu)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當前49頁，總共87頁。

原型疊層制作結(jié)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當前50頁，總共87頁。從外向內(nèi)從工作臺上取下原型，并去除支撐結(jié)構(gòu)。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當前51頁，總共87頁。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(shè)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(shù)35第二章光固化快速成型工藝當前52頁，總共87頁。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(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(shù)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(chǎn)生的變形（2）后固化時收縮產(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)光固化成型的精度及效率當前53頁，總共87頁。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(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方面與設(shè)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(chǎn)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當前54頁，總共87頁。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(chǎn)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光固化成型誤差當前55頁，總共87頁。1.幾何數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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當前56頁，總共87頁。

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(guān)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(jù)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當前57頁，總共87頁。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(nèi)產(chǎn)生內(nèi)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(nèi)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(nèi)應力和層間應力的合力作用致使工件產(chǎn)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當前58頁，總共87頁。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(chǎn)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(chǎn)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當前59頁，總共87頁。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當前60頁，總共87頁。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(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，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(xiàn)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(jié)構(gòu)圖

第四節(jié)光固化成型的精度及效率當前61頁，總共87頁。

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(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(diào)整焦距位置，實現(xiàn)z軸方向掃描，與雙振鏡構(gòu)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當前62頁，總共87頁。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(nèi)應力有密切關(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(nèi)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(jīng)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(xiàn)嚴重的“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速度之間變換，會產(chǎn)生嚴重的振動和噪聲，激光器要頻繁進行開關(guān)切換，降低了加工效率。第四節(jié)光固化成型的精度及效率當前63頁，總共87頁。

圖2-30b中采用分區(qū)掃描方式，在各個區(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；只有從一個區(qū)域轉(zhuǎn)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(guān)，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當前64頁，總共87頁。

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(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當前65頁，總共87頁。

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(nèi)的掃描方式比從內(nèi)向外的掃描方式加工生產(chǎn)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當前66頁，總共87頁。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(nèi)輪廓周邊尺寸小了一個光斑半徑，結(jié)果導致零件的實體尺寸大了一個光斑直徑，使零件出現(xiàn)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?qū)嶓w內(nèi)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?qū)嶓w內(nèi)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當前67頁，總共87頁。7.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“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、掃描間距）產(chǎn)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(shù)對掃描過程的影響。第四節(jié)光固化成型的精度及效率當前68頁，總共87頁。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(shè)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(shù)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(shè)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當前69頁，總共87頁。2.減少制作時間的方法針對成形零件的時間構(gòu)成，在成形過程中，可以通過改進加工工藝、優(yōu)化掃描參數(shù)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(guān)，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。可見減少升降時間、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當前70頁，總共87頁。（2）層數(shù)較小的制作方向零件的層數(shù)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(zhì)量的前提下，應盡量減少制作層數(shù)。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(shù)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當前71頁，總共87頁。3.掃描參數(shù)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(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當前72頁，總共87頁。

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當前73頁，總共87頁。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(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(jié)。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當前74頁，總共87頁。

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當前75頁，總共87頁。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(shè)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(shù)35第二章光固化快速成型工藝當前76頁，總共87頁。

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（MicroElectro-MechanicalSystems）和微電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得微機械結(jié)構(gòu)的制造成為具有極大研究價值和經(jīng)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(shù)方法基礎(chǔ)上，面向微機械結(jié)構(gòu)制造需求而提出的一種新型的快速成型技術(shù)。目前提出并實現(xiàn)的μ-SL技術(shù)主要包括基于單光子吸收效應的μ-SL技術(shù)和基于雙光子吸收效應的μ-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)在微機械制造方面的應用。第五節(jié)微光固化快速成型制造技術(shù)當前77頁，總共87頁。1.基于單光子吸收效應的μ-SL技術(shù)

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(shù)，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(shù)，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(shù)實現(xiàn)微米級的復雜三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，即能夠?qū)崿F(xiàn)μ-SL技術(shù)。目前，以SPA效應為反應機理的μ-SL技術(shù)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(shù)當前78頁，總共87頁。

（1）掃描式μ-SL

掃描式μ-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(shù)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(shù)原理示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術(shù)當前79頁，總共87頁。（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(shù)。如圖2-41所示，LIGA技術(shù)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(shù)原理示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術(shù)當前80頁，總共87頁。

為解決這一問題，一種新的制造理念被提了出來，即結(jié)合現(xiàn)有的比較成熟的計算機圖像生成技術(shù)，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(jù)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(shù)原理示意圖第五節(jié)微光固化快速成型制造技術(shù)當前81頁，總共87頁。

MPμ-SL的研究主要集中在提高動