第二章_光固化快速成型工艺汇总

快速成型与快速模具制造技术及其应用第二章光固化快速成型工艺机械工业出版社（第三版）光固化快速成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文的名称为StereoLithography，简称SL，也有时被简称为SLA（StereoLithographyApparatus），该工艺是由CharlesHull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。自从1988年3DSystems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA-250以来，SLA已成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。第二章光固化成型工艺1光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术35第二章光固化快速成型工艺图2-1光固化快速成型工艺原理第一节光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化成型工艺的成型过程如图2-1示。液槽中盛满液态光敏树脂，氦－镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。2.1光固化成型的基本原理因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。图2-2光固化成型制造过程中残留的多余树脂图2-3吸附式涂层结构第一节光固化快速成型工艺的基本原理和特点2.2光固化成型技术的特点优点：成型过程自动化程度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。尺寸精度高SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。优良的表面质量虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型制作的原型可以一定程度地替代塑料件第一节光固化快速成型工艺的基本原理和特点缺点：制件易变形成型过程中材料发生物理和化学变化较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料设备运转及维护成本较高液态树脂材料和激光器的价格较高使用的材料较少目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性需要二次固化经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。第一节光固化快速成型工艺的基本原理和特点1光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术35第二章光固化快速成型工艺快速成型材料及设备一直是快速成型技术研究与开发的核心，也是快速成型技术重要组成部分。快速成型材料直接决定着快速成型技术制作的模型的性能及适用性，而快速成型制造设备可以说是相应的快速成型技术方法以及相关材料等研究成果的集中体现，快速成型设备系统的先进程度标志着快速成型技术发展的水平。第二节光固化快速成型材料及设备2.2.1光固化快速成型材料1.光固化材料优点及分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点：（1）固化快可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2）不需要加热这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3）可配成无溶剂产品使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。（4）节省能量。各种光源的效率都高于烘箱。（5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。（6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。第二节光固化快速成型材料及设备用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：(1)自由基光固化树脂主要有三类：第一类为环氧树脂丙烯酸酯，该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；第二类为聚酯丙烯酸酯，该类材料流平和固化好，性能可调节；第三类材料为聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。稀释剂包括多官能度单体与单官能度单体两类。此外，常规的添加剂还有阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、天然色素等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中保持较长的存放时间。第二节光固化快速成型材料及设备(2)阳离子光固化树脂主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%~3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%~7%。2）产品精度高。3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。5）粘度低。6）生坯件强度高。7）产品可以直接用于注塑模具。第二节光固化快速成型材料及设备(3)混杂型光固化树脂目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有：1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成无收缩的聚合物。2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。第二节光固化快速成型材料及设备2.光敏树脂的组成及其光固化特性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 （1）光敏树脂用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。第二节光固化快速成型材料及设备稀释剂是一种功能性单体，结构中含有不饱和双键，如乙烯基、烯丙基等，可以调节齐聚物的粘度，但不容易挥发，且可以参加聚合。稀释剂一般分为单官能度、双官能度和多官能度。当光敏树脂中的光引发剂被光源(特定波长的紫外光或激光)照射吸收能量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化，从而发生交联反应而生成高分子固化物。由于齐聚物和稀释剂的分子上一般都含有两个以上可以聚合的双键或环氧基团，因此聚合得到的不是线性聚合物，而是一种交联的体形结构，其过程可以表示为：第二节光固化快速成型材料及设备（2）光敏树脂的光固化特性分析在激光照射下，光敏树脂从液态向固态转变，达到一种凝胶态。凝胶态是一种液态和固态之间的临界状态，此时，粘度无限大，模量(Y)为零。激光的曝光量(E)必须超过一定的阈值(EC)，当曝光量低于值EC时，由于氧的阻聚作用，光引发剂与空气中的氧发生作用，而不与单体作用，液态树脂就无法固化。当曝光量超过阈值后，树脂的模量按负指数规律向该树脂的极限模量逼近，模量与曝光量的关系为：式中，β为树脂的模量—曝光量常数；Ymax为树脂的极限模量；EC为树脂的临界曝光量；KP为比例常数。第二节光固化快速成型材料及设备激光快速成型系统中所用的光源为激光。激光是一种单色光，具有单一的波长，因此，式中的EC和β均为常数。液态光敏树脂对激光的吸收一般符合Beer-Lambert规则，即激光的能量沿照射深度成负指数衰减，如图2-4所示。图2-4树脂对激光的吸收特性第二节光固化快速成型材料及设备3.光固化成型材料介绍下面分别介绍Vantico公司、3DSystems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、适用场合以及选择 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 等。（1）Vantico公司的SL系列下表给出了Vantico公司提供的光固化树脂在各种3DSystems公司光固化快速成型系统和原型不同的使用性能和要求情况下的光固化成型材料的选择方案。第二节光固化快速成型材料及设备第二节光固化快速成型材料及设备第二节光固化快速成型材料及设备（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系统的ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40Nd系列型号和用于SLA250、SLA500系统的SI40Hc&AR型号等。部分3DSystems公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。第二节光固化快速成型材料及设备第二节光固化快速成型材料及设备（3）3DSystems公司的RenShape系列3DSystems公司研制的RenShape7800树脂主要面向成型精确及耐久性要求较高的光固化快速原型，在潮湿环境中尺寸稳定性和强度持久性较好，粘度较低，易于层间涂覆及后处理时粘附的表层液态树脂的流干，适用于高质量的熔模铸造的母模、概念模型、功能模型及一般用途的制件等。RenShape7810树脂与RenShape7800树脂的用途类似，制作的模型性能类似于ABS，用于制作尺寸稳定性较好的高精度高强度模型，适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树脂固化后的模型颜色为黑色，适于制作消费品包装、电子产品外壳及玩具等。RenShape7840树脂固化后的模型呈象牙白色，性能类PP塑料，具有较好的延展性及柔韧性，适于尺寸较大的概念模型。RenShape7870树脂制作的模型强度与耐久性都较好，透明性优异，适于高质量的熔模铸造的母模、大尺寸物理性能与力学性能都较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。第二节光固化快速成型材料及设备第二节光固化快速成型材料及设备（4）DSM公司的SOMOS系列DSM公司的SOMOS系列环氧树脂主要是面向光固化快速成型开发的系列材料，部分型号的性能及主要指标如下表所示。第二节光固化快速成型材料及设备2.2.2光固化快速成型设备20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的CharlesW.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。CharlesHull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。同年，CharlesHull和UVP的股东们一起建立了3DSystems公司，并于1988年首次推出SLA-250机型，如图所示。图2-53DSystems公司的SLA-250机型第二节光固化快速成型材料及设备目前，研究光固化成型（SLA）设备的单位有美国的3DSystems公司、Aaroflex公司，德国的EOS公司、F&S公司，法国的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公司以及国内的西安交通大学、上海联泰科技有限公司、华中科技大学等。在上述研究SLA设备的众多公司中，美国3DSystems公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大。3DSystems公司在继1988年推出第一台商品化设备SLA-250以来，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足的进步。其中，SLA3500和SLA5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成层厚最小可达0.05mm。第二节光固化快速成型材料及设备此外，还采用了一种称之为Zephyerrecoatingsystem的新技术，该技术是在每一成型层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05~0.1mm的待固化树脂，使成型时间平均缩短了20%。SLA3500和SLA5000两种型号设备如图2-6和图2-7所示。该公司于1999年推出SLA7000机型，如图2-8所示。SLA7000与SLA5000机型相比，成型体积虽然大致相同，但其扫描速度却达9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型层厚最小可达0.025mm，精度提高了一倍。3DSystems公司推出的较新的机型还有Vipersi2SLA（如图2-9所示）及ViperProSLA系统。第二节光固化快速成型材料及设备图2-63DSystems公司的SLA-3500机型图2-73DSystems公司的SLA-5000机型第二节光固化快速成型材料及设备图2-83DSystems公司的SLA-7000机型图2-93DSystems公司的Vipersi2SLA机型第二节光固化快速成型材料及设备图2-103DSystems公司的ViperProSLA机型第二节光固化快速成型材料及设备国内西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的研究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成型机如图所示。图2-11SPS600成型机图2-12LPS600成型机第二节光固化快速成型材料及设备西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征:①该成型机激光器、扫描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度SPS最大可达7m/s、LPS可达2m/s，精度达±0.1mm；全范围扫描分辨率达3.6μm，整机控制精度达50μm，高于国外同类机器水平，保证了可靠性；扫描光斑直径=0.2mm，SPS激光寿命>5000h，LPS激光寿命>2000h，与国外水平相同。②采用了快速排序分层法，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊断和修复功能。③国际上创新的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。优于美国3DSystems公司的工艺方法；拐角误差采用自适应延时控制，较少了轮廓误差的影响，此为国际首创。第二节光固化快速成型材料及设备④零件成型精度达±0.1mm(<100mm)或0.1%(>100mm)，与国外水平相同；样件测试尺寸合格率达到美国3DSystems公司SLA系列机器的水平，高于日本CMET公司Soup型机器的水平。⑤不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首创；且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和开放性。优于美国3DSystems公司、日本CMET公司的同类产品。⑥零件模型管理和成型数据生成软件在Windows95下自主开发、整机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且三维STL模型的检视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现了图视化操作；而成型控制软件是在DOS下开发，保证满足了控制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。第二节光固化快速成型材料及设备上海联泰科技有限公司开发的光固化成型设备主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等机型。图2-13RS-600S光固化成型机第二节光固化快速成型材料及设备第二节光固化快速成型材料及设备第二节光固化快速成型材料及设备1光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术35第二章光固化快速成型工艺光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。1.前处理前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。第三节光固化成型工艺的工艺过程（1）CAD三维造型三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，图2-14a给出的是小扳手在UGNX2.0上的三维造型。（2）数据转换数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图2-14b所示。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。第三节光固化成型工艺的工艺过程（3）确定摆放方位摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放，如图2-14c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。第三节光固化成型工艺的工艺过程（4）施加支撑摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是点接触，图2-14d示意的支撑结构就是点支撑。第三节光固化成型工艺的工艺过程a)CAD三维原始模型b)CAD模型的STL数据模型光固化快速原型前处理c)模型的摆放方位d)模型施加支撑图2-14模型支撑工作台第三节光固化成型工艺的工艺过程模型工作台支撑在快速成型制作中是与原型同时制作的，支撑结构除了确保原型的每一结构部分都能可靠固定之外，还有助于减少原型在制作过程中发生的翘曲变形。从图2-15还可见，在原型的底部也设计和制作了支撑结构，这是为了成型完毕后能方便地从工作台上取下原型，而不会使原型损坏。成型过程完成后，应小心地除去上述支撑结构，从而得到最终所需的原型。图2-15支撑结构示意图第三节光固化成型工艺的工艺过程支撑结构的作用和类型：作用：支撑作用和减少翘曲变形。类型：斜支撑主要用于支撑悬臂结构部分，在成型过程中为悬臂提供支承，同时也约束悬臂的翘曲变形。主要用于支承腿部结构直支撑十字壁板主要用于孤立结构部分的支撑。腹板主要用于大面积的内部支承。第三节光固化成型工艺的工艺过程（5）切片分层支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图2-17给出的是该扳手的光固化原型。图2-17某手柄的光固化快速原型第三节光固化成型工艺的工艺过程2.原型制作光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使得树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。图2-18给出的是SPS600光固化成型设备在进行光固化叠层制作时的界面。界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。第三节光固化成型工艺的工艺过程图2-18SPS600光固化成型设备控制软件界面第三节光固化成型工艺的工艺过程3.后处理在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型方法成型的原型，还需要进行后固化处理等，下面以某一SLA原型为例给出其后续处理的步骤和过程。第三节光固化成型工艺的工艺过程原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5~10min，以晾干多余的树脂。将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。12第三节光固化成型工艺的工艺过程从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。34第三节光固化成型工艺的工艺过程1光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术35第二章光固化快速成型工艺2.4.1光固化成型中树脂收缩变形树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其体收缩率约为10%，线收缩率约为3%。从分子学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩是必然的。树脂收缩主要有两部分组成:一部分是固化收缩，另外一部分是当激光扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀冷缩。常用树脂的热膨胀系数为10-4左右，同时，温度升高的区域面积很小，因此温度变化引起的收缩量极小，可以忽略不计。（1）零件成型过程中树脂收缩产生的变形（2）后固化时收缩产生的变形后固化收缩量占总收缩量的25%～40%左右。第四节光固化成型的精度及效率2.4.2光固化快速成型的精度光固化成型的精度一直是设备研制和用户制作原型过程中密切关注的问题。光固化快速成型技术发展到今天，其原型的精度一直是人们持续需要解决的难题。控制原型的翘曲变形和提高原型的尺寸精度及表面精度一直是研究领域的核心问题之一。原型的精度一般包括形状精度、尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。第四节光固化成型的精度及效率影响光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型过程中的数据处理、成型过程中光敏树脂的固化收缩、光学系统及激光扫描方式等。按照成型机的成型工艺过程，可以将产生成型误差的因素按下图所示分类。第四节光固化成型的精度及效率图2-20光固化成型误差1.几何数据处理造成的误差在成型过程开始前，必须对实体的三维CAD模型进行STL格式化及切片分层处理，以便得到加工所需的一系列的截面轮廓信息，在进行数据处理时会带来误差。如图2-22所示。措施（1）：直接切片为减小几何数据处理造成的误差，较好的办法是开发对CAD实体模型进行直接分层的方法，在商用软件中，Pro/Engineer具有直接分层的功能，如图2-23所示。图2-22弦差导致截面轮廓线误差图2-23Pro/E对实体的三维CAD模型直接分层第四节光固化成型的精度及效率措施（2）：自适应分层切层的厚度直接影响成型件的表面光洁度。因此，必须仔细选择切层厚度，有关学者采用不同算法进行了自适应分层方法的研究，即在分层方向上，根据零件轮廓的表面形状，自动地改变分层厚度，以满足零件表面精度的要求，当零件表面倾斜度较大时选取较小的分层厚度，以提高原型的成形精度；反之则选取较大的分层厚度，以提高加工效率，如图2-25所示。图2-25自适应分层第四节光固化成型的精度及效率2.成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形光固化成型工艺中，液态光敏树脂在固化过程中都会发生收缩，收缩会在工件内产生内应力，沿层厚从正在固化的层表面向下，随固化程度不同，层内应力呈梯度分布。在层与层之间，新固化层收缩时要受到层间粘合力限制。层内应力和层间应力的合力作用致使工件产生翘曲变形。措施如下：（1）成型工艺的改进（2）树脂配方的改进第四节光固化成型的精度及效率3.树脂涂层厚度对精度的影响在成型过程中要保证每一层铺涂的树脂厚度一致，当聚合深度小于层厚时，层与层之间将粘合不好，甚至会发生分层；如果聚合深度大于层厚时，将引起过固化，而产生较大的残余应力，引起翘曲变形，影响成型精度。在扫描面积相等的条件下，固化层越厚，则固化的体积越大，层间产生的应力就越大，故而为了减小层间应力，就应该尽可能地减小单层固化深度，以减小固化体积。措施如下：二次曝光法—多次反复曝光后的固化深度与以多次曝光量之和进行一次曝光的固化深度是等效的。第四节光固化成型的精度及效率4.光学系统对成型精度的影响在光固化成型过程中，成型用的光点是一个具有一定直径的光斑，因此实际得到的制件是光斑运行路径上一系列固化点的包络线形状。如果光斑直径过大，有时会丢失较小尺寸的零件细微特征，如在进行轮廓拐角扫描时，拐角特征很难成型出来，如图2-26所示。聚焦到液面的光斑直径大小以及光斑形状会直接影响加工分辨率和成型精度。图2-26轮廓拐角处的扫描第四节光固化成型的精度及效率措施（1）：光路校正在SLA系统中，扫描器件采用双振镜模块(图2-27中a和b)，设置在激光束的汇聚光路中，由于双振镜在光路中前后布置的结构特点，造成扫描轨迹在x轴向的“枕形”畸变，当扫描一方形图形时，扫描轨迹并非一个 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的方形，而是出现图2-28中的“枕形”畸变。“枕形”畸变可以通过软件校正。图2-28枕形畸变示意图图2-27振镜扫描系统原理结构图第四节光固化成型的精度及效率措施（2）：光斑校正双振镜扫描的另一个缺陷是，光斑扫描轨迹构成的像场是球面，与工作面不重合，产生聚焦误差或z轴误差。聚焦误差可以通过动态聚焦模块得到校正，动态聚焦模块可在振镜扫描过程中同步改变模块焦距，调整焦距位置，实现z轴方向扫描，与双振镜构成一个三维扫描系统。聚焦误差也可以用透镜前扫描和ƒθ透镜进行校正，扫描器位于透镜之前，激光束扫描后射在聚焦透镜的不同部位，并在其焦平面上形成直线轨迹与工作平面重合,如图2-27所示。这样可以保证激光聚焦焦点在光敏树脂液面上，使达到光敏树脂液面的激光光斑直径小，且光斑大小不变。图2-29fθ透镜扫描第四节光固化成型的精度及效率5.激光扫描方式对成型精度的影响扫描方式与成型工件的内应力有密切关系，合适的扫描方式可减少零件的收缩量，避免翘曲和扭曲变形，提高成型精度。SLA工艺成形时多采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径均互相平行，在边界线内往复扫描进行填充，也称为Z字形（Zig-Zag）或光栅式扫描方式，如图2-30a所示。但在扫描一行的过程中，扫描线经过型腔时，扫描器以跨越速度快速跨过。这种扫描方式，需频繁跨越型腔部分，一方面空行程太多，会出现严重的“拉丝”现象(空行程中树脂感光固化成丝状)；另一方面扫描系统频繁地在填充速度和快进速度之间变换，会产生严重的振动和噪声，激光器要频繁进行开关切换，降低了加工效率。第四节光固化成型的精度及效率图2-30b中采用分区扫描方式，在各个区域内采用连贯的Zig-Zag扫描方式，激光器扫描至边界即回折反向填充同一区域，并不跨越型腔部分；只有从一个区域转移到另外一个区域时，才快速跨越。这种扫描方式可以省去激光开关，提高成型效率，并且由于采用分区后分散了收缩应力，减小了收缩变形，提高了成型精度。a)顺序往复扫描b)分区域往复扫描图2-30Z字形扫描方式第四节光固化成型的精度及效率光栅式扫描又可分为长光栅式扫描和短光栅式扫描。应用模拟和试验的方法扫描加工悬臂梁，结果表明与长光栅式扫描相比较采用短光栅式扫描更能减小扭曲变形。采用跳跃光栅式扫描方式（如图2-31所示）能有效的提高成型精度，因为跳跃光栅式扫描方式可以使已固化区域有更多的冷却时间，从而减小了热应力。a)跳跃长光栅式扫描方式b)跳跃短光栅式扫描方式图2-31跳跃光栅式扫描方式第四节光固化成型的精度及效率对扫描方式的研究表明，在对平板类零件进行扫描时易采用螺旋式扫描方式（如图2-32所示），且从外向内的扫描方式比从内向外的扫描方式加工生产的零件精度高。b)跳跃短光栅式扫描方式图2-32螺旋式扫描方式a)跳跃长光栅式扫描方式第四节光固化成型的精度及效率6.光斑直径大小对成型尺寸的影响在光固化成型中，圆形光斑有一定直径，固化的线宽等于在该扫描速度下实际光斑直径大小。如果不采用补偿，光斑扫描路径如图2-33a所示。成型的零件实体部分外轮廓周边尺寸大了一个光斑半径，而内轮廓周边尺寸小了一个光斑半径，结果导致零件的实体尺寸大了一个光斑直径，使零件出现正偏差。为了减小或消除实体尺寸的正偏差，通常采用光斑补偿方法，使光斑扫描路径向实体内部缩进一个光斑半径，如图2-33b所示。从理论上说，光斑扫描按照向实体内部缩进一个光斑半径的路径扫描，所得零件的长度尺寸误差为零。第四节光固化成型的精度及效率a)未采用光斑补偿时的扫描路径b)采用光斑补偿时的扫描路径图2-33光斑尺寸及扫描路径对制件轮廓尺寸的影响7.激光功率、扫描速度、扫描间距产生的误差光固化快速成型过程是一个“线—面—体”的材料累积过程，为了分析扫描过程工艺参数（激光功率、扫描速度、扫描间距）产生的误差，首先对扫描固化过程进行理论分析，进而找出各个工艺参数对扫描过程的影响。第四节光固化成型的精度及效率4.3光固化成型的制作效率1.影响制作时间的因素光固化成形零件是由固化层逐层累加形成的，成形所需要的总时间由扫描固化时间及辅助时间组成，可表示为：成形过程中，每层零件的辅助时间tp与固化时间tci的比值反映了成形设备的利用率，可以通过如下 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 表示：可以看出，当实体体积越小，分层数越多时，辅助时间所占的比例就越大，如制作大尺寸的薄壳零件，这时成型设备的有效利用很低，因此在这种情况下，减少辅助时间对提高成型效率是非常有利的。第四节光固化成型的精度及效率2.减少制作时间的方法针对成形零件的时间构成，在成形过程中，可以通过改进加工工艺、优化扫描参数等方法，减少零件成形时间，提高加工效率，实际使用中通常采用以下几种措施：（1）减少辅助成形时间辅助时间与成型方法有关，一般可通过如下公式表示为：式中　—工作台升降运动所需要的时间；—完成树脂涂覆所需要的时间；—等待液面平稳所需的时间。可见减少升降时间、树脂涂覆时间及等待时间，可以减少成型中的辅助时间。第四节光固化成型的精度及效率（2）层数较小的制作方向零件的层数对成型时间的影响很大，对于同一个成形零件，不同的制作方向的条件下，成型时间差别较大。快速成型方法制作零件时，在保证质量的前提下，应尽量减少制作层数。对零件制作方向进行优化选择可以降低成型时间，对比不同制造方向时的成型时间，可以看出，选择制作层数较少的制作方向，零件制作时间不同程度地减少，甚至减少了近70%的制作时间。第四节光固化成型的精度及效率3.扫描参数对成型效率的影响每一层的扫描时间可以降低零件的总成型时间，提高成型效率。每一层的扫描时间与扫描速度、扫描间距、扫描方式及分层厚度有关，通常扫描方式和分层厚度是根据工艺要求确定的，每层的扫描时间取决于扫描速度及扫描间距的大小，其中扫描速度决定了单位长度的固化时间，而扫描间距的大小决定单位面积上扫描路径的长短。第四节光固化成型的精度及效率光固化快速成型中，光源的能量不是均匀分布的，光束的能量分布符合高斯分布曲线，光敏树脂固化时对紫外光的吸收一般符合Beer-Lanbert规则，树脂吸收紫外光引发光化学反应，这一光化学反应主要由Grottus-Draper和Einstein定律支配，反应后树脂固化，轮廓曲线近似为高斯曲线，其轮廓理论曲线如图2-38所示。图2-38树脂固化截面理论形状第四节光固化成型的精度及效率光束固化一个平面时，固化面是由一系列相邻的固化线相互粘结而组成。由于树脂固化线的宽度大于扫描间距(通常0.1mm)，成型中相邻扫描线之间产生部分重叠，图2-39是一个平面固化时的示意图,相邻固化线之间的重叠部分的大小决定于光斑的直径和扫描间距的大小，实际成型中相邻固化线之间有较大的重叠，因此可以采用较大的扫描间距，相邻固化线之间仍然可以有效地相互粘结。图2-39相邻固化线的重合第四节光固化成型的精度及效率扫描间距的提高缩短了紫外光在固化平面往复运动时的扫描距离，表2-8为不同的扫描间距下零件的制作时间，当扫描间距提高到0.2mm时，这时零件的制作时间只有间距为0.1mm时的52%～62%，成型时间减少接近一半，而当扫描间距提高到0.3mm时，制作时间只有间距0.1mm时的40%左右，即在同样的制作条件下，适当提高固化成型中的扫描间距，可以有效减少零件制作时间，提高制作效率。第四节光固化成型的精度及效率1光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术35第二章光固化快速成型工艺在微电子和生物工程等领域，制件一般要求具有微米级或亚微米级的细微结构，而传统的SLA工艺技术无法满足这一领域的需求。尤其在近年来，MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems）和微电子领域的快速发展，使得微机械结构的制造成为具有极大研究价值和经济价值的热点。微光固化快速成型μ-SL（MicroStereolithography）便是在传统的SLA技术方法基础上，面向微机械结构制造需求而提出的一种新型的快速成型技术。目前提出并实现的μ-SL技术主要包括基于单光子吸收效应的μ-SL技术和基于双光子吸收效应的μ-SL技术，可将传统的SLA技术成型精度提高到亚微米级，开拓了快速成型技术在微机械制造方面的应用。第五节微光固化快速成型制造技术1.基于单光子吸收效应的μ-SL技术光固化过程中，树脂分子对光能的吸收是以单个光子为单位的，因此被称为“单光子吸收光聚合反应”，简称为SPA（Single-PhotonAbsorbedPhotopolymerization）。以单光子吸收（SPA）效应为反应机理的SLA技术，其成型精度取决于光斑大小、固化时间、固化层厚度等工艺参数，目前可以达到±0.1mm的精度。如果优化光路系统及机械传动系统，可以将SLA的精度提高到微米级，使光固化成型技术实现微米级的复杂三维结构的构建，即能够实现μ-SL技术。目前，以SPA效应为反应机理的μ-SL技术有两种主要的成型模式：扫描式μ-SL（ScanningMicroStereolithography）和遮光板投影式μ-SL（MaskProjectionMicroStereolithography）。第五节微光固化快速成型制造技术（1）扫描式μ-SL扫描式μ-SL和传统的SLA技术原理相同，但采用的控制系统和传动控制更为精确。如图2-40所示，在扫描式μ-SL中，通常采用光源固定，而工作台相对运动的方式来进行扫描。这样就可以避免由于光源移动引起的光斑尺寸的变化，从而避免了因为固化区尺寸的不恒定因素而引起的尺寸精度的下降。扫描式μ-SL采用单层逐步扫描的成型方式，效率较低。为了克服这一技术缺陷，提出了遮光板投影式μ-SL（MaskProjectionMicroStereolithography）的方案，利用具有制件截面形状的遮光板，通过一次曝光，一次性整体固化一个截面，然后通过逐层叠加形成实体形状。图2-40基于单光子吸收效应的μ-SL技术原理示意图第五节微光固化快速成型制造技术（2）遮光板投影式μ-SL（MPμ-SL）遮光板投影式μ-SL（MPμ-SL）的概念，由德国卡尔斯鲁厄研究中心于上个世纪八十年代提出，又被称为LIGA（德语LithographieGalvanoformungAbformung的简写）技术。如图2-41所示，LIGA技术采用X射线作为固化光源，通过具有一定形状的遮光板，将受控后的射线投影在树脂表面，使树脂受光照的部分发生固化，通过逐层叠加的方式最终形成复杂的实体形状。这一工艺虽然相对于扫描式μ-SL效率较高，但在制作形状较为复杂的工件时，因为需要制备大量的遮光板，成本较高。图2-41遮光板投影式μ-SL技术原理示意图第五节微光固化快速成型制造技术为解决这一问题，一种新的制造理念被提了出来，即结合现有的比较成熟的计算机图像生成技术，以动态遮光板(DynamicMask)取代传统的遮光板。其原理如图2-42所示，根据计算机CAD造型的实体信息，获得制件每一层切片的具体信息，并由此生成具有制件截面形状的“动态遮光板”，以生成具有相应形状的固化层并逐层的叠加生成实体。其工作原理与扫描式μ-SL大体相同，只是不需要制备大量的遮光板，大大降低了成本。图2-42动态遮光板式μ-SL技术原理示意图第五节微光固化快速成型制造技术MPμ-SL的研究主要集中在提高动态遮光板的分辨率，以制作尺寸更小的三维像素，从而提高制件的制作精度。目前MPμ-SL技术按照生成动态遮光板的不同方法有如下三种：SLM(SpatialLightModulators)技术，LCD（LiquidCrystalDisplay）技术以及DMD(DigitalMicromirrorDevice)技术。SLM技术由贝尔实验室开发，目前已经投入商业应用，在芯片制造业发挥了巨大的作用，可以生成1280x1024的像素点阵，每个像素的尺寸为17～30μm。LCD技术生成像素点的尺寸较大，并且无法使用市场上现有的光敏树脂，在一定程度上限制了这一技术的推广。第五节微光固化快速成型制造技术DMD技术由Texas设备公司开发，是目前比较流行的一种动态遮光板生成方式。其原理如图2-43所示。DMD由许多的微镜面构成（MicroMirror），每一个微镜面对应成型面上的一个像素点。通过控制微镜面的关闭与打开，可以控制光路的闭合，进而控制光敏树脂成型面上相应位置点的固化与否。首先将制件的形状通过CAD实体文件的形式表示出来，然后将实体切片并把每层的切片信息转化为点阵图的形式，以此为依据可以控制DMD中微镜面的闭合，从而达到生成动态遮光板的目的。图2-43基于动态遮光板式的DMDMPμ-SL技术原理第五节微光固化快速成型制造技术DMDMPμ-SL与LCDMPμ-SL相比，可生成更小的像素点，并且由于DMD的响应速度更快，因此可以更为精确的控制曝光时间。图2-44所示为采用DMDMPμ-SL技术做作的三维微结构实例。图中，实例(a)为微矩阵结构，共110层，每层层厚为5μm；(b)为微型柱组成的阵列，每根微型柱直径为30μm，高1000μm；(c)为螺旋微结构阵列，整体螺旋直径为100μm，螺旋线轴径为25μm；(d)为亚微米级微结构，直径为0.6μm。第五节微光固化快速成型制造技术图2-44基于动态遮光板方式的μ-SL技术制作的三维微结构(a)(b)(c)(d)2.基于双光子吸收效应的μ-SL技术双光子吸收理论虽然早在1931年便被提出，但一直到1960年才在实验室观测到了双光子吸收效应。此后，双光子吸收领域的研究取得了快速发展，其科研成果在许多方面投入实际应用。图2-45a所示为单光子吸收后发出荧光的过程。入射光为紫光，波长为400nm，当此能量正好等于基态与激发态之间的能量差时，此能量将被基态电子吸收，使基态电子跃迁至具有较高能量的激发态，经过了一定的生命期后，此电子返回基态时的能量差时将以光能的形式放出，这个现象就是单光子吸收激发荧光。图2-45b所示为双光子吸收效应激发的荧光。当入射光为波长800nm的近红外光时，由于其波长为紫光的两倍，光子能量相应为紫光的二分之一。单个近红外光光子没有足够的能量将图中处于基态的电子激发，但是两个近红外光光子可以达到一个紫光光子的作用，使处于基态的电子能够吸收两个光子的能量，跃迁至激发态。第五节微光固化快速成型制造技术a)单光子b)双光子图2-45光子吸收效应激发荧光示意图第五节微光固化快速成型制造技术以双光子吸收效应代替传统光固化成型过程中单光子吸收的过程，就实现了所谓的双光子吸收光聚合反应。双光子吸收光固化成型的实现需要采用不同于传统光固化成型的机制。首先，双光子吸收是非线性效应，需要采用能量较高的入射光源。目前常用的光源为飞秒级激光，配合采用高倍显微镜物镜聚焦，以获得能量极高的光斑。选择飞秒级激光光源的另一优势是这一波长范围内的激光不会使目前光固化成型中使用的光敏树脂充分固化，这是因为一般光固化成型中使用的光敏树脂的敏感波长范围为350～400nm的紫外区，而飞秒级近红外激光的波长范围为750～800nm，不会使树脂发生光固化反应。如图2-46a所示，在成型过程中，高能激光由高倍显微物镜聚焦，使树脂液面之下的焦点处能量达到引发双光子吸收效应的强度，而焦点之外光路中的光因为光强不足无法引发聚合效应，因此光固化反应仅发生在焦点位置，实现了局部固化，从而大大提高了光固化成型的精细度。通过控制焦点的位置，可以控制固化点的位置，在得到一系列的固化点后，便组成具有复杂形状的制件，如图2-46b所示。第五节微光固化快速成型制造技术图2-46高能激光经物镜聚焦后在树脂内部焦点处形成局部固化区a)高能激光经物镜聚焦后在树脂内部焦点处形成局部固化区b)通过控制焦点位置成形截面形状第五节微光固化快速成型制造技术由于双光子吸收效应属于非线性过程，根据非线性的特性，可以使固化物的尺寸小于光点的大小，从而达到次衍射极限。因此，μ-SL可以达到的最小的三维像素的大小，将决定于树脂分子的大小。μ-SL中的扫描方式主要有两种：微点扫描法和法线扫描。两种方法各有自己的优点，如图2-47所示，采用μ-SL制作界面形状为字母“C”的制件，如果采用微点扫描法，将逐个生成三维像素点，精度较高，但效率较低；采用线扫描法，虽然效率较高，但精度不如微点扫描法。如果制作亚微米级的复杂结构，应选用微点扫描法，以保证制件精度。图2-47μ-SL技术中的激光扫描方式a)微点扫描法b)线扫描法第五节微光固化快速成型制造技术图2-48所示为采用微点扫描法制作的微型柱结构的SEM图像。在二维平面上，每隔20μm放置一根微型柱，微型柱直径为1.2μm，高9.4μm，在200μm×200μm的范围之内工作做100根微型柱。实验中使用SL-5510型光敏树脂，入射光功率为12.5mW,每根微柱的曝光时间为2.4秒。微光固化快速成型(μ-SL)技术早在上个世纪八十年代就已经被提出，经过将近二十多年的努力研究，已经得到了一定的应用。但是，绝大多数的μ-SL制造技术成本相当高，因此多数还处于实验室阶段，离实现大规模工业化生产还有一定的距离。今后该领域的研究方向如下：（1）开发低成本生产技术，降低设备的成本；（2）开发新型的树脂材料；（3）进一步提高光成型技术的精度；（4）建立μ-SL数学模型和物理模型，为解决工程中的实际问题提供理论依据；（5）实现μ-SL与其它领域的结合，例如生物工程领域等。第五节微光固化快速成型制造技术图2-48采用微点扫描法制作的微型柱结构的SEM图像第五节微光固化快速成型制造技术第二章光固化快速成型工艺1．叙述光固化快速成型的原理2．光固化快速成型的特点有哪些？3．光固化材料的优点有哪些？光固化树脂主要分为几大类？5．光固化成型工艺过程主要分为几个阶段，其后处理工艺过程包括哪些基本步骤？6．光固化成型的支撑结构的类型有哪些？支撑的作用是什么？7．光固化原型工艺中的收缩变形来自于哪几个方面？8．影响光固化原型精度的因素有哪些？为提高原型精度，各因素是如何控制的？思考题4．列举供应光固化成型设备国内外主要商家及其基本型号9．影响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？