第二章液态光敏聚合物选择性固化

上次课内容回顾1、快速成型技术的理论基础；2、快速成型技术的原理。第二章快速成型工艺液态光敏聚合物选择性固化(光固化成型）一．概述•液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithographyApparatus，简称SLA），又称立体平板印刷技术，或称光固化立体造型，是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形方法。在国际市场上占的份额最大，约为78％左右。二．光固化立体成形（SLA）装置三．SLA成形原理•1.利用计算机控制下的紫外激光，按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的光敏树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面；SLA成形原理•2.当一层固化完毕，移动升降台，在原先固化的树脂表面上再敷上一层新的液态树脂（自动过程，依靠树脂的流动性），刮刀刮去多余的树脂；SLA成形原理•3.激光束对新一层树脂进行扫描固化，使新固化的一层牢固地粘合在前一层上；•4.重复（2）步和（3）步，至整个零件原型制造完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。四．SLA成形系统的组成及各部分的作用•SLA成形系统由激光器、X－Y运动装置、光敏液态聚合物、液槽、升降台、刮刀和控制软件组成。SLA成形系统的组成及各部分的作用•1.激光器•作用：产生激光•SLA成形系统的激光器大多以紫外线为光源。SLA成形系统的组成及各部分的作用•SLA用激光器有两种类型：•氦－镉（He－Cd）激光器，输出功率15～50mW（毫瓦），属于低能量激光，输出波长325nm，激光器寿命2000h。•氩（Ar）激光器，输出功率100～500mW（毫瓦），属于高能量激光，输出波长351～365nm，激光器寿命约5000h。SLA成形系统的组成及各部分的作用•激光光斑直径一般为0.05～3.00m，激光位置精度可达0.008mm，重复精度可达0.13mm。SLA成形系统的组成及各部分的作用•激光束扫描装置有两种方式：•1.电流计驱动的扫描镜方式，适合于制造尺寸较小的高精度原型件。•2.X－Y绘图仪方式，适合于制造大尺寸的高精度原型件。SLA成形系统的组成及各部分的作用•2.液槽•作用：盛放光敏树脂•采用不锈钢制作，其尺寸由原型件尺寸决定。SLA成形系统的组成及各部分的作用•3.升降台•作用：控制成形工件的升降。•由电机控制，最小步距在0.02mm以下。SLA成形系统的组成及各部分的作用•4.刮刀•作用：保证新一层树脂迅速、均匀的涂覆在已固化的层上，保证每一层厚度均匀。SLA成形系统的组成及各部分的作用•5数字控制系统和数字软件•作用：1.使CAD模型转化成适合于立体印刷成形的文件格式，即STL格式，然后对模型进行平面分层，得到每一个截面的形状。2.控制激光器、激光束扫描装置、升降台、刮刀的运动。五．SLA成形的工艺过程五．SLA成形的工艺过程•1.模型设计在CAD造型软件中完成原型件的几何建模，并将其转化成STL格式。•2.模型切片模型切片指用专用的分层软件对STL格式文件进行分层处理，得到每一层的截面图形及有关的网格矢量数据，用于控制激光束的轨迹。模型切片还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择和确定。五．SLA成形的工艺过程•3.工件建立工件建立指液态光敏树脂逐层固化得到原型件的过程。工作台初始时在液态光敏树脂液面下一个层厚的距离，通常是0.125~0.75mm。每固化一层工作台下降一个层厚的高度。五．SLA成形的工艺过程•4.后固化处理•后固化处理指的是用很强的紫外光照射刚成形的原型件，使之充分固化。•原因：刚刚建立的原型件强度低，通过后固化处理才可达到要求的性能。•固化时间一般为30min。六．SLA成形后处理•在叠层制备完成后，需要进行剥离等后处理工作，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，还要进行后固化处理等，具体为：•１．叠层结束后，工作台升出，停留几分钟，凉干多余树脂•２．用酒精等清洗原型和工作台•３．由外向内取出原型，去除支撑结构•４．再次清洗后置于烘箱进行整体固化八．SLA原型的变化和控制•１．树脂收缩及原因：树脂会发生收缩．•收缩原因：固化收缩和温度变化的热胀冷缩•２．零件成型过程中树脂收缩产生的变形：翘曲•３．零件后固化时收缩产生变形九．SLA用的材料•1.对材料的要求:•(1)固化快,几秒钟固化•(2)不需要加热,见光固化•(3)可配成无溶剂产品,减少污染•2.根据光引发剂引发机理的不同，SLA采用的材料有３种：自由基树脂,主要有:丙烯酸树脂（AcrylicResin），阳离子树脂,主要有:环氧化合物树脂（Epoxy），混杂树脂．十．SLA成形过程中的操作事项•1.SLA在建立原型件的过程中要设计支撑•支撑的作用：其一是支撑原型件的悬臂或是中空的结构，以顺利建立原型件；其二是使原型件坚固地黏结在建立的底座上，从而避免底座浸入液槽和刮刀刮平表面树脂时，原型件飘起。十．支持结构•1、支撑的要求：支撑在原型件建立后应能方便的去除，所以要考虑其结构，在能够稳定支撑的前提下，尽量设计成容易去除的结构，如细丝状的网状结构。•2、支持的作用：对成型特殊的工件（上表面横截面积大，下表面小的工件）需要用到支持结构，在成型过程中对工件起支持作用•3、支持带来缺点：在除去支持时对工件会产生一定的破坏，导致精度问题。十一．SLA成形的优缺点•一.SLA快速原型技术的优点•1.系统工作稳定。系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无需专人看管，直到整个工艺过程结束。十一．SLA成形的优点•2.尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。•但国内SLA工件的精度在0.1—0.3mm之间，并且存在一定的波动性。十一．SLA成形的优点•3.表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。十一．SLA成形的优点•4.系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。•5.成形速度较快。十二．SLA快速原型技术的缺点•1.需要专门实验室环境，维护费用高昂。•2、成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。十二．SLA快速原型技术的缺点•3.光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，使聚合物收缩产生内部应力，导致软薄部分的弯曲和卷翅。十二．SLA快速原型技术的缺点•4.氦-镉激光管的寿命仅2000小时，价格较昂贵，运行费用高。•5.可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。十二．SLA快速原型技术的缺点•6.需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位。支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。十三．SLA成形的用途•SLA快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。主要用在汽车,电子,医学等领域.本次课内容总结：•1、光固化成型的原理；•2、光固化成型的设备组成和个组成的作用；•3、光固化成型过程；•4、光固化成型精度问题；•5、支持结构问题；•6、光固化成型特点。