光固化快速成型技术中的一些改进--党国华3110301063

1西安交通大学党国华光固化快速成型技术中的一些改进1引言快速成型(RP)技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件(模具)，有效地缩短产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。使用RP技术，把概念设计置于昂贵的模具制造这一序之前，能给设计和制造人员以检验及修改设计的机会。因此，在制造业飞速发展的今天，它的应用前景非常好。目前已有的快速成型技术有激光光固化(Stereolithography，简称SL)、熔融沉积成形(FusedDepositionModeling，简称FDM)、分层实体制造(LaminatedObjectManufacturing，简称LOM)和激光选区烧结(SelectiveL丑8erSintefing，简称SIS)。但是它们之间不同程度地存在着成型精度与成型成本的矛盾，这也在一定程度上阻碍了快速成型技术的发展。为了平衡成型精度与成型成本之间的矛盾，促进快速成型技术的应用和普及，本文将分别介绍光固化快速成型的涂覆方法和基于冰上的光固化快速成型方法[1]。2激光固化快速成型技术简介激光固化快速成型技术(SLA)是最早出现的快速成型技术之一，它是从制作零件的CAD几何模型出发，通过专用的前处理分层离散软件将模型离散，再输入数控成型机制造系统，用运动轨迹受控的激光束照射光敏树脂材料的方法，将材料一层一层固化堆积，直至形成实体零件[2]。激光固化快速成型机的工作过程大致叙述如下：快速成型机液槽中盛满液态的光敏树脂，激光束在偏转镜的作用下，在液体表面上按照一定的轨迹和规律进行扫描，激光点扫描到的地方，液体就固化。成型开始时，快速成型机工作平台处于液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化；当一层扫描完成后，未被激光照射的地方仍然是液态的树脂，固化后的层面形状就是零件在该层的切面形状；然后，升降台带动零件的托盘平台精确下降一个切层的高度，已成型的层面上又被一层新的树脂覆盖，刮平器将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描；新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个零件的三维实体原型[3]。图1为SLA的工作原理图[4]：2图1SLA工作原理图3激光固化快速成型的涂覆方法3.1涂覆方法的作用由SLA的工作原理可知，当针对某个层面的树脂进行激光扫描，使树脂固化后，快速成型机的升降台会在计算机系统的控制下，带动零件的托盘平台下降一个切层的高度，使已成型的零件最上部的层面被新的一层树脂所覆盖，这样才能对下一层树脂进行扫描和固化，完成整个零件的制作。但由于树脂材料具有较大的黏度，流动性能不好，因此当托盘平台下降一个切层的高度后，新的树脂往往不能迅速、平整地覆盖到已成型的零件最上部的层面，从而影响成型件制作的时间进度和成型件质量。涂覆的方法作用就是针对不同零件的结构和层面特征，采用快捷、有效的方法，使已固化的一层表面快速、均匀地覆盖新一层树脂，以便继续进行零件的扫描和固化工作。目前，比较常用的涂覆方法主要有吸附式和浸没式两种。3.2吸附式涂覆方法图2吸附式涂覆机构原理图吸附式涂覆机构主要由真空泵、气体控制阀门、吸附槽、刮刀(由前、后刃组成)和气体管道等部分组成。当一层树脂固化完成后，升降台会直接带动零件的托盘平台精确下降一个固化的层厚，并停在该位置不动，紧接着，由前、后刃和吸附槽所组成的刮板立即进行涂覆运动。当涂覆运动开始时，真空泵开始抽气，使刮板的吸附槽内吸上一定3量的树脂；在刮板移动的过程中，吸附槽内的树脂则涂到已固化的零件层面上，刮板的前、后刃一方面修平高出的多余树脂，使液面平整，另一方面可以消除树脂中所产生的气泡。吸附式涂覆机构比较适合于断面尺寸较小的固化层面，但如果设置适当的刮板移动速度，它也可使较大的区域得到精确涂覆[5]。3.3浸没式涂覆方法当被加工的零件具有很大尺寸的实体断面时，采用上述吸附式涂覆装置很难保证可靠涂覆，有些地方会因为吸附槽内的树脂材料不够，出现涂不满现象，在这种情况下，必须通过浸没式涂覆技术来解决。当上一层树脂固化完成以后，托盘平台不是仅仅下降一个固化的层厚，而是根据零件实际情况下降一个预先设定好的较大的深度(即下潜深度，例如5mm)，并稍作停顿，然后，托盘平台上升至比上一层低一个层厚的位置，接着刮板按设定的次数作刮平操作，把托盘平台上升过程中堆积在零件顶层上的多余树脂刮掉，刮平后，由于液面下边界条件的影响以及树脂的黏流特性，树脂面虽比刮平前平坦，但仍不够平整，需要等待一定的时间才能平整，待树脂面平整后，即可进行下一个层面的扫描、固化工作。4基于冰上的光固化快速成型方法4.1工作原理简介基于冰上的光固化快速成型技术是一种利用光敏树脂在特定波长的紫外光照射下固化和水在低温下凝固成冰的物理特性，并综合了现有的光固化(SL)和熔融沉积成形(FDM)设备的工作原理的新型快速成型技术，它在保证高精度的同时大大降低了制造设备和成型的成本，将势必加速对快速成型技术的应用和普及。4.2所用材料的选择采用光敏树脂做原型材料，能在特定波长的紫外光照射下发生光聚合反应而固化，膨胀系数小，凝固点应不高水的冰点且不溶于水。用水做支撑材料，需添加适量的增稠剂，增加水的黏稠性，使水从喷嘴里喷出来在凝固之前不至于散掉而保证圆柱的形状。4.3成型过程4.3.1三维造型制造一个产品，首先要通过三维造型软件(如：Pro／E、UG、SolidWorks)进行产品的三维模型构造，然后将得到的三维模型转换为STL格式，再将STL格式的模型导入到专用的切片软件中进行切片，无需添加额外支撑。44.3.2基底的制作为了将ISL原型的叠件与工作台牢固连接和确保原型能顺利地取下，需要制作基底。基底是用水做的，为了使从喷头喷出的水流瞬间凝固成冰(喷头喷出的为0℃的水)，需要将成型腔的温度控制在-10℃左右，从而使凝固的冰丝截面成圆形。通常设3-5层的叠层作为基底。4.3.3原型的制作制作完基底后，原型制作就开始了。首先根据切片信息控制成型喷头完成一层的成型件制作(通过控制成型腔内均匀布置的紫外灯的强度，使喷出的0℃光敏树脂流瞬间固化，从而确保固化后的树脂为圆形)，片层的其余部分再用支撑喷嘴将其填满，这样就完成了一整层的制作，接着将工作台下移一个层厚的距离，再制作下一层，如此反复直到整个原型制造完毕。4.3.4余料去除余料主要是冰，去除比较简单。在制造过程中，原型(光敏树脂)始终暴露在紫外光下，得到了一定的固化，为了使它彻底固化，在余料去除时继续对其进行紫外光照射，可以省去对原型进行二次固化。停止对成型腔进行制冷，使其温度慢慢恢复到室温，同时余料(冰)也慢慢地融化成水，从升降台的网孔排出，最后工作台上留下的便是要制作的原型。4.3.5后处理余料去除后，为提高原型表面质量或需要进一步翻制模具，则需对原型进行后置处理。经过必要的后置处理工作，就能满足对快速原型表面质量、尺寸稳定性、精度和强度等的特殊要求。4.4特点4.4.1余料去除容易没有添加额外的支撑，唯一的余料就是冰，只要提高温度，余料就自动消失了，避免了在这一过程中对原型造成损害。4.4.2较高的表面质量和精度采用适当的涂覆技术，使零件的制作过程顺利、快速地进行。并且由于喷嘴中喷出的是液体材料，所以喷嘴的直径可以设计的比FDM中的小，从而确保有较高的原型精度5和表面质量。4.4.3对环境污染小虽然光敏树脂具有毒性，但它得到了完全的使用，对环境几乎不会构成危害，再加上余料是水而且还可以循环利用，也就满足了环保的要求。4.4.3可成型复杂零件由于它是利用水做原型的支撑，去除方便、容易．也不会对原型造成损害。所以只要有CAD模型就能制造出原型。对零件复杂程度没有要求。5小结快速成型技术是一种处在发展完善过程的高新技术，其技术本身和应用领域尚需进行大量的开发研究。在成型中使用涂覆的方法可以使光敏树脂表面平整，大大提高原型的表面质量和精度。基于冰上的光固化快速成型技术是在现有技术的基础上提出来的，它综合了激光光固化(SL)和熔融沉积成形(FDM)的一些特点，并结合实际情况对其进行了完善，在一定程度上可以降低快速成型技术应用的门槛，加快快速成型技术在各个领域中的应用和普及。希望将其早日应用到实际生产上，从而为我国的快速自动成型事业的健康发展以及制造业水平的提高作出贡献。参考文献［1］邓三鹏．先进制造技术[M]．北京：中国电力出版社，2006．［2］孟宝全，赵淑玉．快速自动成型技术的原理及其发展趋势[J]．装备制造技术，2008(4)：114-115．［3］史玉升，莫健华，黄树槐，等．常用快速成形系统及其选择原则[J]．锻压机械，2001(2)：1-7．［4］刘伟军．快速成型技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，2005．［5］王葵，姜海，蒋克荣．立体光固化快速成型技术的应用和发展[J]．新技术新工艺，2008(2)：55-56．