光固化快速成型技术的控制原理及应用 - 文章

光固化快速成型技术的控制原理及应用

作者：空军雷达学院李静

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摘要：光固化快速成型技术是一种新型加工方法，它集现代数控技术、CAD/ CAM 技术、激光技术和新材料技术于一体，突破了传统加工模式，大大缩短产品生产周期，在制模、直观分析测试制品及医学上有广泛的用途。本文概述了光固化快速成型技术的原理及应用。
关键词：光固化快速成型；原理；控制；应用

快速成型技术是当今世界飞速发展的制造技术之一。这种方法能简捷、全自动地制造出历来各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在加工技术领域具有划时代的作用[1，2]。

光固化快速成型技术(Stereo Lithography Apparatus 简称SLA)是80年代中期开发的先进制造手段，在快速成型方法中使用较为广泛。它的突破性在于将传统的“去除”加工法(由毛坯去除多余部分制成零件)改进为增加加工法(由材料逐层累积形成零件)。SLA以其方便、生产周期短而在铸造、模具与塑料加工行业得到了越来越广泛的应用[3～5]。

1 成型原理

光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，它的成型原理[6～8]是：SLA将所设计零件的三维计算图像数据转换成一系列很薄的模型截面数据，然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓。下一层以同样的方法制造。该工艺从零件的最底薄层截面开始，一次一层连续进行，直到三维立体模型制成。一般每层厚度为0.076～0.381mm，最后将制品从树脂液中取出，进行最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色即可。图1所示为SLA控制原理示意图。

图1 SLA 控制原理

要实现光固化快速成型，感光树脂的选择也很关键。它必须具有合适的粘度，固化后达到一定的强度，在固化时和固化后要有较小的收缩及扭曲变形等性能。更重要的是，为了高速、精密地制造一个零件，感光树脂必须具有合适的光敏性能，不仅要在较低的光照能量下固化，且树脂的固化深度也应合适。

2 成型过程及控制

光固化快速成型的过程分为前处理、分层叠加成型及后处理三个阶段，具体步骤如图2所示。

图2 SLA 的工艺过程

快速成型机只能接受计算机构造的三维模型，然后才能进行切片处理。因此，应在计算机上采用计算机三维辅助设计软件，根据产品的要求设计三维模型或将已有产品的二维三视图转换成三维模型。

制品越复杂，构制三维模型越困难。用于构造模型的计算机辅助设计软件很关键，要求具有较强的三维造型功能。目前快速成型行业中常用的计算机辅助软件系统主要有Pro/ENGINEER、AutoCAD等。其中，Pro/ENGINEER软件因有较强的实体造型和表面造型功能，可构造非常复杂的模型，所以受到许多用户的好评，但其价格较贵，系统较庞大，使用界面不够友好，新用户使用常需一段熟悉和积累经验的过程。AutoCAD虽价格低，操作简单，但成型复杂制品困难，设计费工费时。近年推出的SolidWorks的价格比较便宜，能基本满足三维造型的要求，且界面友好，容易掌握，因此不少用户对此软件感兴趣。

上述计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，基中常见的有IGES(International Graphics Exchange Standard)、HPGL(HP Graphics Language)、STEP(Standard for the Exchange of Product)、DXF、STL(Stereo Lithography Interface Specification)等。STL格式是快速成型机常采用的一种模型文件输出格式。

3 应用

要将一种新产品成功地投入到竞争激烈的市场中需要其产品开发的速度快及生产周期短。只有将快速与柔性制造工艺结合才能达到理想效果。SLA集现代控制技术、CAD/CAM技术、激光技术和新材料科学的成果与一体，突破了传统加工模式，大大缩短了产品的生产周期，提高了产品的市场竞争力。目前光固化快速成型技术的应用主要有:

(1) 用SLA制造模具

用SLA工艺快速制成的立体树脂模可以代替蜡模进行结壳，型壳焙烧时去除树脂膜，得到中空型壳，即可浇注出具有高尺寸精度和几何形状、表面光洁度较好的合金铸件或直接用来制注射模的型腔，可以大大缩短制模过程，缩短制品开发周期，降低制造成本。

(2) 对样品形状及尺寸设计进行直观分析

在新产品设计阶段，虽然可以借助设计图纸和计算模拟对产品进行评价，但不直观，特别是形状复杂产品，往往因难于想象其真实形貌而不能作出正确、及时的判断。采用SLA可以快速制造样品，供设计者和用户直观测量，并可迅速反复修改和制造，可大大缩短新产品的设计周期，使设计符合预期的形状和尺寸要求。

(3) 用SLA制件进行产品性能测试与分析

在塑料制品加工企业，由于SLA制件有较好的机械性能，可用于制品的部分性能测试与分析，提高制品设计的可靠性。

(4) 进行单件或小批量产品的制造

在一些特殊行业，有些制件只需单件或少于50的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。一般可用SLA直接进行成型，成本低，周期短。

(5) 在医学上的应用

外科医生已利用CT与MRI所得数据，用SLA制造模型，以便策划头颅和面部手术。他们还用SLA制成模型进行复杂手术练习，为牙齿、骨移植等手术设计样板。

4 结语

SLA技术是一种新型成型方法，虽然问世不久，但已广泛应用于国民经济的许多领域，给许多行业带来了巨大的经济效益。特别是随着科技不断进步，要求制品生产周期越来越短，这为光固化快速成型的生产与发展带来一个绝好机遇。且光固化体系是绿色新技术，符合国家环保政策，将为模具、塑料等行业带来丰厚回报，其自身也将获得更大的发展。目前SLA技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛。我国仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了光固化快速成型机，但不管是在质量及数量上，还是在应用领域方面，与国外相比都还有较大的差距。只有不断推广SLA技术，加以不断完善，才能在该领域赶上并超过发达国家。

参考文献
1 尹希猛，王运赣等. 快速成型技术———90年代新的造型工具.中国机械工程，1993，4(6):25
2 宾鸿赞，杨明. 生长型制造技术———制造技术的新突破，中国机械工程，1993，4(6):22
3 颜永年，洪国栋等. 快速成型技术状况与趋势研究. 机械工艺师，1998(11):32
4 郭九生，洪军等. 基于快速成型制造技术的叶轮原形制作. 新技术新工艺，1999，(1):17
5 Bernhard P ，Hoffman M ， Schulthess A ， et al. Taking Lithography to the third dimension. Chemic ， 1994 ， 48 (9) ：427
6 Karrer P ， Corbels ，Ander C J ，et al. Containing filling agents :application to stereophotolithography. J Polym Sci Polym Chem Ed ，1992 ， 30 ：2715
7 洪啸吟，冯汉保. 涂料化学. 北京:科学出版社，199712458 赵万华，李涤尘等. 光固化快速成型技术的精度研究1 中国机械工程，1997 ，8 (5) :35
9 王军杰，刘廷章等. 激光快速成型加工中光敏树脂固化深度实验研究1 化学工程， 1997 ， 45 (2) ：44
10 印杰，陈一东等. 快速立体激光造型树脂感光性能的研究1 上海交通大学学报， 1997 ， 31 (7) ：118
11 沈其文，周世权等1 材料成型工艺基础，武汉:华中理工大学出版社，1999 :85
12 黄树槐，祥林，黎乃瑜. 速原型制造技术的进展1 中国机械工程，1997 ，8 (5) :8(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/15/2007)


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