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立体光固化成型

原理:

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"Stereo lithography Apparatus"的缩写,即立体光固化成型法.
用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.
3D Systems 推出的Viper Pro SLA system

SLA 的优势

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1. 光固化成型法是***早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验.
2. 由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具.
3.可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具.
4. 使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本.
5. 为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核.
6. 可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化.

SLA 的缺憾

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1. SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高.
2. SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻.
3. 成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存.
4. 预处理软件与驱动软件运算量大,与加工效果关联性太高.
5. 软件系统操作复杂,入门困难;
SLA 的发展趋势与前景
立体光固化成型法的的发展趋势是高速化,节能环保与微型化.
不断提高的加工精度使之有***先可能在生物,医药,微电子等领域大有作为.

光固化成型的应用

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在当前应用较多的几种快速成型工艺方法中,光固化成型由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点,使之得到***为广泛的应用。在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业。
1 SLA 在航空航天领域的应用
在航空航天领域,SLA 模型可直接用于风洞试验,进行可制造性、可装配性检验。航空航天零件往往是在有限空间内运行的复杂系统,在采用光固化成型技术以后,不但可以基于SLA 原型进行装配干涉检查,还可以进行可制造性讨论评估,确定******的合理制造工艺。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件(如涡轮、叶片、叶轮等)的单件、小批量生产,并进行发动机等部件的试制和试验。
航空领域中发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的,对于高精度的木模制作,传统工艺成本极高且制作时间也很长。采用SLA 工艺,可以直接由CAD 数字模型制作熔模铸造的母模,时间和成本可以得到显著的降低。数小时之内,就可以由CAD 数字模型得到成本较低、结构又十分复杂的用于熔模铸造的SLA 快速原型母模。
利用光固化成型技术可以制作出多种弹体外壳,装上传感器后便可直接进行风洞试验。通过这样的方法避免了制作复杂曲面模的成本和时间,从而可以更快地从多种设计方案中筛选出***优的整流方案,在整个开发过程中大大缩短了验证周期和开发成本。此外,利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型,在模型表面表进行相应喷涂后,清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理,其展示和讲解效果远远超出了单纯的电脑图纸模拟方式,可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验。
2 SLA 在其他制造领域的应用
光固化快速成型技术除了在航空航天领域有较为重要的应用之外,在其他制造领域的应用也非常重要且广泛,如在汽车领域、模具制造、电器和铸造领域等。下面就光固化快速成型技术在汽车领域和铸造领域的应用作简要的介绍。
现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的生产需求,就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善,可以完成各种动力、强度、刚度分析,但研究开发中仍需要做成实物以验证其外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件,可以用光固化成型技术制作零件原型,以验证设计人员的设计思想,并利用零件原型做功能性和装配性检验。
光固化快速成型技术还可在发动机的试验研究中用于流动分析。流动分析技术是用来在复杂零件内确定液体或气体的流动模式。将透明的模型安装在一简单的试验台上,中间循环某种液体,在液体内加一些细小粒子或细气泡,以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功地用于发动机冷却系统(气缸盖、机体水箱)、进排气管等的研究。问题的关键是透明模型的制造,用传统方法时间长、花费大且不******,而用SLA技术结合CAD 造型仅仅需要4~5 周的时间,且花费只为之前的1/3,制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD 数据要求,模型的表面质量也能满足要求。
光固化成型技术在汽车行业除了上述用途外,还可以与逆向工程技术、快速模具制造技术相结合,用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、内饰门板等结构样件/ 功能样件试制、赛车零件制作等。
在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是采用机加工方法,有时还需要钳工进行修整,费时耗资,而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的铸件(例如飞机发动机的叶片、船用螺旋桨、汽车、拖拉机的缸体、缸盖等),模具的制造更是一个巨大的难题。虽然一些大型企业的铸造厂也备有一些数控机床、仿型铣等高级设备,但除了设备价格昂贵外,模具加工的周期也很长,而且由于没有很好的软件系统支持,机床的编程也很困难。快速成型技术的出现,为铸造的铸模生产提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。
光固化成型技术的研究进展
光固化快速成型制造技术自问世以来在快速制造领域发挥了巨大作用,已成为工程界关注的焦点。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本,一直是该技术领域研究的热点。目前,很多研究者通过对成型参数、成型方式、材料固化等方面分析各种影响成型精度的因素,提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法,如扫描线重叠区域固化工艺、改进的二次曝光法、研究开发用CAD 原始数据直接切片法、在制件加工之前对工艺参数进行优化等,这些工艺方法都可以减小零件的变形、降低残余应力,提高原型的制作精度。此外,SLA 所用的材料为液态光敏树脂,其性能的好坏直接影响到成型零件的强度、韧性等重要指标,进而影响到SLA 技术的应用前景。所以近年来在提高成型材料的性能降低成本方面也做了很多的研究,提出了很多有效的工艺方法,如将改性后的纳米SiO2 分散到自由基- 阳离子混杂型的光敏树脂中,可以使光敏树脂的临界曝光量增大而投射深度变小,其成型件的耐热性、硬度和弯曲强度有明显的提高;又如在树脂基中加入SiC 晶须,可以提高其韧性和可靠性;开发新型的可见光固化树脂,这种新型树脂使用可见光便可固化且固化速度快,对人体危害小,提高生产效率的同时大幅度地降低了成本。
光固化快速成型技术发展到今天已经比较成熟,各种新的成型工艺不断涌现。下面从微光固化快速成型制造技术和生物医学两方面展望SLA 技术。
1 微光固化快速成型制造技术
目前,传统的SLA 设备成型精度为±0.1mm,能够较好地满足一般的工程需求。但是在微电子和生物工程等领域,一般要求制件具有微米级或亚微米级的细微结构,而传统的SLA 工艺技术已无法满足这一领域的需求。尤其在近年来,MEMS(MicroElectro-Mechanical Systems)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(Micro Stereolithography)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。该技术早在20 世纪80 年代就已经被提出,经过将近20 多年的努力研究,已经得到了一定的应用。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。但是,绝大多数的μ-SL 制造技术成本相当高,因此多数还处于试验室阶段,离实现大规模工业化生产还有一定的距离。因而今后该领域的研究方向为:开发低成本生产技术,降低设备的成本;开发新型的树脂材料;进一步提高光成型技术的精度;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;实现μ-SL与其他领域的结合,例如生物工程领域[8] 等。
2 生物医学领域
光固化快速成型技术为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的方法,基于CT图像的光固化成型技术是应用于假体制作、复杂外科手术的规划、口腔颌面修复的有效方法。目前在生命科学研究的前沿领域出现的一门新的交叉学科——组织工程是光固化成型技术非常有前景的一个应用领域。基于SLA技术可以制作具有生物活性的人工骨支架,该支架具有很好的机械性能和与细胞的生物相容性,且有利于成骨细胞的黏附和生长。如图5 所示为用SLA 技术制作的组织工程支架,在该支架中植入老鼠的预成骨细胞,细胞的植入和黏附效果都很好[9]。

误差分析 :

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光固化快速成型的误差分析光固化快速成型技术的基本原理是将任意复杂的三维CA
D模型转化为一系列简单的二维层片,逐层固化粘结,从而获得三维模型"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图1.1所示分类"。
2.前期数据处理误差
由于成型机所接收的是模型的轮廓信息,所以加工前必须对其进行数据转换"1987年,3DsystSnel公司对任意曲面CAD模型作小三角型平面近似,开发了TsL文件格式,并由此建立了从近似模型中进行切片获取截面轮廓信息的统一方法,延用至今[1]"多年以来,STL文件格式受到越来越多的CAD系统和设备的支持,其优点是大大简化了CAD模型的数据格式,是目前CAD系统与RP系统之间的数据交换标准,它便于在后续分层处理时获取每一层片实体点的坐标值,以便控制扫描镜头对材料进行选择性扫描"因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准,几乎所有类型的快速成型系统都采有STL数据格式,极大地推动了快速成型技术的发展"对三维模型进行数据处理,误差主要产生于三维CAD模型的STL文件输出和对此STL文件的分层处理两个过程中"下面将分别论述STL格式文件转换和分层处理对成型精
度的影响"
2.1几文件格式转换误差
STL几文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维CAD模型的外表面,小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度.显然,精度要求越高,选取的三角形应该越多"一般三维CAD系统在输出STL格式文件时都要求输入精度参数,也就是用STL格式拟合原CAD模型的******允许误差"这种文件格式将CAD连续的表面离散为三角形面片的集合,当实体模型表面均为平面时不会产生误差,.但对于曲面而言,不管精度怎么高,也不能完全表达原表面,这种逼近误差不可避免地存在"如制作一圆柱体,当沿轴线方向成型时,如果逼近精度有限,则明显地看到圆柱体变成了棱柱体,如图1.2所示"
图1.2圆柱体的STL文件格式
解决方法:清除这种误差的根本途径是直接从CAD模型获 取制造数据,但是目前实用中尚未达到这一步"现有的办法只能在对CAD模型进行ST职洛式转换时,通过恰当地选择精度参数值减少这一误差,这往往依赖于经验"。
图 1.2
2.2分层处理对成型精度的影响
分层处理产生的误差属于原理误差,分层处理以S几文件格式为基础,先确定成型方向,通过一簇垂直于成型方向的平行平面与STL文件格式模型相截,所得到的截面与模型实体的交线再经过数据处理生成截面轮廓信息,平行平面之间的距离就是分层厚度"由于每一切片层之间存在距离,因此切片不仅破坏了模型表面的连续性,而且不可避免地丢失了两切片层间的信息,这一处理造成分层方向的尺寸误差和面型精度误差"。
(1)分层方向尺寸误差分析
进行分层处理时,确定分层厚度后,如果分层平面正好位于顶面或底面,则所得到的多边形恰好是该平面处实际轮廓曲线的内接多边形;如果汾层平面与此两平面不重合,即沿切层方向某一尺寸与分层厚度不能整除时,将会引起分层方向的尺寸误差"
1)增加分层数量!减小分层厚度
为了获得较高的面型精度,应尽可能减小分层厚度,但是,分层数量的增加,使制造效率显著降低"同时,层厚太小会给涂层处理带来一定的困难"另外,自适应性切片分层技术能够较好的提高面型精度,是解决这一问题的较为有效途径"
2)优化成型制作方向
优化成型制作方向,实质上就是减小模型表面与成型方向的角度,也就是减小体积误差"
3成型加工误差
3.1机器误差
机器误差是成型机本身的误差,它是影响制件精度的原始误差"机器误差在成型系统的设计及制造过程中就应尽量减小,因为它是提高制件精度的硬件基础"。
(l)工作台Z方向运动误差
工作台Z方向运动误差直接影响堆积过程中的层厚精度,***终导致Z方向的尺寸误差;而工作台在垂直面内的运动直线度误差宏观上产生制件的形状!位置误差,微观上导致粗糙度增大"对于CPS350成型机来说,所采用的系统在500mm范围内的全程定位精度为0.03mm,双向重复定位精度为0003mm。
(2)X.Y方向同步带变形误差
X.Y扫描系统采用X,Y二维运动,由步进电机驱动同步齿形带并带动扫描镜头运动在定位时,由于同步带的变形,会影响定位的精度,常用的方法是采用位置补偿系数来减小其影响CPS35O成型机出厂后进行位置补偿,其重复定位精度可达到005mm。
(3)XY方向定位误差
扫描过程中,X.Y扫描系统存在以下问题:
1)系统运动惯性力的影响
对于采用步进电机的开环驱动系统而言,步进电机本身和机械结构都影响扫描系统的动态性能"-XY扫描系统在扫描换向阶段,存在一定的惯性,使得扫描头在零件边缘部分超出设计尺寸的范围,导致零件的尺寸有所增加"同时扫描头在扫描时,始终处于反复加速减速的过程中,因此,在工件边缘,扫描速度低于中间部分,光束对边缘的照射时间要长一些,并且存在扫描方向的变换,扫描系统惯性力大,加减速过程慢,致使边缘处树脂固化程度较高"。
2)扫描机构振动的影响
成型过程中,扫描机构对零件的分层截面作往复填充扫描,扫描头在步进电机的驱动下本身具有一个固有频率,由于各种长度的扫描线都可能存在,所以在一定范围内的各种频率都有可能发生,当发生谐振时,振动增大,成形零件将产生较大的误差"。
3.2光固化成型误差
(1)光斑直径产生的误差
这一固化成型特点,使所做出的零件实体部分实际上每侧大了一个光斑半径,零件的长度尺寸大了一个光斑直径,使零件产生正偏差,虽然控制软件中采用自适应拐角延时算法,但由于光斑直径的存在,必然在其拐角处形成圆角,导致形状钝化,降低了制件的形状精度,而使得一些小尺寸制件无法加工"由上述分析可知,如果不采用光斑补偿,将使制件产生正偏差"为了消除或减少正偏差,实际上采用光斑补偿,使光斑扫描路径向实体内部缩进一个光斑半径"。
4.后处理产生的误差
从成型机上取出已成型的工件后,需要进行剥离支撑结构,有的还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面处理等,这些工序统称为后处理"这类误差可分为以下几种:
(1)工件成型完成后,去除支撑时,可能表面质量产生影响,所以支撑设计时要合理,不多不少,一般支撑间距为6nnn"支撑的设计与成型方向的选取有关,在选取成型方向时,要综合考虑添加支撑要少,并便于去除等"。
(2)由于温度!湿度等环境状况的变化,工件可能会继续变形并导致误差,并且由于成型工艺或工件本身结构工艺性等方面的原因,成型后的工件内总或多或少地存在残余应力,这种残余应力会由于时效的作用而全部或部分地消失,这也会导致误差"设法减小成型过程中的残余应力有利于提高零件的成型精度"。
(3)制件的表面状况和机械强度等方面还不能完全满足***终产品的要求"例如制件表面不光滑,其曲面上存在因分层制造引起的小台阶、小缺陷,制件的薄壁和某些小特征结构可能强度不足、尺寸不够******!表面硬度或色彩不够满意"采用修补、打磨、抛光是为了提高表面质量,表面涂覆是为了改变制品表面颜色提高其强度和其它性能,但在此过程中若处理不当都会影响原型的尺寸及形状精度,产生后处理误差"。
5.结论
如何控制光固化成形工艺的精度是目前众多研究者和学者必须考虑的一个问题。尽管目前可以通过多种方法来提高制件的成形精度,比如直接对三维 CAD 模型进行分层以避免 STL 文件转换过程中造成的误差和通过改进激光扫描方式也可以减小制件的内应力和形变量来提高制件的精度等方法都可以实现对精度的控制。但是在整个成形工艺过程中,其工艺路线和工艺参数对制件的精度也存在着很大的影响,仍然需要进一步的研究。另外,光固化快速成型工艺的加工成本、生产效率及制件性能也需要在整个成形过程中考虑的重要因素。
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