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1、典型典型RPRP：第：第2 2章章-光固化光固化快速成型快速成型(SLA)(SLA)工艺工艺1光固化快速成型工艺的基本原理和特点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光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术微光固化快速成型制造技术35第第2 2章章 光固化快速成型工艺光固化快速成型工艺图图2-1 光固化快速成型工艺原理液槽液槽中盛满中盛满液态光敏树脂液态光敏树脂，氦镉激氦镉激光器光器或或氩离子激光器氩离子激光器发出的紫外激光发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分束在控
2、制系统的控制下按零件的各分层截面信息在层截面信息在光敏树脂表面光敏树脂表面进行逐点进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，薄层。一层固化完毕后，工作台工作台下移下移一个层厚的距离，以使在原先固化好一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然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，如此重一层牢固地粘结在前一层上，
3、如此重复直至整个复直至整个零件零件制造完毕，得到一个制造完毕，得到一个三维实体原型。三维实体原型。v2.1 2.1 光固化成型的基本原理光固化成型的基本原理 2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点 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。采用迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮板刮切后，所需数量刮切后，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
4、表面更加光滑和平整。后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。图图2-2 光固化成型制造光固化成型制造过过程中残留的多余程中残留的多余树树脂脂2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点图图2-3 吸附式涂吸附式涂层结层结构构 吸附式涂层机构在刮板静止时，液态树脂在表面张力作用下，吸吸附式涂层机构在刮板静止时，液态树脂在表面张力作用下，吸附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会均附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会均匀涂敷到已固化的树脂表面。此外，涂敷机构中的前刃和后刃可匀涂敷到已固化的树脂表面。此外，涂敷机构中的前刃和后刃
5、可以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点v2.2 光固化成型技术的特点光固化成型技术的特点 优点：优点：n成型过程自动化程度高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。型制作完成。n尺寸精度高尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到原型的尺寸精度可以达到0.1mm。n优良的表面质量优良的表面质量 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
6、璃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。状的效果。n可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型n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n制作的原型可以一定程度地替代塑料件制作的原型可以一定程度地替代塑料件2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点缺点：缺点：n制件易变形制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化成型过程中材料发生物理和化学变化n较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料n
7、设备运转及维护成本较高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液态树脂材料和激光器的价格较高n使用的材料较少使用的材料较少 目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料n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，选择时有局限性合反应，选择时有局限性n需要二次固化需要二次固化 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。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。2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点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
8、工艺的基本原理和特点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光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术微光固化快速成型制造技术35第第2 2章章 光固化快速成型工艺光固化快速成型工艺v2.2.1 2.2.1 光固化快速成型材料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：下列优点：（1 1）固化快）固化快 可在几秒钟
9、内固化，可应用于要求立刻固化的场合。可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2 2）不需要加热）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。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 3）可配成无溶剂产品）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。图减少使用溶剂。（4 4）节省能量。）节省能量。各种光源的效率都高于烘箱。各种光源的效率都高于烘箱。（5 5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。）可使用单组分，无配置问题，使
10、用周期长。（6 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）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。和经济效益。2-2 光固化快速成型材料及设备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用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂液态光固化树脂，或称，或称液态光敏树脂液态光敏树脂。光。光固化树脂材料中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主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离自由基光固化树脂、
11、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。子光固化树脂、混杂型光固化树脂。(1)自由基光固化树脂自由基光固化树脂 主要有三类：主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；强度高但脆性大且易泛黄；聚酯丙烯酸酯，该类材料流平聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性较好，固化质量也较好，成型制件的性能可调范围较大；性较好，固化质量也较好，成型制件的性能可调范围较大；聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，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。但聚合速度慢。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备
12、 (2)阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂 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：点如下：1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为）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，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为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。）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
13、。）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。）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。）粘度低。6）生坯件强度高。）生坯件强度高。7）产品可以直接用于注塑模具。）产品可以直接用于注塑模具。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备(3)混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂 目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有：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）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
14、显的收缩。混杂型体系产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计可以设计成无收缩的聚合物成无收缩的聚合物。2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而）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可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统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）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速
15、成型材料及设备2.光敏树脂的组成及其光固化特性分析光敏树脂的组成及其光固化特性分析 （1 1）光敏树脂）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，主要由齐聚物齐聚物、光引发剂光引发剂、稀释剂稀释剂组成。组成。齐聚物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，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。聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。光引发剂光
16、引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定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。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光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。脂的固化程度和固化速度。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备3.3.光固化成型材料介绍光固化成型材料介绍 SLA技术用材料根据
17、其工艺原理和原型制件的使用要求，要求其技术用材料根据其工艺原理和原型制件的使用要求，要求其具有粘度低、流平快、固化速度快且收缩小、溶胀小、无毒副作具有粘度低、流平快、固化速度快且收缩小、溶胀小、无毒副作用等性能特点。用等性能特点。下面分别介绍下面分别介绍Vantico公司、公司、3D Systems公司以及公司以及DSM公司的光固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等。化快速成型材料的性能、适用场合以及选择方案等。（1）Vantico公司的公司的SL系列系列 下下表表给给出出了了Vantico公公司司提提供供的的光光固固化化树树脂脂在在各各种种3D Systems公公司司光光固
18、固化化快快速速成成型型系系统统和和原原型型不不同同的的使使用用性性能能和和要要求求情情况况下下的的光光固固化化成成型型材材料料的的选择方案。选择方案。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备（2）3D Systems 公司的公司的Accura系列系列 3D Systems公公司司的的ACCURA系系列列光光固固化化成成型型材材料料主主要要有有用用于于SLA Viper si2、SLA3500、SLA5000和和SLA7000系系统统的的ACCUGENTM、ACCUDU
19、RTM、SI10、SI20、SI30、SI40 Nd系系列列型型号号和和用用于于SLA250、SLA500系统的系统的SI40 Hc&AR型号等。型号等。其其中中，ACCUGENTM材材料料在在进进行行SLA技技术术光光固固化化后后，其其原原型型制制件件具具有有较较高高的的精精度度和和强强度度、较较好好的的耐耐湿湿性性等等良良好好的的综综合合性性能能。ACCUGENTM材材料料的成型速度也较快，且原型制件的稳定性也好。的成型速度也较快，且原型制件的稳定性也好。部分部分3D Systems 公司的公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。系列材料的性能如下表所示。2-2 光固化快速成型材料及设
20、备光固化快速成型材料及设备2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备（3）3D Systems 公司的公司的RenShape系列系列 3D Systems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
21、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3D Systems 公司的RenShape系列材料的性能如下表所示。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备 （4）DSM公司的公司
22、的SOMOS系列系列 DSM公公司司的的SOMOS系系列列环环氧氧树树脂脂主主要要是是面面向向光光固固化化快快速速成成型型开开发发的的系系列列材材料料，部分型号的性能及主要指标如下表所示。部分型号的性能及主要指标如下表所示。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备v2.2.2 2.2.2 光固化快速成型设备光固化快速成型设备 20世世纪纪70年年代代末末到到80年年代代初初期期，美美国国3M公公司司的的Alan J.Hebert(1978)、日日本本的的小小玉玉秀秀男男(1980)、美美 国国 UVP公公 司司 的的 Charles W.Hull(1982)和和日日本本的的丸丸
23、谷谷洋洋二二(1983)，在在不不同同的的地地点点各各自自独独立立地地提提出出了了RP的的概概念念，即即利利用用连连续续层层的的选选区区固固化化产产生生三三维维实实体体的的新新思思想想。Charles Hull在在UVP的的继继续续支支持持下下，完完成成了了一一个个能能自自动动建建造造零零件件的的称称之之为为SLA-1的的完完整整系系统统。同同年年，Charles Hull和和UVP的的股股东东们们一一起起建建立立了了3D Systems公公司司，并并于于1988年年首首次次推推出出SLA-250机型机型。图图2-5 3D Systems公司的公司的SLA-250机型机型2-2 光固化快速成型
24、材料及设备光固化快速成型材料及设备 目前，研究光固化成型（目前，研究光固化成型（SLA）设备的单位有）设备的单位有美国的美国的3D Systems公司、公司、Aaroflex公司，公司，德国的德国的EOS公司公司、F&S公司，法国的公司，法国的Laser 3D公司，公司，日本日本的的SONY/D-MEC公司公司、Teijin Seiki公司、公司、Denken Engieering公司、公司、Meiko公司、公司、Unipid公司、公司、CMET公司，公司，以色列的以色列的Cubital公司公司以及国内以及国内的的西安交通大学西安交通大学、上海联泰科技有限公司上海联泰科技有限公司、华中科技大学
25、华中科技大学等。等。在上述研究在上述研究SLA设备的众多公司中，美国设备的众多公司中，美国3D Systems公司的公司的SLA技术在国技术在国际市场上占的比例最大。际市场上占的比例最大。3D Systems公司在继公司在继1988年推出第一台商品化年推出第一台商品化设备设备SLA-250以来，以来，又于又于1997年推出了年推出了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，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和和SLA5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到使用半导体激励的固体激光器，扫
26、描速度分别达到2.54m/sec和和5m/sec，成层厚最小可达，成层厚最小可达0.05mm。2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备图图2-6 3D Systems公司的公司的 SLA-3500机型机型图图2-7 3D Systems公司的公司的 SLA-5000机型机型2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备图图2-8 3D Systems公司的公司的SLA-7000机型机型图图2-9 3D Systems公司的公司的Vipersi2SLA机型机型2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备图图2-10 3D Systems公司的公司的Viper
27、 Pro SLA机型机型2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备 国国内内西西安安交交通通大大学学在在光光固固化化成成型型技技术术、设设备备、材材料料等等方方面面进进行行了了大大量量的的研研究究工工作作，推推出出了了自自行行研研制制与与开开发发的的SPS、LPS、和和CPS三三种种机机型型，每每种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。机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。图图2-11 SPS600成型机成型机 图图2-12 LPS600成型机成型机 2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备 上上海海联联泰泰科科技技有有限限公公司司开
28、开发发的的光光固固化化成成型型设设备备主主要要有有RS-350H、RS-350S、RS-600H和和RS-600S等等机型。机型。图图2-13 RS-600S光固化成型机光固化成型机2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备2-2 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备2-2 光固化快速成型材料及设备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光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术微光固化快速成型
29、制造技术35第第2 2章章 光固化快速成型工艺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光固化快速原型的制作一般可以分为前处理前处理、原型原型制作制作和和后处理后处理三个阶段。三个阶段。1.1.前处理前处理 前处理阶段主要是对原型的前处理阶段主要是对原型的CAD模型模型进行进行数据转换数据转换、摆放方摆放方位确定位确定、施加支撑施加支撑和和切片分层切片分层，实际上就是为原型的制作准，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。前处理过程。2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺
30、过程 （1 1）CADCAD三维造型三维造型 三维实体造型是三维实体造型是CAD模型的最好表示，也模型的最好表示，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三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。速原型制作。CAD模型的三维造型可以在模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catia等大型等大型CAD软件以及软件以及许多小型的许多小型的CAD软件上实现，图软件上实现，图2-14a给给出的是小扳手在出的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。上的三维造型。a)CAD三三维维原始模型原始模型 2-3 光固化成型工艺的工艺过程光
31、固化成型工艺的工艺过程（2 2）数据转换）数据转换 数据转换是对产品数据转换是对产品CAD模型的近模型的近似处理，主要是生成似处理，主要是生成STL格式的格式的数据文件。数据文件。STL数据处理实际上数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图模型的外表面，如图2-14b所示。所示。这一阶段需要注意的是这一阶段需要注意的是STL文件文件生成的精度控制。目前，通用的生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有三维设计软件系统都有STL数据的输出。数据的输出。b)CAD模型的模型的STL数据模型数据模型 2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成
32、型工艺的工艺过程 （3 3）确定摆放方位）确定摆放方位 摆放方位的处理是十分重要的，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，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。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
33、要将最大的尺寸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。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。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，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，选择直立摆放，如图如图2-14c所示。所示。同
34、时考虑到尽可能减小支撑的同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。批次，大端朝下摆放。2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程 （4 4）施加支撑）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。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
35、。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，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，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，图图2-14d示意的支撑结构就是点支撑。示意的支撑结构就是点支撑。2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程a)CAD三三维维原始模型原始模型 b)CA
36、D模型的模型的STL数据模型数据模型 光光固固化化快快速速原原型型前前处处理理 c)模型的模型的摆摆放方位放方位 d)模型施加支撑模型施加支撑 图图2-14模模型型支支撑撑工工作作台台模模型型工工作作台台 支撑在快速成型制作中是与原型同时制作的，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发生的翘曲变形。从图。从图2-15还可见，在原型的底部也设计和制作了支还可见，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
37、从工作台上取下原型，而不会撑结构，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。到最终所需的原型。图图2-15 支撑结构示意图支撑结构示意图 2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程 支撑结构的作用和类型：支撑结构的作用和类型：作用：作用：支撑作用和减少翘曲变形。支撑作用和减少翘曲变形。类型：类型：n斜支撑斜支撑主要用于支撑悬臂结构部分，在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，同成型过程中为悬臂提供支承，同时也约束悬臂的
38、翘曲变形。时也约束悬臂的翘曲变形。主要用于支承腿部结构主要用于支承腿部结构 n 直支撑直支撑 2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程 支撑结构的作用和类型：支撑结构的作用和类型：作用：作用：支撑作用和减少翘曲变形。支撑作用和减少翘曲变形。类型：类型：n十字壁板十字壁板主要用于孤立结构部分的支撑。主要用于孤立结构部分的支撑。n 腹板腹板主要用于大面积的内主要用于大面积的内部支承。部支承。2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程（5 5）切片分层）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，支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿
39、着高度方向进行切片，生成生成RP系统需求的系统需求的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。制作系统，进行原型制作。图图2-17 某手柄的光固化快速原型某手柄的光固化快速原型2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程v2.2.原型制作原型制作 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正常后，启动原型制作控制软件
40、，读入前处理生成的层片数据文件。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，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。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。2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程图图2-18 SPS600光固化成型光固化成型设备设备控制控制软软件界面件界面 原型叠层制作结束后，工作台原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留升出液面，停留510min，以晾，
41、以晾干多余的树脂。干多余的树脂。将原型和工作台一起斜放晾干后浸将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙入丙酮酮、酒精等清洗液体中，、酒精等清洗液体中，搅动搅动并刷掉残留的气泡。持并刷掉残留的气泡。持续续45min左右左右后放入水池中清洗工作台后放入水池中清洗工作台约约5min。12v3.3.后处理后处理 2-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程从外向内从工作台上取下原从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑型，并去除支撑结结构。构。再次清洗后置于紫外烘箱中再次清洗后置于紫外烘箱中进进行整体后固化。行整体后固化。342-3 光固化成型工艺的工艺过程光固化成型工艺的工艺过程1光固化快速成型
42、工艺的基本原理和特点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光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术微光固化快速成型制造技术35第第2 2章章 光固化快速成型工艺光固化快速成型工艺v2.4.1 光固化成型中树脂收缩变形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，通常其树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其体收缩率约为体收缩率约为10%，线收缩率，线收缩率约为约为3%。树脂收缩主要有两部分组成：一部分树脂收缩主要有两部分组成：一部分是固化收缩，是固化收缩，另外一部分另外
43、一部分是当激光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。扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀冷缩。（1）零件成型过程中树脂收缩产生的变形）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）后固化时收缩产生的变形 后固化收缩量占总收缩量的后固化收缩量占总收缩量的25%40%左右。左右。2-4 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v2.4.2 光固化快速成型的精度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与持续需要解决的难题。控制原型的翘曲变形和提高原
44、型的尺寸精度题与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。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原型的精度一般包括形形状精度、尺寸精度状精度、尺寸精度和和表面精度表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和，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：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件与CAD模型相比，在模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差
45、值；表面精度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。主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。2-4 光固化成型的精度及效率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、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。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。图图2-20 光固化成型光固化成型误
46、误差差2-4 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v1.几何数据处理造成的误差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一系列的截面轮廓信息的截面轮廓信息，在进行数据处理时会带来误差。如图2-22所示。措施（措施（1）：直接切片）：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。图图2-22 弦差弦差导导致截面致截面轮轮廓廓线误线误差差图图2-23 Pro/E对实对实体的三体的三维维 C
47、AD模型直接分模型直接分层层2-4 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率 措施（措施（2）：自适应分层）：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
48、厚度，以提高加工效率，如图2-25所示。图图2-25 自适自适应应分分层层 2-4 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v2.成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形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
49、应力和层间应力的合力作用致使工件产生翘曲变形。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：措施：（1）成型工艺的改进）成型工艺的改进 （2）树脂配方的改进）树脂配方的改进 2-4 光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率v3.树脂涂层厚度对精度的影响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，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
50、变形，影响成型时，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。层固化深度，以减小固化体积。措施：措施：（1）二次曝光法二次曝光法多次反复曝光后的固化深度与以多次曝光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。量之和进行一次曝光的固化深度是等效的。（2）减小涂层厚度，提高）减小涂层