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1、-.z.光固化快速成型 一、前言 随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分剧烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和本钱)成为制造业全球竞争的实力根底。制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的本钱。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。从技术开展角度看，计算机科学、CAD 技术、材料科学、激光技术的开展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质根底。所以我们要掌握该技术，才能在未来的商业或国际竞争中立于不败之地。快速成型(Rapid Prototyping Man
2、ufacturing，简称 RPM)技术，诞生于 20 世纪 80 年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是基于离散堆积成形原理的先进制造技术的总称。被认为是近 20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低本钱的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维 CAD 的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。快速成型技术开展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性-.z.而得
3、到了迅速开展，快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除加工法局部去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。而采用全新的“增长加工法用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合,因此,它不必采用传统的加工机床和模具,只需传统加工方法的 10%30%的工时和 20%35%的本钱,就能直接制造出产品样品或模具。由于快速成形具有上述突出的优势,所以近年来开展迅速,已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术,实现并行工程(Concurrent Engineering,简称 CE)必不可少的手段。例如，可增加产品设计的自由度，可采用非均质材料，可采用客户定制以及及时制造的生产方式，易于实
4、行异地制造等越是形状复杂且批量小的零件，越应当采用快速制造技术。RPM 的特点：(1)制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；(2)原型的复制性、互换性高；(3)制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；(4 加工周期短，本钱低，本钱与产品复杂程度无关；(5)高度技术集成，可实现了设计制造一体化。近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分剧烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和 CAD/CAM 技术的广泛应用，使得 RP 技术得到了异乎寻常的高速开展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术开展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速开
5、展。目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有五种根本类型：光固化成型法、分层实体制造法、-.z.选择性激光烧结法、熔融沉积制造法和三维印刷法等。二、光固化成型 1、Stereo lithography Appearance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外表,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。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
6、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，对液态光敏树脂进展扫描固化，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场，一次一层连续进展，直到三维立体模型制成。一般每层厚度为0.0760.381mm，最后将制品从树脂液中取出，进展最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色即可。如图 1：图 1 要实现光固化快速成型，感光树脂的选择也很关键。它必须具有适宜的粘度，固化后到达一定的强度，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、精细地制造一个零件，感光树脂必须具有适宜的光敏性能
7、，不仅要在较低的光照能量下-.z.固化，且树脂的固化深度也应适宜。2、成型过程及应用 1成型过程 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。例如图 1 所示的成型过程，液槽中盛满液态光敏树脂，氦-镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂外表进展逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反响而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂外表再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进展下一层的扫描加工。新固化的一层结实地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得
8、到一个三维实体原型。当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。之后去掉支撑，进展清洗，然后再将实体原型放在紫外激光下整体固化。2应用 1、可以对样品形状及尺寸设计进展直观分析 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展评价，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。-.z.2、用 SLA 制件进展产品性能测试与分析 例如在塑料制品加工企业，由于 SLA 制件有较好的机械性能，可用于制品的局
9、部性能测试与分析。3、光固化成型的优势 1、光固化成型法是最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 可以加工构造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,降低错误修复的本钱。5、为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进展验证与校核。6、可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化。4、光固化成型的缺憾 1、SLA 系统造价高昂,使用和维护本钱过高。2、SLA 系统是要对液体进展操作的精细设备,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
10、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;使用的文件格式不为广阔设计人员熟悉。6、立体光固化成型技术被单一公司所垄断。-.z.三、快速成型的开展前景 RPM 技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP 技术在制造工业中应用最多 到达 67%，说明 RP 技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。目前快速成形技术还存在许多缺乏，下一步研究开发工作主要在以下几方面：1改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；2开发经济型的快速成形系统；3快速成形方法和工艺的改进和创新；4快速模具制造的应用；5开发性能良好的快速成形材；6开发快速成形的高性能软件等。总而言之，快速成型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。随着市场一体化竞争的日趋剧烈，要求新产品开发和生产周期越来越短，这为快速成型技术的生产与开展带来了广阔的空间。RP 技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的开展发挥起到越来越重要的作用，并将给企业带来丰厚回报，其自身也将获得更大的开展。