固化快速成型技术的控制原理及应用

光固化快速成型技术的控制原理及应用光固化快速成型技术的控制原理及应用 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35。 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68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 0.0760.381mm，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。 利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方 法法 该发明提出了一种利用分层实体制造（）快速成型技术制造碳化硅陶瓷复合材 料零件的工艺方法，其将快速成型技术易于制造形状复杂零件的特点和反应烧结碳化硅技 术相结合，克服了传统工艺的缺陷，可以解决复杂形状的陶瓷结构件制造难题。主要方法 为：根据分层实体制造原理，以卷筒纸作为制件成型材料，以酚醛树脂作为粘结剂，通过 快速成型工艺制成原型，通过热解工艺转化为三维碳支架。然后进行高温渗硅，硅在碳支 架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷及其复合材料构件。该方法实现了复杂形状碳化硅陶瓷 构件的无模制造。 利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方法利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方法 一种利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方法，以纸和酚醛树脂为原料，其 特征在于，具体包括下列步骤： ）根据实际要求，构造制件的三维数据模型， 并将数据模型转化为格式文件； ）用快速成型机自身的分层软件做分层 处理，并将处理数据导入制造程序中； ）选用醇溶性的酚醛树脂作为粘结剂， 卷纸作为成型材料； ）用快速成型机制造出纸质前驱体快速原型； ）将纸质前驱体快速原型放入烘干箱中进行后期固化，烘干起始温度为，每 小时将温度升高，直至温度升到时停止，取出进行碳化，得到纸质前驱体 快速原型制件； ）将得到的纸质前驱体快速原型制件放入氮气氛热解炉中碳 化，升温速度：每小时，碳化温度：，保温时间为： ，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架； ）制件的三维 碳支架放入石墨坩锅并用粉包埋，硅与三维碳支架重量比为，然后放进真 空高温炉中加热，升温速度：每小时，反应温度：， 保温时间为：，再升至，抽真空排，随炉 冷却至室温取出，即可获得碳化硅陶瓷复合材料的成型制件。 选择性激光烧结技术制造金属钢模具研究选择性激光烧结技术制造金属钢模具研究 现状及应用前景现状及应用前景 1 引言引言 作为快速原型技术之一的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)成型技术已被 用来制造模型、制件、模具等工业用品和生活用品。作为快速模具制造技术的一种加工手 段，它在模具制造业更是得到青睐，所制造的模具类型主要有：熔模、消失模、精铸模及 型芯等铸造用模具，以及注射模、压铸模等金属钢质模具。制造的模具种类与它所采用的 成型材料、成型设备等关键技术有关，如成型材料为石蜡粉、塑料(PS、ABS)粉，模具类 型为熔模；成型材料为聚苯乙烯粉、聚碳酸脂粉，模具类型为消失模；成型材料为陶瓷粉， 模具类型为精铸模；成型材料为覆膜钢粉、合金粉末，模具类型为注射模等。 在应用 SLS 技术制造的模具中有一类为金属钢质模具，它的特点是材料为金属，具 有很高的强度、硬度和使用寿命，在生产中被大量采用，此类诸如注射模、压铸模、冲压 模等类型。由于这螳模具的成型对象和工作条件不同，模具的结构和性能要求相差也很大。 如注射模的工作温度不高，对模具的强度要求也不太高，但对模具型腔表面的硬度和表面 质量要求却很高，要光洁、耐磨、耐腐蚀；压铸模的工作温度高，瞬间压力大，要抗高温 下的氧化与腐蚀、抗龟裂，对模具和模具型腔的强度、表面硬度和质量要求都很高；冲压 模一般在常温下工作，但对模具的强度、硬度、耐磨性、韧性要求都很高。 由此可以看出，不同的钢模具在应用 SLS 技术制造时很多方面都会有所不同，在这些 钢模具中，以注射模等制造塑料制品的模具，工作温度为 150250，压力为 40150MPa，强度要求并不高，对材料自身的力学性能要求相对低些，降低了零件制造过 程中的难度，最先有可能在应用 SLS 技术制作金属钢模具领域取得突破，获得成功。因此， 国内外在该研究领域所采取的步骤策略一般为先易后难，先对注射模的制造获得成功取得 经验后，再向其他金属模具扩展延伸。至目前为止，应用选择性激光烧结技术制造金属钢 模具的研究已经有了注射模和压铸模。现将其的研究及应用情况作一介绍，以便更好地了 解这一技术。 2 研究现状研究现状 2.1 SLS 技术制造钢模具的主要方法技术制造钢模具的主要方法 应用 SLS 技术制造钢模具主要分为两种方法：一类为间接金属粉末激光烧结制模法。 即用 SLS 工艺烧结用黏结剂包裹的金属粉末，黏结剂熔化后将金属粉末粘接在一起形成半 成品，再将半成品升温烧结，黏结剂气化并被去除得到钢骨架半成品，再对黏结剂气化后 留下的空隙进行金属熔渗处理得到成型模具型腔零件。这种制模方法的优点是对成型设备 的激光器功率要求低，只要使黏结剂熔化就可，目前市面上大多数成型设备的激光器功率 为 50W，都可以满足此类方法的功率要求。其缺点是 T 艺过程相对复杂，用 SLS 工艺烧结 出的半成品，还须在一定的条件下完成后面的工序烧结和渗金属等程序，成型后的模具零 件力学性能也不是很好，表面硬度低，精度相对低，成型效果受到各工序的影响。可以用 机械加工的方法来进行弥补，模具耐用度不高，寿命达几百件至几万件，只相当于用传统 工艺加工的模具寿命的五十分之一。 另一类为直接金属粉末激光烧结制模法。即用 SLS 工艺烧结纯金属粉末使其熔化粘接 在一起形成模具型腔零件，再向其渗入适量树脂，以减少零件内部的孔隙，提高其的抗拉 和弯曲强度。这种方法工艺简单，但对 SLS 技术提出了更高的要求，设备方面需要大功率 的成型设备以使被烧结的金属粉末熔化，还须研制适宜烧结成型的金属粉末材料。用这种 方法获得的模具零件力学性能好，表面硬度高，质量好，精度好，寿命达几百件至几千万 件，接近用传统工艺制造的模具工作性能，而且适应范围广泛的各种金属钢质模具的制造， 是公认的在金属制造领域 SLS 最有前途的一项技术，受到国内外许多研究单位的关注和重 视，并因而对此展开了各项研究。 2.2 粉末材料的研究粉末材料的研究 SLS 技术可制作金属钢模具主要在于它的成型粉末材料可以用金属来制成，那么是不是 把现有的金属模具类用材料制成粉末用在 SLS 技术中就可以制造金属钢模具了呢?回答是 否定的。金属模具用材料大都为合金类钢材，熔化温度高，且熔化是在一个温度区间进行 的，区间的大小对合金粉末的烧结带来不同的影响，一次烧结，只有部分合金粉末熔化， 如果组元过多，烧结工艺就变得复杂，不能实现 SLS 工艺的烧结成型，因而需要研制符合 SLS 技术的金属粉末材料。 已有的研究表明，低熔点的单一金属粉末用 SLS 烧结时，熔化的粉末在未熔化的粉末 上形成多个直径较小的液球，容易移动，使成型难以控制，精度很差，这样成型出来的零 件没有任何实用价值，因而已排除了对单一金属粉末进行烧结的研究。对两种材料以上的 金属粉末进行的研究表明，用 SLS 技术可以实现较好的成型及精度控制，只是在材料的选 择上会对烧结所需要的温度提出不同的要求，这反映在对激光器功率的要求上也不同。其 中一种材料的熔点温度较低，也就是间接制模法常用的材料。材料的熔点温度都很高，则 通常是直接制模法常用的材料。 间接制模法材料的研发以美国 DTM 公司为代表，先后开发出的 Rapid Steel 系列覆膜 钢粉，采用热塑性聚合物为黏结剂来预包裹低碳钢粉或不锈钢粉，经 SLS 烧结后，再渗入 铜，制作出了注射模和压铸模。该公司最新研制的 Laser Form A6 型材料，使成型模具零 件在强度、表面硬度、工作寿命等方面都有较大改进。还有寿命不长但后处理工艺更简单、 成型精度更好、制造周期更短的 Copper Polyamide 型材料等。我国的中北大学也正在研发 覆膜金属粉。此外，国外对黏结剂的研发有用热塑性聚合物材料的，如 PC、PVC、尼龙等。 也有用低熔点金属的，如锡等。以及熔点在 1000左右的金属如青铜、镍、不锈钢、铜等。 结构材料则用低碳钢、不锈钢、铜、陶瓷和工具钢等。 直接制模法材料的研发主要以瑞典 Electrolux 公司为代表，先后开发出 Direct Metal 系 列合金粉末和 Direct Steel 系列合金粉末两大类。Direct Metal 合金粉末含有 75青铜、 20镍和 5磷，激光烧结时产生的孔隙率大于 20，因而要渗入树脂类材料或者是低熔 点金属使成型零件组织致密、强度提高。DirectSteel 系列合金粉末主要有钢、青铜和镍组 成，有 3 种型号，此类粉末经 SLS 直接烧结后，内部组织致密，具有一定的强度和表面硬 度，较好的精度和表面质量，无须进行熔渗后处理工序，已经制作出了注射模和压铸模。 我国目前还未进行此类材料的研究。 2.3 成型设备的研究成型设备的研究 无论采用哪种制模方法，都离不开成型设备的支持。从 1992 年世界上第一台 SLS 成型 设备诞生之日起，它的进步速度也是相当惊人的，国外美国的 3DSystems 公司、DTM 公司、 德围 EOS 公司，国内的北京隆源公司、华中科技大学等，先后开发出了多种型号的 SLS 成型设备，并且进行了商品化的生产和推广运用，获得许多商家的认可和使用。 这些成型设备的工作原理和基本构成大致相同，主要技术参数有成型尺寸、成型精度、 激光功率等。其中，激光功率是 SLS 烧结工艺中的一个重要技术参数，也成为间接制模法 和直接制模法选择 SLS 设备首要考虑的技术指标。功率高，在激光作用区域内能量密度大， 粉末材料熔化更充分，孔隙率降低，成型零件的组织致密度也增加，强度提高。特别是由 于金属粉末材料自身的熔点一般都较高，需要与之相适应的功率匹配来进行烧结。按功率 又把 SLS 设备分为大、中、小 3 种功率，3D Systems 公司的激光器功率为 25W、100W，DTM 公司、北京隆源公司、华中科技大学等，其所研发生产设备的激光器 功率都为 50W，德国 EOS 公司的激光器功率分别有 50W、100W 和 200W，其中 25W、50W 分属小功率，100W 为中等功率，200W 则为大功率。除了 25W 外，其它功率 的成型设备可以用来烧结金属粉末材料，50W、100W 用来烧结熔点温度相对低一些的间 接制模法所用粉末材料，200W 则用于熔点温度较高的直接制模法所用粉末材料。 随着粉末材料的开发，有采用熔点温度较高材料的趋势，对大功率成型设备的需求会 增加。因此，提高功率也成为今后 SLS 设备研发工作的一个重要内容。主要技术有采用大 功率的CO2激光器，或者是 YAG 型高功率同体激光器。由于CO2激光器的研究在技术上比 较成熟，因而一般首选CO2激光器，故前面所提到的 SLS 成型设备都选用的是CO2激光器， 随着 YAG 型固体激光器技术得到突破，它的功率高，波长短，金属对它的吸收率大，也 成为又一种可选择的激光器。 此外，由于高温烧结对金属材料的氧化腐蚀明显。产生的烟雾也大，因而要充人惰性 气体保护烧结部位免遭污染，同时将烟雾及时抽出，相关的隔离、密封、除尘、降温等技 术都需要对设备的工作型腔和排烟除尘系统进行改进或重新设计，使之建立起在高温烧结 和凝固结晶状态下所需的工作环境条件，保证成型效果。 2.4 烧结工艺的研究烧结工艺的研究 为使成型零件获得预期的效果，必须对烧结过程进行控制。除了材料、设备方面提供 必要的条件外，一些烧结工艺参数的控制尤为重要，如激光束的光斑直径大小、扫描速度、 扫描间隔、扫描的粉层厚度等，都会影响到材料在熔化和凝固结晶的过程，从而直接影响 成型零件的精度、内部组织结构、表面物理化学性能等。研究的方向主要集中在建立起可 供选择的方案和参数模块，用户根据需要从中选取某一方案及参数，并可对其进行更改和 调整，从而使成型零件达到很好的制造效果。目前这一技术主要由成型设备研发生产厂家 来进行研究，随设备提