（机械制造及其自动化专业论文）光固化快速成型制件的精度研究(1).pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 快速成型技术( r p 技术) 是当代先进制造技术之一，用于快速制造出复杂形状的原 型，实现产品快速开发的目的。 光固化快速成型( s l a ) 是最早发展起来的快速成型技术。大多数的s l a 成型设备都 是以激光为光源，该类型机器成型精度较高，但设备造价及运行成本也高，限制了s l a 技术的推广应用。近年来出现的紫外光快速成型机，造价及运行成本明显低于激光成型 机，但其成型精度也比较低。本文针对紫外光快速成型精度问题进行了专题研究。以国 产c p s 3 5 0 成型机为试验对象，在理论分析的基础上，进行了大量的基础性实验研究。 影响光固化快速成型制件精度的因素较为复杂，涉及到机械、光学、材料、控制和 c a d 等多个领域。本文从理论上较深入地论述了光固化快速成型的基本原理，系统地分 析了快速成型数据处理阶段和成型阶段中各种因素对成型精度的影响。 针对紫外光快速成型制件的“溶胀”问题，设计了实验模型，进行了试验分析；针 对尺寸偏差及其变化规律性问题，通过实验分析褥出了树脂特性、扫描线长及扫描系统 加减速运动等因素对制件精度的影响规律，提出了光扫描运动控制系统在换向阶段采用 交加速度运动模式的改进措旌。 “x ”型缺陷是s k 城型表面质量的最大问题之一。本文对此也进行了重点研究，在 实验分析的基础上，提出了增加可控遮光系统的观点。 针对紫外光快速成型常件精度的多工艺参数影响，以三方向尺寸误差为测量指标， 设计并进行了四因素三水平正交试验，利用方差分析的方法，研究了光斑直径补偿、分 层厚度、扫描速度及扫描间距对成型质量的影响规律，给出了定范围内的最佳工艺参 数组合。 最后，提出了提高制件精度的措旅和方法，这对光固化快速成型技术的发展及应用 有一定的指导意义。 关键词：快速成型；光固化成型；光敏树脂；成型精度；工艺参数 光固化快速成型制件的精度研究 s t u d y o nt h ep a r tp r e c i s i o no f r a p i d p r o t o t y p i n g o fs t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n g 畔) i s o n eo ft h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sn o w a d a y s i t c 缸f a b r i c a t et h ec o m p l i c a t e dp r o t o t y p er a p i d l y t h eo b j e c t i v eo f r a p i d p r o d u c td e v e l o p m e n t c a l lb ea c h i e v e dc o n s e q u e n t l y s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ( s i s t h er a p i dp m t o t y p i n gt h a td e v e l o p e df i r s t l y m o s t s l as y s t e m su s el a s e ra sl i g h ts 0 k f f c e ，a n di t sh i g hc o s tr e s t r i c t si t sw i d ea p p l i c a t i o na l t h o u g hi t h a sr e l a t i v e l yh i g h e rp r e c i s i o n t h er a p i dp m t o t y p i n gs y s t e ma v a i l a b l er e c e n t l ya d o p t su va s h g h ts o u r c ei n s t e a do f l a s e r , t h u st h ec o s ti sr e d u c e d , b u tt h ef o r m i n ga c c u r a c y i sf a i r l yl o w e r t h ep a p e rf o c u s e so i lt h ef o r m i n ga c c u r a c yo ft h eu v r a p i dp m t o t y p i n gf o rc p s ( c o m p a c t p r o t o t y p i n gs y s t e m ) 3 5 0 r p s y s t e mm a d e i nc h i n a , a n d p l e n t i f u le x p e r i m e n t a ls t u d y w a sd o n e o nt h eb a s i so f e m b e d d e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fs l a p r o c e s s 躺c o m p l i c a t e d , w h i c h i n v o l v em a n y a c a d e m i c d i s c i p l i n e s s u c ha sm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，c a d ，o p t i c s ，m a t e r i a ls c i e n c ea n d a u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h ep a p e r t h ep r o c e s sp r i n c i p l eo fs l a i ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y a n dt h e f a c t o r st h a te f f e c tt h ef o r m i n g a c c u r a c yd u r i n g3 d c a dd a t a a n a l y s i sa n d f a b r i c a t i o np m c e s si s a n a l y z e dd e t a l l e d l y i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n tm o d e lw a sd e s i g n e df o rt h ep r o b l e mo f s w e l l i n f f i nu v r a p i dp r o t o t y p i n gp a r ta n d t h er e s u l t sw a sa n a l y z e d a s 衙t h eq u e s t i o no f d i m e r m i o nw a r pa n d i t s c h a n g et r e n d , t h r o u g he x p e r i m e n ta n a l y s i s t h er u l ew a so b t a i n e dt h a th o wt h er e s i n c h a r a c t e r i s t i c ，s c a n n i n gl e n g t ha n da c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o no f t h es c a n n i n gs y s t e mt h a t a f f e c tt h e p a r tp r e c i s i o n t h ew a y t h a tt h es c a n n i n gs y s t e ma d o p t sv a r y i n ga c c e l e r a t e dm o t i o n d u r i n ga c c e l e r a t i n ga n dd e c e l e r a t i n gp h a s e w a s b r o u g h t o u t t h e x - t y p e s u r f a c ed e f e c ti so n eo f t h em o s ts e r i o u sp r o b l e m sa f f e c t i n gt h es u r f a c eq u a l i t y o f s l a p r o t o t y p i n gp a r t ，i tw a s a l s oe m p h a s i z e di nt h es t u d yo f t h i sp a p e r t h ev i e w p o i n tt h a t a d d st h e s h a d i n ge q u i p m e n t t ot h es c a n n i n gs y s t e mw a s b r o u g h t f o r w a r d i nt h ev i e wo ft h ei n f l u e n c eo ft h eu v r a p i dp r o t o t y p i n gv a r i e t yo fp r o c e s sp a r a m e t e r s ， m a k i n g u s eo f t h et h r e ed i _ r e e t i o n sd i m e n s i o n 口t o r sa sm e a s u r i n gg u i d e l i n e ，t h e4 - f a c t o ra n d3 一 h o r i z o n t a lo r t h o d o x ye x p e r i m e n ti sd e s i g n e da n dp r o c e s s e d u s i n gt h em e a s u r eo ft h es q u a r e e r r o r , t h er u l e sw a ss t u d i e dt h a th o w t h ef a c u l a rc o m p e n s a t i o n , l a y e rt h i c k n e s s ，s c a n n i n gs p e e d a n d s c a n n i n gs p a c ea f f e c tt h ef o r m i n gq u a l i t y , a n d t h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o n o f s l ai nc e r t a i ne x t e n tw a so b t a i n e d a tl a s t ，t h em e a s u r ea n dm e t h o do f e n h a n c et h e p a r tp r e c i s i o n i sp r e s e n t e d , w h i c hc o u l db e ag u i d a n c et ot h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n o f s l a k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ；p r o t o t y p i n g p r e c i s i o n c u r a b l er e s i n ；p r o c e s sp a r a m e t e r 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人己经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：壶】盔：1 日期：迎：三：z = 支 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题的科学依据 随着全球化市场经济的形成，制造业市场竞争从单品种、大批量、长周期，向多品 种、小批量、短周期方向发展，传统制造技术已不能适应市场竞争的要求和现代发展的 需要，新产品的开发速度和开发新产品的成本已成为企业参与市场竞争的主要矛盾。在 这种形势下，不但要求企业有强大的产品快速开发能力和技术创新能力，还要求制造技 术有较强的灵活性，能够在小批量甚至单件规模下组织生产而不增加产品的成本。一个 新的产品在从概念设计到推向市场的过程中，往往需要经过多次的设计修改，客观上需 要一种可以直接将设计数据快速转化为三维实体的技术。这样，不但可以快速直观地验 证设计的正确性，而且可以向客户、甚至是可能的潜在客户提供未来产品的实体模型， 从而达到早期占领市场的目的0 - 3 。存在决定意识，需求促进发展，“r a p i dp r o t o t y p i n g 快速原型技术”正是应时而生的新技术。 快速原型技术，简称r p 技术，更普遍地被称为快速成型技术，是2 0 世纪8 0 年代中后 期发展起来的、观念全新的先进制造技术 4 扎能够自动、快速、精确地将三维c a d 实体 数据模型物化为产品原型，在制造原理上与传统加工方式全然不同，是制造技术上的一 项重大突破。在缩短产品开发周期，降低产品开发成本方面有着突出的优势，是近年来 制造技术领域中最热门的研究课题之一。 我国3 j n a w t o 后，国内企业已经处于一个国际化市场竞争的环境，目前制造业的自 主开发能力和技术创新能力还很薄弱，国内企业在竞争中处于劣势地位，主要表现在： 产品关键技术5 7 来自国外；产品开发周期过长：先进制造技术普及率较低，提高企业 的产品开发和创新能力迫在眉睫旧。因此，研究高效率、低成本的产品开发技术是解决 这一问题的关键。 r p 技术在我国的研发工作起步较晚，目前制约其工业应用和推广普及的主要“瓶颈” 在于对萁成型工艺方面的基础性研究工作做的不够。本课题“光固化快速成型制件的精 度研究”就是在这种背景下提出来的。 1 2 快速成型技术概述 快速成型技术属于机械工程学科特种加工工艺的范围，它集成了c a d c a m 技术、 计算机数控技术、激光技术、精密饲服驱动技术和新材料技术等现代科技成果，是一项 光固化快速成型制件的精度研究 多学科交叉、多技术集成的先进制造技术 5 ，7 - 9 。r p 技术从成型思想上突破了传统的成型 方法，其基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多等厚度的二维平面图形沿某一坐 标方向叠加而成，即“分层制造、逐层叠加”的制造思想 1 0 】。它彻底摆脱了传统的“材 料去除”加工法，采用全新的“材料增长”加工法，将复杂的三维加工分解成简单二维 加工的组合，因此，在不用模具和工具的条件下，只需传统加工方法3 0 5 0 的工时和 2 0 - - 3 5 的成本【1 1 ，就能生成几乎任意复杂形状的零部件。 1 2 1 陕速成型技术的特点及应用 ( 1 ) 快速成型技术的特点 快速成型技术，采用材料累加法制造零件原型，与诸多的传统加工方法相比，具有 以下的优越性： 1 ) 成型速度快。从c a d 设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时 1 2 】， 速度比传统的成型方法快得多，快速成型技术可在产品开发过程中提供设计验证与功能 验证，检验产品的可制造性、可装配陆 1 3 】等；通过各种数字化转换技术，可以将r p 模型 快速转换成对应的生产模具【1 4 】，大幅度地缩短了产品的更新周期。 2 ) 设计制造一体化。由于快速成型技术采用了离黼堆积技术，使c a d 和c a _ m 很好地 结合在一起，真正实现了设计制造一体化，并能为看样定货、供货询价、市场宣传等方 面及时提供精确的样品，大大提高企业的营销效率 1 5 1 。 3 ) 自由成型制造。自由的含义有n , h 4 ，t 2 1 ：一是指可以根据零件的形状，无需专用工 具的限制而自由地成型，大大缩短新产品的试制时间：二是指不受零件形状复杂程度限 制，可以生成几乎任意复杂形状的零部件。 4 ) 高度黍陛。仅需改变c a d 模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件 模型 1 2 1 。 5 ) 制造费用低。其制造周期一般为传统数控切削方法的1 5 1 1 0 ，而成本仅为其1 3 1 5 ，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著【1 ，1 6 】。而以特定紫外光源取代激光器研 制成的紫外光快速成型机与其它激光成型机相比，具有低设备造价和低运行成本的突出 特点，具有最优的性能价格比。 6 ) 材料的广泛性。快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、 石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型【1 7 。 7 ) 技术的高度集成。快速成型技术是计算机、数控、激光、材料和机械的综合集成， 只有在计算机技术、数控技术、激光器和控制技术高度发展的今天才可能诞生快速成型 技术，因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 快速成型技术的应用 自1 9 8 8 年美国3 ds y s t e m s 公司推出第一台商品化s l a - 2 5 0 设备 5 】以来，其应用范围已 拓展到家电、机械、汽车、轻工、航空航天、国防、考古及医学等行业，并取得了显著 的效果，r p 技术的主要用途如下： 1 ) 新产品开发过程中的设计验证与功能验证。r p 技术可快速地将产品设计的c a d 模 型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、 可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改 1 3 ，i7 】。如汽车、卫星、导弹的可制造 性、可装配性，用r p 方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度( 5 ，l8 ； 对于难以确定的复杂零件，可以用r p 技术进行试生产以确定最佳的合理工艺。如果用传 统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。r p 技 术在家电、通讯产品的外形及结构设计上应用也较为广泛 1 8 】。例如：我国某空调器厂在 试装样机时对风机叶片设计没有把握，做风机叶片周期又很长，采用光固化快速成型工 艺制成风机叶片后，经过应力试验等测试，选得合理参数，不仅使风力变大而且降低了 振动，缩短了试产周期，迅速占领了市场0 2 。 2 ) 单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强 度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求：对于复杂金属零r - 4 牛，可通过快速铸造或直 接金属件成型获矧1 9 】。该项应用对航空航天及国防工业有特殊意义，在航空、航天领域， 特殊零件的直接制造，比如说中轮、涡轮的试制，发动机的试制、装配试验等，例如： 北京殷华激光快速成型及模具技术有限公司与厂家合作，采用光固化快速成型工艺成功 制成了航空发动机叶轮 2 0 ：在国防方面，用于各种武器零部件的设计、装配、试制，特 殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作等 5 ，1 8 。 3 ) 快速模具制造。通过各种转换技术将r p 原型转换成各种快速模具，如低熔点合金 模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件生产，来满足产品更新换代快、 批量越来越小的发展趋势 1 4 。例如：美国福特汽车公司用快速成型技术制造- l 圭6 8 5 m m 的 汽车曲轴模型 2 0 ，先分成三块进行成型制造，然后再拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精 度达n + o 3 m m 。 4 ) 在医学上的应用。一是用于器官模型的制作，世界上许多国家都十分重视r p 技术 在医学领域中的应用，并取得了较好的效果。该方法是将以数字成像技术为基础的c t ( 断 层成像) 、m r i ( 核磁共振) 等诊断方法与r p 系统相结合，即把所获得的人体扫描的分层截 面图像，通过计算机三维重建后，将处理的数据提供给r p 系统，得到人体局部或内脏器 官的原型。这样就可阻显示该部位病变情况和实体结构，可用于临床辅助诊断和复杂手 3 光固化快速成型制件的精度研究 术方案的确定，也可以供教学使用 1 9 ，2 0 。二是利用r p 系统直接制作假肢、人体骨关节、 颅骨等。例如：在颅骨修复术中，采用r p 技术能迅速准确地将病人颅骨的c t 数据转换为 三维实体模型，其制作的修复件成型精度高，能吻合病人颅骨的几何形状，减少固定螺 钉约1 2 ，缩短手术时间，有利于病人恢复，大大减轻病人负担 1 5 。 1 2 2 快速成型技术的研究现状 ( 1 ) 快速成型技术的分类 随着新型材料特别是能直接快速成型的高性能材料的研制和应用，产生了越来越多 的更为先进的快速成型工艺技术。目前快速成型已发展了十几种工艺方法，其中较为成 熟的有： 1 ) 光固化快速成型工艺 光固化快速成型( s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ，简称s 【j 0 ，是本文研究的内容，其工 艺成型原理及技术特点等内容见第二章。 2 ) 分层实体制造工艺 ( a ) 工作过程( b ) 平面模型 图1 1l o m 工艺成型原理 f i g 1 1 t h ep r o t o t y p m gp r i n c i p l eo f l o m 分层实体制造皿锄i i l a t e do b j e c tm a n l 】f a c n 埘n g ，简称l o m ) ，l o m 工艺通常以塑料薄 膜、陶瓷膜和背面涂有热熔胶的纸为原料，采用金属箔( 板) 的研究也已在进行 l 2 。其成 型原理如图1 1 所示，激光头在计算机的控制下，根据三维模型每个截面的轮廓信息，对 一层薄型材料进行切割，并将无用的非图形区切割成网格状，得到一层截面后，工作台 下降一个材料厚度，然后将新的一层材料加在上面，通过热压装置将其与已切割层粘结 蚓f一最 大连理工大学硕士学位论文 在一起，依次逐层切割、粘结，直到完成整个原型，去除废料后即得到实体原型 2 0 ，2 1 】。 废料部分切成网格状是为了便于清除。 l o m 工艺系统具有制作效率高、成本较低、无需设计和制作支撑结构等优点，但制 件的粘结强度与基材和胶种密切相关，并且废料较多。 3 ) 选择性激光烧结工艺 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，简称s l s ) ，s l s i 艺一般采用c 0 2 激光器和 粉末状材料( 如塑料粉，陶瓷和粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等【2 0 1 多种) 。其 成型原理如图1 2 所示，成型时，先在工作台上铺一层粉末材料，控制系统捧“：愀光束按 照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末烧结在起，在非烧结区的粉末仍景松散状， 作为工件下一层粉末的支撑。一层成型完成后，工作台下降一截面层的高度，埔粉辊筒 在上面铺上一层粉末并刮平，进行新一层截面的烧结，如此循环，直至完成整个模型 4 ，2 2 。 成型完成后，将其从粉末箱中取出并清除多余粉末即得到实体原型。 图1 2s l s 工艺成型原理 f i g l 2 t h e p r o t o t y p i n g p r i n c i p l eo f s l s s l s i 艺系统可采用多种材料，也无需添加支撑，材料利用率较高，但其成型速度 慢，且设备较为昂贵。 4 ) 熔融堆积成型工艺 熔融堆积成型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) ，f d m i 艺采用a b s 、尼龙、 人造橡胶等热塑性材料进行成型。其成型原理如图1 3 所示，加热喷头在计算机的控制下， 根据截面轮廓的信息，作x y 平面运动。丝材经供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、 5 光固化快速成型制件的精度研究 熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成分层截面。一层成型完成后， 工作台下降一截面层的高度，再进行下层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品 2 0 ，2 3 o f d m 法般采用两个喷头，其中一个负责逐层喷堆原型，另一个则负责喷堆支撑 5 】，支 撑的作用是支撑原型悬空部分，使原型不至于因自重而变形。支撑可以用与原型不同的 较为廉价的材料制作。 f d m i 艺系统具有成本低、体积小、无污染等优点，且可以直接用于熔模铸造，但 其成型精度较差，表面易出现缺陷。 图1 3f d m 工艺成型原理 f i g 1 3 t h ep r o t o t y p i n g p r i n c i p l eo f f d m 上述四种快速成型制造工艺是目前应用最为普遍的，四种典型的快速成型工艺比较 如表1 1 所示f 1 7 】。快速成型制造方法的优选要从零件的功能要求，对表面粗糙度、形状几 何精度的要求以及制造期限、制造成本等诸多方面综合考虑。 表1 1 典型快速成型工艺的比较 表面材料材料运行生产设备占有率 r p 工艺精度 质量 价格利用率 成本 效率费用惭) s l a 好优较贵接近1 0 0 较高高较贵 7 8 l o m 一般较差较便宜较差较低高较便宜 7 3 s l s 一般一般较贵接近1 0 0 较高一般较贵 60 f d m 较差较差较贵接近1 0 0 一般 较低较便宜 6 l 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 国内外快速成型技术发展概况及其发展趋势 1 1 国外快速成型技术的发展 r p 技术是一种基于材料堆积的制造方法，r p 概念的提出可以追溯至u 1 9 7 9 年，日本东 京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1 9 8 0 年小玉秀男又提 出了光造型法，这一设想提出后，由丸谷洋二于1 9 8 4 年继续研究，并于1 9 8 7 年进行产品 试制c 2 5 】。1 9 8 6 年美国的c h a r l e s h u l l 博士首次在他的博士论文中提出用激光照射液态光敏 树脂，分层固化制作三维实体的快速成型概念，申请了专利，并开发了世界上第一套快 速成型装置【期。1 9 8 8 年，美国3 ds y s t e m s 公司率先推出了世界上第一台商用快速成型系 统一光固化快速成型s u 5 0 鲫，标志着陕速成型技术工业化应用的开始。从此r p 技 术在世界上正式出现并获得了迅猛的发展，表现出极强的生命力。 同期，另外几种快速成型工艺及成型机也相继问世。1 9 8 4 年美国的m i c h a e lf e y g i n 提 出了分层实体$ 1 造( i z m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) 的方法，并于1 9 8 5 年组建 h e l i s y s 公司，1 9 9 0 年前后开发了第一台商业机型l o m - - 1 0 1 5 2 7 , 2 8 ：1 9 8 6 年，美国t e x a s 大学的研究生c r d e c k m d 提出了s l s 工艺思想，稍后组建成d 1 m 公司，于1 9 9 2 年开发了 基于s l s t 艺的商业成型机鲫：美国学者d ts c o t tc r u m p 在1 9 8 8 年提出了f d m 工艺思想， 随后组建t s t r a t a s y s 公司，于1 9 9 2 年开发了第一台商业机型3 d - m o d e l e 9 2 9 。 自从2 0 世纪8 0 年代中期s l a 光固化成型技术发展以来到9 0 年代后期，在快速成型的 发展历程中，出现了十几种不同的快速成型技术，除前述几种外较成型成熟的还有三 维喷涂粘接( 3 d p ) 、数码累积制造、固基光敏液相法( s g c ) 、三维焊接成型等多种 4 ，5 ，1 2 ， 其中几种比较实用的成型方法应用于商用成型机。目前，s l a 、l o m 、s i s 和f d m 四种 技术比较成熟。美国在该技术领域一直处于领先地位，日本和欧洲等工业发达国家都投 入了大量资金进行研究与开发。日本紧跟美国迅速开展了快速成型技术的研究，1 9 8 8 年 三菱商社研制出与s l a 相似的光照成型系统，称为紫外激光扫描立体生成法( s h o r tf o r s o f i do b j e c tu l l r a v i o l e tl a s e rp l o t t e r ，简称s o u p ) ；西欧各国发展快速成型技术比美国和 日本晚一些，但是很快推出了自己的快速成型系统，例如，德国的s t e r e o s e o s i n 系统；以 色列的c u b i c a ls o l i d e r 系统等【3 0 】。 近年来，有关r p 方面的书籍、杂志及国际会议纷纷出现，例如：b u r w 、j o h n s o n 、 j a c o b s 、w o o d 和b i n s t o c k 等分别发表了有关i o 方面的著作或书籍。近年来，新出版的有 关r p 方面的学术刊物有快速原型制造) ) ( r a p i dp r o t o t y p h a g ) 、快速原型制造杂志) ) ( r a p i d p r o t o t y p i n gj o u r n a l ) 、快速成型制造报告( r a p i dp m t o t y p i n gr e p o r t ) 以及虚拟原型制造 杂志( v i ：r t u a lp r o t o t y p i n gj o u m a l ) 等。学术会议有：全美快速原型制造会议、欧洲快速原 7 一 光固化快速成型制件的精度研究 型与制造技术会议、国际制造过程自动化会议、国际快速成型与制造会议等等 5 】。这些 会议和杂志搭建了一个全球范围内的关于新的r p 方法和工艺、新材料开发、快速模具制 造、制件精度、软件及新应用等方面的学术论坛和技术交流平台。 1 9 9 8 年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设各展览会上，美国、日本、德国、 新加坡等国都展出了r p 设备 1 9 。截至2 0 0 1 年7 月，全球共有3 5 5 家r p 服务机构，3 0 家设备 制造商，1 2 家材料供应商，3 5 家咨询机构，1 4 家专门的软件供应商，6 7 个教育及研究机 构，分布于全球5 8 个国家的r p 系统有6 7 5 5 台套。根据其中6 5 2 1 个系统的分布情况统计出： 北美( 主要是美国) 占4 5 - 3 ，亚洲环太平洋地区占2 8 6 ，欧洲占2 4 6 ，其它地区只占 1 5 。近年来，采用r p 设备最积极的地区是东亚( 尤其是韩国、香港、新加坡) 1 9 。 2 ) 国内快速成型技术的发展 国内r p 技术的研究始于1 9 9 1 年，并逐步受到政府部门、科技界和企业界的重视。清 华大学、西安交通大学、华中理工大学、南京航空航天大学等高等学校和北京隆源快速 成型公司、广州中望商业机器有限公司等都在r p 技术的研究与应用方面取得了显著成 果。这些成果包括r p 理论、c a d 数据处理软件、r p 工艺原理、方法及控制技术、成型设 备、成型材料以及成型精度等方面【1 9 】。几年来，我国r p 技术飞速发展，已研制出与国外 s l a ，l o m ，s l s 和f d m 等工艺方法相似的设备，并逐步实现了商品化，其性能达到了 国际水平。 在我国，清华大学最先引进了美国3 d 公司的s l 0 2 5 0 设备与技术并进行研究与开发， 现已开发出“m r p m s ”型多功能快速成型制造系统。该系统具有分层实体制造 s s m ( i _ , o m ) 和熔丝沉积制造m e m 叩旧两种功能，这是我国自主知识产权的世界唯一 拥有两种快速成型工艺的系统。它具有较好的性能价格比，是基于“模块化技术集成” 概念设计制造的，只需在基础件上增加或更换某一功能模块，即可完成相对应的特定工 艺。此外，研制的世界上最大的l o m 双扫描成型机，己提供给国内的汽车制造企业，研 制成功的多功能快速成型系统m 踟己打入国际市场：自主开发的大型挤压喷射成型 r p 设备s s m 1 6 0 0 s s m ，成型尺寸已达1 6 0 0 m m 8 0 0 m m x 7 5 0 m m ，也居世界之首。 华中理工大学研制出以纸为成型材料的基于l o m 的h r p 系统，1 9 9 4 年开发成功l o m 样机，至1 1 9 9 7 年就向市场推出商品化的l o m 成型设备。目前，已对l o m 设备进行了系列 化的开发，同时还成功地推出商品化的s l s 设备；西安交通大学开发出l p s 和c p s 系列的 光固化成型系统及相应树脂，c p s 系统采用紫外汞氙灯为光源，成型精度可达0 2 m m ；南 京航空航天大学开发了基于s l s i 艺的r a p 系统；北京隆源快速成型公司推出了基于s l s 工艺的a f s 系统。1 9 9 8 年5 月在上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，清华大 8 大连理工大学硕士学位论文 学、西安交通大学、华中理工大学、北京隆源快速成型公司等单位均展示了各自开发的 快速成型系统 2 ，2 9 】。 中匡【香港、台湾在r p 方面也有相当的研究与应用。1 9 9 4 年香港生产力促进局与香港 城市大学合作，在政府工业署工业支援基金的支持下成立了“香港快速原型科技中心”， 采取示范、人员培训l 、对外提供产品加工服务以及向用户开放，由用户自行操作等多种 方式，大力推广应用r p 技术口q 。台湾大学拥；h - l o m 设备，台湾各单位及军方安装多台进 口s l a 系列设备【3 2 。 我国于1 9 9 5 年1 1 月在清华大学举办了第一届中国快速原型制造学术及技术展示会： 1 9 9 6 年在北京召开的中国先进制造技术会议上发表y 2 0 多篇有关r p 技术的学术论文 3 3 】； 1 9 9 7 年中国机械工程学会电加工分会成立了快速成型技术委员会；1 9 9 8 年在西安交通大 学召开了“9 8 全国快速成型与模具快速制造技术研讨会”；同年在北京召开了快速成型技 术的国际学术会议；2 0 0 0 年1 0 月在南京召开了第二届全国快速成型与快速制造学术会议： 2 0 0 4 年3 月在昆明顺利召开了第三届全国快速成型与快速制造学术会议；目前正在按地区 建立“r p 技术服务中心”，首批“中心”将在深圳、武汉、天津建设。这些会议的召开 及有关r p 技术文章的涌现，对我国r p 技术的发展及推广应用起到了积极的作用。 虽然我国祖r p 技术方面已经取得了很多成绩，但是与发达国家相比，我们还存在一 定差距，我国r p 技术大多应用在轻工、家电领域，而国外主要应用在产品开发，制造样 件。目前我国开发的快速成型机，成型精度还不够理想，要提高成型产品的精度，扩大 快速成型技术的应用范围，就要加速快速成型技术的精度改进研究。 3 ) 快速成型技术的发展趋势 快速成型技术是当今世界上飞速发展的制造技术之一，十几年来，r p 技术从研究、 设计、工艺、设备直到应用都有了长足的发展，尤其是近几年来，研究范围不断扩大， 应用领域不断增多。r p 技术的研究方向和发展趋势主要有以下几个方面 1 2 , 2 9 , 3 4 - 3 7 j ： 1 快速成型将向降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，其目的是普及快速成 型技术和提高快速成型技术的应用范围。 2 提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能 实验提供基础。 3 研究开发新的快速成型方法，进行工艺改迸与创新。研究开发复合快速成型新工 艺，将材料制备与结构成型一体化的快速成型方法。 4 金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造。探索直接制造满足工程使用条件 的金属零件的快速成型技术，将有助于快速成型技术向快速制造技术的转变，能极大地 9 一 光固化快速成型制件的精度研究 拓展其应用领域。此外，利用逐层制造的优点，探索制造具有功能梯度、综合性能优良、 特殊复杂结构的零件，也是一个新的发展方向。 5 开发快速成型的高性能软件，提高数据处理速度和精度。 6 开发新的成型能源。在主流成型技术中，s l a 、l ( ) m 和s l s 均以激光作为能源，而 激光系统( 包括激光器、冷却器、电源和外光路) 的价格及维护费昂贵而传输效率较低，影 响制件的成本。新成型能源方面的研究也是r p 技术的一个重要发展方向。 7 开发性能更好的快速成型新型材料。将有利于快速精确地加工原型，有利于快速 制模的后续处理，具有功能性材料的开发，能够提高成型件的使用功能。 8 发展桌面系统，实现远程控制。随着r p 技术集成化的研究，设计和制造人员可用 各种桌面系统直接控制制造过程，实现设计和制造过程统一协调和无人化。随着网络技 术的发展和普及，用户可通过因特网将制品的c a d 数据传给制造商，制造商可根据要求 快速为用户制造各种制品。更进一步发展成用户通过因特网直接进入制造商的主页，从 而利用r p 技术实现远程制造。 总之，快速成型技术是一种具有广泛应用前景的、正在不断发展完善的高新技术， 随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥 越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成型技术作为- - f u 多 学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展。 1 3 快速成型技术发展中存在的问题 由快速成型技术的原理可知，其是将复杂的三维) j n - r 转变成较简单的二维加工，从 而大大简化了数据的处理难度。一般来说，速度与精度问题是困惑快速成型学术界的重 要问题，r p 制造的每个过程都将影响成型型精度，主要存在的问题有 2 8 ： f 1 ) 数据转换问题 目前绝大多数r p 系统都采用s n 格式文件，在由三维c a d 模型转换成s 髂式文件 时，是用小三角形来近似逼近三维模型的表面，这必然会产生误差。并且对s t l 格式分 层处理，再传输到成型机，每一步都会产生转换误差。 ( 2 ) 分层厚度问题 由于r p 技术是基于“分层制造、逐层叠加”原理，不可避免的会造成r p 制件产生阶 梯效应，即产生原理误差。分层越厚，成型速度越快，但阶梯效应就越明显，制件的精 度越低；分层越薄，成型精度越高，但成型速度越慢。因此分层厚度是影响成型速度和 成型精度的关键因素。 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 成型材料问题 目前r p 成型材料的性能都不太理想，成型件物理性能不能满足功能性、半功能性零 件的要求，且由于材料状态发生变化，导致制件内部产生残余应力，使制件产生收缩、 翘曲、变形，而影响制件精度。 f 4 ) 成型系统问题 数控系统扫描机构的惯性结构、驱动电机驱动能力的动态特性对其运动速度、加速 度、减速度有一定的限制，且扫描系统的运动重复性对光束位置的重复精度影响等都直 接影响制件精度。 ( 5 ) 光路系统问题 光源强度的稳定性以及光斑直径大小的调整，都会造成扫描线长、宽的变化，从而 产生成型误差。 1 4 课题研究的目的和内容 光固化快速成型工艺，是目前快速成型诸多工艺中使用最为广泛的一种，也是最具 工业推广价值的一种，无疑在我国许多行业中有着巨大的潜在市场。目前光固化快速成 型技术最突出的问题是：成型制件的几何质量较差，表现在制件的表面粗糙、尺寸精度 和几何精度过低。为此，本课题从改善制件表面粗糙度，提高制件精度，优化成型工艺 参数出发，针对型光敏树脂，制定光固化成型实验方案，采用实验与理论分析的 方法，研究光固化快速成型系统及工艺参数对制件质量的影响规律，为实际应用提供理 论和工艺方面的指导性依据。 本论文的主要研究内容： ( 1 ) 运用理论分析与实验的研究方法，优化影响s l a 成型制件表面粗糙度和尺寸精度 的工艺参数； f 2 _ ) 研究快速成型制造过程中各因素对制件精度的影响规律： ( 3 ) 根据理论分析和实验结果，提出提高制件表面质量和精度的改进措施。 光固化快速成型制件的精度研究 2 光固化快速成型工艺的理论分析 光固化快速成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文名称为s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t a s ，简称s l a ，是最早发展起来的快速成型技术。目前，s l a 已成为最为成熟和 广泛应用的r p 典型技术之一，它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外光或激光使其 固化成型，这种方法能够简捷、全自动地制造出传统加工方法所难以制作的复杂原型， 在加工技术领域中具有划时代的意义。 2 1 光固化快速成型原理及特点 2 1 1 光敏树脂的组成及其光固化机理 用于光固化快速成型的液态光敏树脂材料，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。 f 1 ) 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，就可以继续聚合长大，其本身分子量已足够大，而且各组 分又有多个双键( 或环氧勘，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。齐聚物决 定了光敏树脂的基本物理化学性能，如液态树脂的粘度、固化后的强度、硬度、固化收 缩率、溶胀性等。 齐聚物的种类繁多，性能也相差很