（材料加工工程专业论文）光固化快速成型工艺及成型质量控制措施研究.pdf

山东大学硕士学位论文 光固化快速成型工艺及成型质量控制措施研究 摘要 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 的发展引起了制造业巨大变 革，已成为众多企业和国内外知名高校的研究热点。光固化快速成型是目前 世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。该技术 在各个领域获得了广泛应用，特别是在产品的样机制造、功能性试验、缩短 研制周期、增加市场竞争力等方面越来越显示其强大的优越性，同时该技术 又在不断的得到完善和发展。 本文在介绍光固化快速成型技术的基本原理、适用范围和工艺特点的基 础上给出了光固化原型前处理、固化加工和后处理三个阶段的具体制作工艺， 并介绍了实验用光固化快速成型设备及光敏树脂材料特性。 本文对影响光固化快速成型精度的因素进行了理论分析及确定，并对每 个因素对成型精度产生的具体影响进行了阐述。对激光扫描固化过程进行了 理论分析，给出了光敏树脂s o m o s i l l 2 0 ( 临界曝光量e c = 1 1 5 m j c m 2 ，透射 深度d e = 0 1 6 m m ) 所对应的单线扫描时的固化线条的最大固化深度和最大固 化宽度的理论模型以及光敏树脂s o m o s l l l 2 0 平面扫描时的最大固化深度的 理论模型，同时对平面扫描最大固化深度的理论模型的准确性进行了实验验 证，为本文通过控制工艺参数提高成型精度的实验研究提供了理论基础。 重点对影响形状精度的翘曲和圆柱内孔椭圆畸变现象、影响尺寸精度的 加工方向高度增厚现象以及影响表面精度的台阶纹现象进行了实验研究，并 给出了具体解决措施：( 1 ) 为减小翘曲变形，可以从改进材料配方、优化工 艺参数、设计合理的支撑结构三方面进行考虑。适当降低固化层的厚度是改 善翘曲变形的最优措施，而固化层厚度的调节可以通过改变激光功率与扫描 速度的比值来实现。( 2 ) 通过减小制件数据模型前处理阶段的误差、z 轴补 偿法、设计合理的支撑结构三方面措施降低圆柱形侧孔椭圆畸变程度。其中z 轴补偿法可以有效降低侧孔内表面悬空部分过度固化导致的增厚现象，并且 不会对制件上圆柱侧孔以外其他的结构产生影响。( 3 ) 在前期数据处理阶段， 对s t l 格式数据模型进行固化深度的z 轴补偿是改善高度方向尺寸精度的有 摘要 效措施。( 4 ) 台阶纹与斜面法线方向和加工方向之间的夹角有关，夹角越小， 台阶纹现象越明显。斜面法线方向和加工方向之间的夹角在0 。3 0 。变化时， 台阶纹现象较明显：夹角大于3 0 。时，随着夹角变大，相邻台阶纹之间的距离 变小，表面精度提高。( 5 ) 刮板同液面之间的距离对成型件的精度产生一定 的影响。应使刮板上的针尖与液面恰好接触，刮板与液面距离保持恒定。 本文最后对具有微细结构特征的原型制作进行了实验研究，给出了提高 微细结构成型质量的措施。针对z 轴补偿对微细结构的影响，本文提出采用 s t l 文件数据模型“分割一z 轴补偿一缝合”的方法，可以有效降低z 轴补偿对 微细结构的影响。影响微细结构表面质量的主要因素是台阶纹，为了降低台 阶纹的影响，必须调整微细结构的加工方位，使微细结构所处斜面的法线方 向与加工方向的夹角尽量增大，一般应控制在3 0 。一9 0 。范围内或者使微细 结构处于制件的上水平表面。 关键词：光固化快速成型，成型精度，z 轴补偿 山东大学硕士学位论文 s t u d yo ns t e r e o l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g ya n d c o n t r o lm e a s u r e s o fp r o t o t y p eq u a l i t y a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o f r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y h a sc a u s e dt h e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh u g et r a n s f o r m a t i o n , a n dt h i st e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e m u l t i t u d i n o u se n t e r p r i s e sa n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nw e l l - k n o w nu n i v e r s i t y s r e s e a r c hh o t s p o t t h es t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l ) t e c h n o l o g y i s t h em o s t w e l l r e s e a r c h e d 、t h em o s tm a t u r ea n dt h em o s tw i d e s p r e a dr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g yh a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nv a r i o u s a r e a ss u c ha sd e s i g nv i s u a l i z a t i o n 、f u n c t i o n a lt e s t i n g 、r e d u c i n gt h ep r o d u c tu p d a t i n g c y c l e 、e n h a n c i n g t h e c o m p e t i t i v ep o w e rc o n c e r n e d t h em a r k e t a l t h o u g h s t e r e o l i t h o g r a p h yd i s p i n y sm o r ea n dm o r ea d v a n t a g ei nm a n u f a c t u r i n g , t h i s t e c h n o l o g yi ss t i l ld e v e l o p e du n c e a s i n g l y t h ep r i n c i p l e , a p p l i c a t i o n ，a s s o r t m e n to fs li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e t h r e es t a g e so fs lp r e - p r o c e s s i n g , p h y s i c a lf a b r i c a t i o n , p o s t p r o c e s s i n g , a r eg i v e n t h e s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u sa sw e l la st h ep r o p e r t yo fp h o t o s e n s i t i v er e s i ni s i l l u s t r a t e d t h ef a c t o 墙t h a ti n f l u e n c e dt h eq u a l i t yo fp r o t o t y p i n ga r et h e o r e t i c a l l y a n a l y z e da n dd e t e r m i n e d i nt h i s p a p e r , a n dt h ei n f l u e n c eo fe a c h f a c t o ri s i n t r o d u c e di nd e t a i l t h ec u r i n gp r o c e s si sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e d ，a n dt h et h e o r e t i c a l m o d e l so fc u r i n gr e s i nl i n ea n dl a y e ri ns t e r e o l i t h o g r a p h ya r ed e t e r m i n e db a s e do n t h e p h o t o s e n s i t i v er e s i ns o m o s l l l 2 0 ( e c = 1 1 5 m j c m 2 , d r = 0 1 6 m m ) t h e t h e o r e t i c a lm o d e l so fc u r i n gr e s i nl i n ea n dl a y e rr e f e rt ot h ec u r i n gr e s i nl i n e s m a x i m u md e p t ha n dw i d t ha sw e l la st h ec u r i n gl a y e r sm a x i m u md e p t h t h e a c t u a lc u r i n gl a y e ri sc o i n c i d e n tw i t ht h em o d e lc o m p a r a t i v e l y t h er e s e a r c hi so f t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v es l q u a l i t y t h ew a r p a g eo fp r o t o t y p ea n dt h ee l l i p t i cd i s t o r t i o no fc o l u m n e ds i d eh o l e a f f e c t i n gt h es h a p ea c c u r a c y ，t h eo v e rc a r ea l o n g t h eb u i l d d i r e c t i o na f f e c t i n gt h e d i m e n s i o na c c u r a c y ，t h es t a i r - s t e pe f f e c ta f f e c t i n gt h es u r f a c ea c c u r a c ya l es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y ，a n ds u c 贮e s sp r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e sa r ep r o p o s e d ：( 1 ) i no r d e rt or e d u c et h ee x t e n to fw a r p a g e ，t h ei m p r o v e m e n to fm a t e r i a lp r o p o r t i o n , t h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sa sw e l la sd e s i g nr e a s o n a b l es u p p o r t sa r e 珊 a b s t r a c t e f f e c t i v em e a s u r e s b u tt h eo p t i m a lw a yi sr e d u c i n gt h el a y e rt h i c k n e s sr e a s o n a b l y , w h i c hc a nb ea d j u s t e db yt h er a t i oo ft h el a s e rp o w e rt ot h es c a n n i n gv e l o c i t y ( 2 ) t h er e d u c t i o no fc a dm o d e li n d u c e de r r o r , t h ez - c o m p e n s a t i o nm e t h o d , d e s i g n r e a s o n a b l es u p p o r t sa r ee f f e c t i v em e a s u r e sr e d u c i n gt h ee l l i p t i cd i s t o r t i o nd e g r e eo f c o l u m n e ds i d eh o l e z - c o m p e n s a t i o nm e t h o dm a ye f f e c t i v e l yr e d u c et h eo v e rc u r e p h e n o m e n o nw h i c ht h ei n t e r n a lh a n g i n gs u r f a c eo fs i d eh o l ec a u s e s ，m e a n w h i l e t h i sm e t h o dc a n n o ti n f l u e n c et h ep r o t o t y p e so t h e rs t r u c t u r e se x c e p tt h ec o l u m n e d s i d eh o l e ( 3 ) i nt h ep r e l i m i n a r yd a t ap r o c e s s i n gs t a g e ，t h ez - c o m p e n s a t i o nt ot h e s t lm o d e li st h ee f f e c t i v ea c t i o no ni m p r o v i n gz - h e i g h ta c c u r a c y ( 4 ) i ft h e s u r f a c en o r m a li sn o tp e r p e n d i c u l a rt ot h eb u i l d d i r e c t i o n ，t h ef a c e tw i l le x h i b i t s o m es t a i r - s t e pe f f e c t a st h ea n g l eb e t w e e nt h es u r f a c en o r m a la n dt h e b u i l d d i r e c t i o ni ss m a l l e r , t h es t a i r - s t e pe f f e c ti sm o r eo b v i o u s w h e nt h ea n g l e b e t w e e nt h es u r f a c en o r m a la n dt h eb u i l d - d i r e c t i o ni si no 。一3 0 。t h es t a i r - s t e p e f f e c ti so b v i o u s ；w h e nt h ea n g l ei sb i g g e rt h a n3 0 。，t h es t a i r - s t e pe f f e c tb e c o m e i n c o n s p i c u o u s , s u r f a c ea c c u r a c yi se n h a n c e d ( 5 ) t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es c r a p e r a n dt h el i q u i dl e v e lh a sc e r t a i ni n f l u e n c ei ot h eq u a l i t yo ft h ep r o t o t y p e t h e n e e d l e t i pa n dt h ef i q u i d l e v e ls h o u l d b ec o n t a c t e de x a c t l y ，a n dt h ed i s t a n c e b e t w e e nt h es c r a p e ra n dt h el i q u i dl e v e ls h o u l db ec o n s t a n t f i n a l l y ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fp r o t o t y p e sw i t ht h et i n y s t r u c t u r e s s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，t h es u c c e s sp r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e so ft h e t i n ys l m c t u r ea r ep r o p o s e d i nv i e wo ft h ei n f l u e n c eo fz - c o m p e n s a t i o nt ot h et i n y s t r u c t u r e ，t h e s e p a r a t i n gp a r t s - - z - c o m p e n s a t i o n - - s e w i n gp a r t sa g a i n m e t h o di s a p p l i e d t ot h es t lm o d e l t h i sm e t h o dm a yr e d u c et h ei n f l u e n c eo f z - c o m p e n s a t i o nt ot h et i n ys t r u c t u r ee f f e c t i v e l y t h ep r i m a r yf a c t o ra f f e c t i n gt h e t i n ys t r u c t u r e ss u r f a c ea c c u r a c yi st h es t a i r - s t e pe f f e c t i no r d e rt or e d u c et h e i n f l u e n c eo ft h es t a i r - s t e pe f f e c t ，t h eb u i l d i n gd i r e c t i o no ft h et i n ys t r u c t u r em u s tb e a d j u s t e d ，a n d t h ea n g l eb e t w e e nt h e p o s i t i o n i n g s u r f a c en o r m a la n dt h e b u i l d d i r e c t i o nm u s tb ea d j u s t e dw i t h i n3 0 。9 0 。 k e y w o r d s ：s t e r e o l i t h o g r a p h y ，p r o t o t y p ea c c u r a c y ，z - c o m p e n s a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：隧整日期：二塑铱墨 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 选导师签名趔垄日期： 0 7 。s 。 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 快速成型技术 1 1 1 快速成型技术简介 快速原型( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术，简称r p 技术，更普遍地被称为快 速成型技术，是2 0 世纪舳年代中后期发展起来的、观念全新的先进制造技 术1 1 一，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。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、精密伺服驱动技术和新材料技术等现代科 技成果，是一项多学科交叉、多技术集成的先进制造技术【2 , 3 - 5 1 。它从成型原理 上提出一个全新的思维模式，即将计算机上制作的零件三维模型，表面三角 化处理，存储成s t l 文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮 廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制 下，选择性地固化或切割一层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步 顺序叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件，见图1 - 1 1 6 , 7 1 。 模： 型： 叠i 加； 图1 - 1 快速成型离散和叠加过程 1 1 2 快速成型技术分类 r p 系统可分为两大类 8 , 9 1 ：基于激光或其它光源的成型技术，如：光固化 立体造型( s t e r c o l i l h o g r a p h y ：s l ，从该技术成型过程角度，本文称之为光固化 快速成型) 、迭层实体制造( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ：l o m ) 、选择性 第1 章绪论 激光烧结( s e l e c t e dl a s e rs i n t e d n g ：s l s ) 、形状沉积制造( s h a p ed e p o s i t i o n m a n u f a c t u r i n g ：s d m ) 等；基于喷射的成型技术，如：熔融沉积制造( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ：f d m ) 、三维打印制造( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ：3 d p ) 等。 1 2 光固化快速成型技术研究现状及选题背景 1 2 1 光固化快速成型技术在国内外研究现状 1 2 1 1 国内研究现状 从目前的研究现状来看，国内对光固化快速成型的研究主要体现在以下 几个方面： 1 、s l a 关键技术 ( 1 ) 激光器技术 在快速成型技术中，激光提供液态树脂转化为固态材料所需能量。对激 光器波长的选择，主要取决于液态树脂中光引发剂对不同频率的光子的吸收。 因为大部分光引发剂在紫外区的光吸收系数很大，仅需很低的激光能量密度 就可以使树脂固化，所以多数采用输出在紫外波段的激光器。常用的激光器 输出波段在紫外区的有h e c d 激光器( 3 2 5 n m ) 、a r 激光器( 3 5 1 3 6 4 n m ) 、 n 2 激光器( 3 3 7 n m ) 、二极管泵浦n d ：y o v 4 三倍频激光器 1 0 l 、e x i c i m e rl a i r 激光器【1 l l ( 3 0 8 r i m 、2 2 n m 、1 7 2 r i m ) ( 它既可连续辐照，也可以用于脉冲辐照， 且没有热效应) 。输出波段在可见光区的激光器有k r + 激光器( 6 4 7 1 n m ) 、a 件 激光器( 4 8 8 5 1 4 5 r i m ) 等。 目前，商品化的光固化快速成型机主要配置两类激光器：h e c a 气体激光 器和半导体泵浦紫外固体激光器。h e c d 气体激光器的光束模式质量较差，有 效使用寿命一般在2 0 0 0 h 以内，因此运行费用高。半导体泵浦固体紫外激光 器具有光束模式质量高，效率高，结构紧凑，可靠性好的优点，价格相对较 高。 研制光束模式质量高、效率高、稳定性好并且运行费用低的激光器仍是 研究重点。 ( 2 ) 光固化树脂体系的发展 光固化快速成型技术的快速发展对光固化树脂体系提出了更高的要求。 2 山东大学硕士学位论文 随着科学的发展和研究的深入，现有树脂体系所存在的问题必将逐步得到解 决，同时新的树脂体系也将不断推出。南京理工大学合成了一种感6 8 0 r i m 红 光的可见光引发剂，并研究了树脂各组分对树脂固化前后几个主要性能即粘 度、表固速度、体积收缩率的影响1 1 2 1 。湖北工学院的吴幼军等人针对5 3 2 n m 绿光激光器找到了一种固化良好的光固化体系，并对树脂组分进行优化，从 而改进树脂性能【埘。 ( 3 ) 数据处理技术 数据处理技术的研究主要包括提高数据处理精度和速度，减少数据处理 量以及由s t l 格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。 陈绪兵等人介绍了c a d 模型的直接切片在快速成型系统中的应用情况， 这种算法具有降低数据前处理时间，避免s i t , 文件检查与纠错，降低模型文 件的规模等优点【1 4 i 。 上海交通大学周满元在研究了平面与基本曲线、曲面和参数曲线、曲面 的求交算法后，提出了快速成型中基于s t e p 的c a d 模型直接分层算法，避 免了s t l 中间文件的转换，分层后得到层片的精确轮廓表示，并具有通用性 好的优点【1 5 】。 2 、基于r e r p r t 技术的新产品快速开发集成制造系统【1 6 1 华北工学院的于松章、西安交通大学的洪军等人介绍了基于r e r p r t 技 术的新产品快速开发集成制造系统的技术路线，面向产品开发的需要或已有 的实物原型，首先进行三维c a d 设计或对实物进行反求设计，通过设计产生 三维c a d 模型，快速成型机以三维c a d 模型为数据输入，进行产品的快速 成型，制造出原型零件。以原型零件为模具母板，通过快速模具技术加工出 硅胶软模、锌铝合金模具、钢模及中小批量功能零件，实现产品的快速开发 制造。 3 第1 章绪论 图1 - 2 基于r e r p r t 技术的快速开发集成制造系统的技术路线 3 、实现远程制造服务体系与集成制造系统 上海大学陈斌等人以快速成型机为背景，提出了基于i n t e r a c t 的远程驱动 策略，并且利用a s p 技术及a c t i v e x 技术，开发远程驱动软件，实现了快速 成型机基于浏览器服务器模式的远程驱动。但是一个成功的远程快速成型 制造与服务体系还需要涉及到许多内容，如：服务器的配置方案，在线报价， 在线洽谈，以及用户信息管理等功能单元。该系统还不能做到真正的实时调 节【堋。 1 2 1 2 国外研究现状 1 、开发不同档次、不同用途的机型 一方面开发高精度、高性能的机器，以满足对制件尺寸、形状和表面质 量要求较高或有特殊要求的用户的要求，例如美国3 ds y s t e m 公司近几年推出 的s l a - 3 5 0 0 、s l a - 5 0 0 0 机使用半导体激励的固体激光器，扫描速度达到 2 5 4 m s e e 和5 m s e e ，成形层厚最小可达0 0 5 r a m ，而s l a 7 0 0 0 扫描速度可达 9 5 2 m s e e ，成形层厚最小可达0 0 2 5 r a m 。 另一方面，开发专门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度、 形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。 2 、开发新的成型能源 光固化快速成型以激光作为能源，而激光系统的价格及维护费昂贵且传 输效率较低，提高了制件的成本。在日本化药公司开发新型光敏树脂的协作 下，日本d e n k e ne n g i n e e r i n g 公司和a u t o s t r a d e 公司率先使用 6 8 0 r i m 左右波长的半导体激光器作为光源，大大降低了设备的价格。 4 山东大学硕士学位论文 3 、开发新型材料 成本低、易开发、变形小、强度高、耐久及无毒无污染的新型材料开发 得到了高度重视。光固化快速成型技术的材料主要有四大系列：c i b a 公司生 产的c i b a t o o ls l 系列，d u p o n t 公司的s o m o s 系列，z e n e c a 公司s t e r e o c o l 系列和r p c 公司( 瑞典) 的r p c m e 系列。s o m o s 系列的新品种s o m o s 8 1 2 0 性能类似于聚乙烯和聚丙烯，特别适合于制作功能零件，并具有很好的防潮、 防水性能。 4 、注重扩展应用范围 ( 1 ) 在汽车车身制造中的应用 光固化快速成型技术可制造出所需比例的精密铸造模具，从而浇铸出一 定比例的车身金属模型，利用此金属模型可进行风洞和碰撞等试验。美国克 莱斯勒公司已用光固化快速成型技术制成了车身模型，将其放在高速风洞中 进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。 ( 2 ) 用于汽车发动机进气管试验 进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、 燃烧过程具有十分重要的影响。设计过程中，需要对不同的进气管方案做气 道试验。英国r o v e r 公司使用快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，取得 了令人满意的效果。 1 2 2 选题背景 光固化快速成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的 一种快速成型方法。自从上世纪8 0 年代中期出现光固化快速成型技术以来， 该技术在各个领域获得了广泛的应用，特别是在产品的样机制造，功能性试 验，缩短研制周期，增加市场竞争能力方面越来越显示其优越性。将该技术 与其它成熟技术嫁接，极易组成一个集成制造环境。目前研究s l a 方法的有 3 d s y s t e m 公司、e o s 公司、f & s 公司、c m e t 公司、d m e c 公司、t e i j i n s e i k i 公司、m i t s u iz o s e n 公司、西安交通大学、上海联泰公司和华中科技大学 等。 光固化成型技术经过近2 0 年的发展，设备与材料两方面都有了长足的发 展，但是在实际的工艺过程中，由于一些具体的工艺因素使得最终的光固化 5 第1 章绪论 件的精度、强度和耐久性还不能完全满足用户的要求，进而限制了该技术的 推广和应用。例如，在加工过程中出现的侧孔椭圆畸变、翘曲、微细结构的 丢失及台阶纹等，对制件的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等造成了影响。 另外，各种工艺参数的不确定也对制件性能产生不同程度的影响。 从上述发展现状来看，对光固化快速成型进行工艺分析，掌握光固化成 型过程中影响制件成型精度与表面质量的因素以及原型制作的关键技术，对 提高制件的精度和质量具有重要的实际意义。 1 3 论文的主要工作 本文在第二章中系统对光固化快速成型技术的基本原理、工艺过程、适 用范围和特点进行了分析，同时介绍了实验所用设备s p s ( 5 0 0 和光敏树脂的组 成及其光固化特性，第二章中阐述的内容是本课题开展研究的基础。 在本文的第三章，作者对影响光固化成型精度的因素进行了分析及确定。 依据光固化工艺流程，主要成型误差分为三类：前期数据处理对成型精度的 影响，光固化成型加工过程的误差以及后处理阶段对精度的影响，并对前期 数据处理对成型精度的影响进行了详细分析。同时作者对扫描固化过程进行 理论分析，进而找出各个工艺参数对扫描过程的影响。 在第三章理论分析的基础上，本文在第四章对如何提高光固化成型精度 进行实验研究，并提出解决措旋。根据实际生产加工的经验，光固化成型误 差主要表现在以下几个方面：光固化成型件的翘曲变形、光固化成型件形状 的畸变( 圆形侧孔椭圆畸变、微细结构畸变等) 、台阶纹、光固化成型件高度 尺寸增厚等。作者通过分析翘曲变形的机理，从实际操作角度出发，在使用 现有材料和设备的基础上，通过工艺参数的优化来减小翘曲变形；对于形状 畸变的研究，首先确定影响畸变的因素，通过合理的尺寸补偿和设置支撑来 减小畸变程度。台阶纹产生在与加工方向倾斜的表面上，倾斜角度越大，台 阶纹越明显，作者对产生台阶纹的因素进行分析，通过优化工艺方案和后处 理打磨来消除台阶纹；光固化成型件存在加工方向上尺寸增厚现象，作者提 出利用z 轴补偿来改善增厚现象，并对补偿值的设置原则、补偿值对制件的 影响进行分析。 第五章对微细结构的数据处理及成型工艺进行分析，在实验的基础上提 6 山东大学硕士学位论文 出提高微细结构成型质量的措施。 光固化快速成型技术是一项兴起不久的高新制造技术，一方面它正迅速 地在愈来愈多的领域、行业中推广应用，另一方面又在进一步的完善和发展。 本文在最后一章提出了光固化快速成型技术的发展方向，以及在本文的基础 上需要进一步深化的研究工作。 7 第2 章光固化快速成型工艺的理论分析及数据处理 第二章光固化快速成型工艺的理论分析及数据处理 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特性分析 2 1 1 1 光敏树脂 用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物、光引发剂、 稀释剂组成【堋。 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，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，性能也相差很大，其中应用较多韵有：环氧丙烯酸酯、 聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、不饱和聚酯、多烯，硫醇体 系、水性丙烯酸酯、乙烯基醚类掣1 9 1 。 光引发剂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。 光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。目前的光引发剂基 本上为紫外光区的，按引发机理可将光引发剂分为自由基型和阳离子型两类。 自由基型的有安息香类、苯乙酮类、硫杂蒽酮类、香豆酮类、苯甲酮类等； 阳离子型的有芳香重氮盐类、芳茂铁盐类和翁盐等f 2 0 1 。 稀释剂是一种功能性单体，结构中含有不饱和双键，如乙烯基、烯丙基 等，可以调节齐聚物的粘度，但不容易挥发，且可以参加聚合。稀释剂一般 分为单官能度、双官能度和多官能度。官能度越大，固化速率越快，多官能 度的活性单体易形成交联网络。由于快速成型工艺要求光敏树脂具有很快的 固化速率，因而应用于该类树脂中的稀释剂常为活性很高的稀释剂，如n 一乙 烯基毗咯烷酮、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪烃缩水甘油醚丙烯酸酯等【2 i j 。 当光敏树脂中的光引发剂被光源( 特定波长的紫外光或激光) 照射吸收能 量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化， 8 山东大学硕士学位论文 从而发生交联反应而生成高分子固化物。由于齐聚物和稀释剂的分子上一般 都含有两个以上可以聚合的双键或环氧基团，因此聚合得到的不是线性聚合 物，而是一种交联的体形结构，其过程可以表示为1 2 2 l ： p ( 光引发剂) 萎麓p 船性种) 齐聚物+ 单体三一交联高分子固体 2 1 1 2 光敏树脂的光固化特性分析 在激光的照射下，光敏树脂从液态向固态转变，达到一种凝胶态。凝胶 态是一种液态和固态之间的临界状态，此时，粘度无限大，模量( y ) 为零。激 光的曝光量( d 必须超过一定的阙值( e c ) ，当曝光量低于值艮，时，由于氧的阻 聚作用，光引发剂与空气中的氧发生作用，而不与单体作用，液态树脂就无 法固化 2 3 1 。当曝光量超过阙值后，树脂的模量按负指数规律向该树脂的极限 模量逼近，模量与曝光量的关系为【刎： 蚌雌聋脚e c - 。me 芦一k p e c y 眦 ( 2 1 ) 式中，p 为树脂的模量曝光量常数；l 。为树脂的极限模量；e c 为树脂的 临界曝光量；肠为比例常数。 激光快速成型系统中所用的光源为激光。激光是一种单色光，具有单一 的波长，因此，式中的e c 和卢均为常数。液态光敏树脂对激光的吸收一般符合 b e e r - l a m b e r t 规则闭，即激光的能量沿照射深度成负指数衰减，如m 2 1 所示。 o 岛 硎 图2 - 1 树脂对激光的吸收特性 假设有均匀面光源垂直投射到液态树脂的表面，则有： e ( z ) 一e o e x p ( 一z d ，) ( 2 2 ) 式中，d e 为透射深度，它是紫外激光能量密度衰减为入射能量密度e o 的1 e 9 广 彤豳 第2 章光固化快速成型工艺的理论分析及数据处理 的深度。点b 表示树脂液面上的能量密度；e ( z ) 为树脂液面下z 深度处的能量 密度。透射深度是光敏树脂的固定参数，表征对激光吸收性能的强弱，d e 越 小，表示树脂对激光的吸收越强。实验选用的是美国d s m 公司开发的面向光 固化快速原型制作的s o m o s 材料，型号为s o m o s l l l 2 0 ，树脂参数为：临 界曝光量e c - - 1 1 5 m j e r a 2 ，透射深度d e - - 0 1 6 r a m 。 只有e ( z ) e ，才会发生固化，得到曝光固化临界方程： e o e x p ( 一z d pj e c z d p l 。【e o e cj ( 2 3 ) 由此得到树脂的固化深度： c r d p l 。【e o e cj ( 2 4 ) 2 1 2 光固化快速成型工艺成型原理 光固化快速成型工艺，基于分层制造原理，以液态光敏树脂为原料，其 成型原理如图2 - 2 所示。主液槽中盛满液态光敏树脂，在计算机控制下的特定 波长的激光沿分层截面逐点扫描，聚焦光斑扫描处的液态树脂吸收能量，发 生光聚合反应而固化，从而形成制件的一个截面薄层，一层固化完毕后，工 作台下降一层高度，以使先固化好的树脂表面覆盖一新的树脂薄层，然后刮 板将粘度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描固化，新固化的一层牢固 的粘结在前一层上。如此依次逐层堆积，最后形成物理原型，除却支撑，进 行后处理，即获得所需的实体原型i 掘2 町。 图2 - 2 光固化快速成型原理 山东大学硕士学位论文 2 1 3 光固化快速成型工艺特点及适用范围 光固化快速成型主要有以下工艺特点【冽： ( 1 ) 对于内部结构十分复杂、一般切削刀具难以进入的制件，能轻松地一 次成型； ( 2 ) 利用计算机控制自动实现三维成型时，对工人技术方面要求不高，可 做到无人管理自动化及夜间工作； ( 3 ) 因为是非接触加工，不需交换工具，也不存在精密工具的磨损及保护 ( 但要考虑激光器的衰减) ； ( 4 ) 无切削、无振动、无噪音，可实现生产办公室化； ( 5 ) 制作周期短、生产成本低，几小时内便可完成传统工艺几个月的工作 量。 当然，与其它几种快速成型工艺相比，该工艺也存在许多缺点。主要有： ( 1 ) 成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易翘曲变形，需要 添加支撑。 ( 2 ) 设备运转及维护成本较高，液态光敏树脂材料和激光器的价格都较 高。 ( 3 ) 可使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为液态光敏树脂，并 且在大多数情况下，一般较脆、易断裂，不便进行机加工，也不能进行抗力 和热量的测试。 ( 4 ) 需要二次固化。在很多情况下，经快速成型系统光固化后的原型， 树脂并未完全固化，所以需要二次固化。 光固化快速成型主要应用范围有如下几个方面1 2 9 1 ： ( 1 ) 各类注型、模具的设计与制造( 特别是塑料模具) ； ( 2 ) 产品的外观设计及效果评价，如汽车、家电、化妆品、体育用品、建 筑设计等； ( 3 ) 医疗、手术研究用骨骼模型、代用血管、人造骨骼模型等； ( 4 ) 流体实验用模型，如：飞机、船舶、高大建筑等； ( 5 ) 艺术摄影作品实物化、胸像制作、首饰的金属模等； ( 6 ) 学术研究、分子和遗传因子的立体模型、利用生物显微镜切片制作立 第2 章光固化快速成型工艺的理论分析及数据处理 体模型等。 2 2 光固化快速成型工艺过程 光固化快速成型工艺过程一般包括：前期数据准备f 创建c a d 模型、模型 的面化处理、设计支撑、模型切片分层，、成型加工和后处理。 2 2 1 前期数据准备 前期数据准备主要包括以下几个方面： ( 1 ) 造型与数据模型转换 c a d 系统的数据模型通过s t l 接口转换到光固化快速成型系统中。s t l 文件用大量的小三角形平面来表示三维c a d 模型，这就是模型的面化处理。 三角小平面数量越多，分辨率越高，s t l 表示的模型越精确。因此高精度的 数学模型对零件精度有重要影响，需要加以分析。 ( 2 ) 设计支撑 通过数据准备软件自动设计支撑。支撑可选择多种形式，例如点支撑、 线支撑、网状支撑等。支撑的设计与施加应考虑可使支撑容易去除，并能保 证支撑面的光洁度。 ( 3 ) 模型切片分层 c a d 模型转化成面模型后，接下来的数据处理工作是将数据模型切成一 系列横截面薄片，切片层的轮廓线表示形式和切片层的厚度直接影响零件的 制造