（材料加工工程专业论文）光固化成形工艺及制件精度的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光固化快速成形是国内外应用最广泛的快速成形技术之一，在产品设计与评估、 功能测试和快速制模等方面起到越来越重要的作用。其中，制作工艺的选择直接影响 到光固化成形件的尺寸精度和表面质量，进而影响到光固化快速成形技术的推广与应 用，因此，对光固化快速成形技术的制作工艺进行深入的研究具有非常重要的现实意 义和应用价值。 本文探讨了光固化快速成形机理，研究了树脂固化深度和固化宽度与激光功率、 扫描速度等参数之间的变化规律，在此基础上分析了各种工艺参数和扫描方式对光固 化成形件翘曲变形的影响，并提出了相应的措施以减小制件的翘曲变形。 再涂层技术是光固化成形中的一项关键技术，对光固化制件的成形精度、成形效 率起着重要的作用。本文基于国内外各种涂层技术的研究，开发了一种新的涂层技术 含液涂层技术，从而提高了涂层的效率和涂层的稳定性。 快速成形中的台阶效应严重地影响着制件表面质量和尺寸精度。本文在研究台阶 效应形成机理的基础上，总结了台阶效应对制件表面粗糙度和尺寸精度的影响规律， 采取了有效的措施降低了表面粗糙度，提出了一种利用光斑补偿来改善制件尺寸精度 的方法，使制件在提高表面质量的同时，仍能保持所需的尺寸精度。 关键词：快速成形光固化成形再涂层系统光斑补偿 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l ) i st h em o s tw i d e l yu s e dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u e a l lo v e r t h ew o r l d ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o d u c td e s i g na n de v a l u a t i o n ，f u n c t i o nt e s t ，a n d q u i c kt o o l i n g ，e t c t h e s e l e c t i o no fs lp r o c e s sh a sd i r e c te f f e c t so nt h ed i m e n s i o n a l a c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t yo fp a r t s ；f u r t h e r m o r et h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n o ft h e s l t h e r e f o r et h er e s e a r c ho nt h es l p r o c e s si sm e a n i n g f u la n d v a l u a b l e 。 t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sc a r r i e do u to nt h ec u r i n gm e c h a n i s mo f l i q u i dr e s i nu n d e r u v l a s e r , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec u r i n gd e p t h s ，c u r i n gw i d t ha n dl a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e di sp r e s e n t e d b a s e do n t h e s er e s e a r c hw o r k s ，t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n di t sr e l a t i o nt ot h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n ds c a n n i n gp a t t e ma r es t u d i e d m e a s u r e m e n t s a r et a k e nt or e d u c e p a r t sd e f o r m a t i o n r e c o a t i n gt e c h n i q u e i sc r i t i c a lt ot h e p a r ta c c u r a c ya n dp r o d u c t i v i t yo f t h es l a s y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s e a r c ho f k i n d so f r e c o a t i n gt e c h n i q u e s ，an e w r e c o a t i n gt e c h n i q u e i sa d v a n c e da n d a p p l i e d i nh r p l - i s y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n dp r o d u c t i v i t y o f r e c o a t i n g a c t i o n s t a i r - s t e pe f f e c ti st h em a i n c a u s et h a td e t e r i o r a t e st h es u r f a c eq u a l i t ya n dd i m e n s i o n a l a c c u r a c yo fp a r t s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es u r f a c eq u a l i t y , d i m e n s i o n a la c c u r a c ya n d s t a i r - s t e pe f f e c ti so b t a i n e d m e a n sa r ep r e s e n t e dt o r e d u c et h es u r f a c er o u g h n e s s ，a n da m e t h o dn a m e d a d a p t i v eb e a mc o m p e n s a t i o ni sp u tf o r w a r d ，w h i c hi su s e di ns l as y s t e m a n dl e a d st oa ne f f e c t i v er e s u l ti np a r t sd i m e n s i o n p r e s e r v i n g k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n gs t e r 9 0 l i t h o g r a p h y r e c o a t i n gs y s t e m b e a m c o m p e n s a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本入完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：磊连 代 日期：一9 年妒月“d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 一繇锨 f j 期：。h 睁年9 月访曰j 指导教师签名：嬲 日期：撕争月习同 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 激光固化快速成形技术综述 1 1 。1 快速成形技术简介 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，r p & m ) 是上世纪8 0 年代后期 发展起来的一种新型制造技术，它高度集成了数控技术、c a d c a m 、计算机、激光 技术及材料科学与工程等多学科的最新成果。快速成形技术在制造业、工业设计、文 化艺术、建筑工程及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，迅速成为制造领域的研究 热点，已经成为企业新产品设计、开发、生产的有效手段。 不同于传统加工的材料去除法或变形成形法，快速成形法制造的零件是采用增材 法制成的一次成形件。从成形角度来看，任何零件均可看作是由无数个空间薄片叠成 的三维几何体，薄片的形状就是几何体的截面形状。如果能够将这些薄片逐片制作出 来，然后依次将它们逐层粘合在一起，最终即可得到期望的零件。这就是快速成形技 术的基本原理 2 j 。因此，快速成形就是将三维零件的制造问题转化为两维面片的制 作，从而使三维复杂实体的制作变得非常简单。 快速成形是在c a d 模型的直接驱动下进行的，因此有人将快速原型制造过程称 之为数字化成型。在快速成形系统加工过程中，系统应用软件将计算机三维实体模型 在z 向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，在计算机的控制下，根据每一层的截 面数据以特定的方法( 如固化光敏树脂、烧结粉末、堆积其他材料等) 生成与该层形 状致的薄片并与上一层粘结起来，这一过程反复进行，逐层累加，最终形成一个三 维实体( 原型) 。最后通过后处理( 如后固化、修磨等) ，使其达到功能件的要求。 快速成形技术自从诞生以来，已经发展了多种技术，使用的材料有纸、高分子粉 末、金属粉末、金属薄材、丝材以及高分子聚合物、石蜡等。选用的能源有热源、激 光光源等，激光光源又有c 0 2 、h e c d 、a r + 气体激光器和n d ：y v 0 4 固体激光器等。 目前市场上发展比较成熟的快速成形技术主要有：光固化快速成形( s t e r e ol i t h o g r a p b y , s l ) 、分层实体制造工艺( 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 ) 、选择性激光烧结 ( s e l e c t i v el a s e rs i m e r i n g ，s l s ) 、熔融沉积造型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g 。f d m ) 、 立体三维印刷( 3 dp r i n t i n g ) 等。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 光固化快速成形技术及其发展概况 光固化快速成形是公认的精度最高的快速成形方法，它具有制作效率高，材料利 用率接近1 0 0 的优点，能成形形状特别复杂( 如空心零件) 、特别精细( 如首饰、工 艺品等) 零件。另外，光固化成形技术也可以被用于微小机械加工领域。用光固化法 制作的快速原型透明晶莹，表面光洁度好，强度和硬度都很高，可以直接作为功能件。 正是由于光固化成形的一系列优点和用途，自从2 0 世纪8 0 年代问世以来，迅速发展， 经久不衰，成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成形方法。 从世界快速成形技术市场的发展和变化来看，光固化成形设备( s l a ) 所占的市场份 额也最大。其中截止到1 9 9 7 年，s l 的市场占有率为6 9 4 ；截止到2 0 0 0 年s l 的市 场占有率仍然是各种r p 设备销售量总和的一半左右。s l 技术在r p 领域中仍然牢牢 地占据主导地位j 。 光固化快速成形( s l s t e r e ol i t h o g r a p h y ) 这一名称国内有多种译法，如立体 光刻、立体印刷、光造型等不一而足。s l 的基本原理如图卜l 所示。以光敏树脂为原 料，在计算机控制下，紫外激光按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表面逐点扫描， 使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层；一层固化完 毕后，工作台下降，在原先固化好的树脂表面再涂覆上一层新的液态树脂以便进行下 一层扫描固化；新固化的一层牢固地粘结在前一层上；如此重复，直到整个零件原型 制作完毕。 图j 。1 光固化原理圈 7 0 年代术8 0 年代初，3 m 公司的a h e b e r t ，日本的n a g o y ap r e f e c t u r e 研究所的 h k o d a r n a 和加利福尼亚u v p ( 紫外产品公司) 的c h a r l e sh u l l 独立研究通过选择性 2 华中科技大学硕士学位论文 地固化树脂薄层来逐层累加制造三维实体。h u l l 在u v p 的资助下，发明了所谓的 s t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l ) ，并与1 9 8 6 年申请了专利( h u l lc ，通过s l 制作三维实体 的装鼹，美国专利号4 ，5 7 5 ，3 3 0 ，1 9 8 6 年3 月1 1 日) ，同时，h u l l 和u v p 的股东 r a y m o n df r e e d 联合创立了3 d s y s t e m s 公司，开发s l 的商业应用。在日本，关于s l 技术的第一个专利是三菱公司申请的，公布于1 9 7 4 年3 月2 2 日，但不久就放弃了。 三菱公司后来成立了一个分公司即c m e t 公司，生产s o u p ( s o l i d o b j e c t u l t r a v i o l e t p i o t t e r ) 系列快速成形机。第一台商品化光固化快速成形系统是美国3 ds y s t e m s 公司 于1 9 8 6 年推向市场的s l a 系列成形机s l a 一1 9 0 。除美国3 d 公司之外，日本的三菱、 索尼等七家公司，德国的e o s 公司也都生产光困化快速成形系统。至于进行此项技 术研究的单位和机构更是不胜枚举，如美国的d a y t o n 大学、m i t 、欧洲的一些国家 和大学也都开展了该项技术的研究。 光固化快速成形技术是多学科的交叉和多项技术的高度集成，所以其整体性能的 发展依赖于各种单元技术的发展。s l 技术可分为硬件、软件、材料和成形工艺四大 组成部分。各部分的发展既相互促进，又相互制约。硬件部分包括激光束精确光斑的 获得、激光束光点的精确扫描和定位；高精度、商可靠性、高效率的树脂再涂层系统。 材料方面包括树脂各种性能的研究，如固化速度、固化收缩率、粘度、机械性能等， 还要考虑树脂的易储藏、无毒无味等要求。软件主要是指数据处理的精确性和快捷性， 整个成形过程的控制以及面向用户的易操作性。制作工艺是光固化成形过程中的关键 技术，零件的精度和成形效率主要决定于制作的工艺。 目前研究光固化成形技术的主要有美国3 ds y s t e m s 公司、德国e o s 公司、日本 c m e t 公司、d e n k e n e ne n g i n e e r i n g 公司、a u t o s t r a d e 公司和中国的西 安交通大学等。美国3 ds y s t e m s 公司的s l a 技术在国际市场上占的比例最大，其设 备自1 9 8 8 年推出s l a 一2 5 0 机型以后，又于1 9 9 7 年推出s l a 2 5 0 h r 、s l a 3 5 0 0 、 s l a - 5 0 0 0 三种机型，在技术上有了长足的进步。之后又推出了s l a - 7 0 0 0 机型、及最 新的v i p e rs i 2s y s t e m 机型。其技术发展特点是：( 1 ) 利用半导体泵浦的三倍频n d ： y v 0 4 ( 钕钇钒酸盐) 固体激光器替代h e c d 激光器，功率为1 6 0 8 0 0 m w 激光器寿命 增长到5 0 0 0 小时以上( 2 ) 采用被称为z e p h y f f mr e c o a t i n gs y s t e m 的专利涂层技术替 代普通的刮板涂层技术，减少辅助时间，提高成形效率，最小涂层厚度达o 0 2 5 m m ， 大大提高成形精度；( 3 ) 提高扫描速度，最大扫描速度可达9 5 2 m j s 。( 4 ) 为满足不 同精度要求，可根据不同需要选择优化的成形参数，以最快速度制成原型d i 5 1 。 r 本方面打破了s l a 技术使用紫外光源的常规，在日本化药公司开发新型光敏 树脂的协作下，由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 华中科技大学硕士学位论文 6 8 0 h m 左右波长的半导体激光器作为光源，大大降低了s l a 设各的成本。特别是 a u t o s t r a d e 公司的e 。d a r t s 机型，采用一种光源从下部隔着一层玻璃往上照射 的约束液面型结构，使得设备成本大大降低。 在国内，上世纪九十年代首先由华中科技大学、西安交通大学、清华大学等大学 和一些研究机构开始了对快速成形技术的研究，同时，国内几家大型企业，如海尔集 团、华宝集团、科龙集团等，也认识到了该项技术的潜力，纷纷引进国外快速成形设 备。该技术同样得到了国家政府的重视，在全国范围内建立了近十个快速原型生产力 促进中心，旨在使该项技术真正为企业带来效益，提高企业产品在国内市场乃至国际 市场的竞争力。“九五”期间在国家科技攻关和8 6 3 项目的支持下，我国快速成形技 术有了很大发展，西安交通大学推出了l p s 和c p s 系列s l a 成形机和相应的光敏树 脂材料【6 】a 1 2 课题研究的目的和意义 根据“r a p i dp r o t o t y p i n gr e p o r t 对其读者调查，目前r p 领域中存在的主要问题如 图1 2 所示叽从图可知，除了材料问题和r p 设备的价格问题是阻碍r p 技术推广应 用的主要问题外，表面质量和成形精度是另外两大因素。对于光固化成形技术，这两 方面的影响因素尤为突出。 幽1 - 2r p 技术存在的主要问题 光固化成形技术由硬件、软件、材料和工艺四个方面组成l b l ，各方面的发展既相 互促进又相互制约。其中制件的制作工艺是光固化成形过程的关键技术，制件的精度、 表面质量以及成形精度和成形效率主要决定于制作工艺。随着人们对光聚合机理、固 化成形过程的认识和研究的不断深入，成形材料的各种性能得到了相应的提高，硬件 方面的扫描控制精度、激光精确光斑和稳定功率的获得、涂层系统的高可靠性以及树 脂液面稳定性的精确控制，加上r p 软件的不断完善，制件的精度、表面质量和性能 4 华中科技大学硕士学位论文 都得到了提高。但是，由于这项技术本身的要求，使得所用的树脂材料有别于传统的 聚合物，加上聚合反应过程的不可控制性以及材料物性对时间依赖性，所以目前绝大 多数的研究很大程度上依赖于所用的材料和实验条件，对成形工艺的研究还没有通用 的分析计算的模型。在国外，对工艺的基础性研究起步得比较早，也取得了不少的研 究成果。但在实际的应用中，由予设备所处的环境不同，所用的树脂材料和光源设备 均不一样，因此即使采用同样的某种成形工艺，所成形的制件在精度和质量上也存在 差异，此时设备操作人员的经验还起到相当重要的作用。 华中科技大学从】9 9 1 年开始了对快速原型技术的研究，经过多年艰苦不懈的努 力研究，已先后开发出h k p i 至h r p i i i a 、h r p s 共四代快速成形机。其中，h r p i 、 h r p i i a 和h r p i i i a 是基于l o m 的快速成形机，h r p s 是基于s l s 的快速成形机。 随着激光技术的发展，寿命更长、可靠性更好、光斑模式更佳的固体激光器通过倍频 技术可以产生紫外激光，并已经在国外成功运用于激光固化快速成形中。半导体泵浦 固体激光器的出现，计算机控制技术的发展和材料性能的提高大大减少了使用成本， 提高了系统可靠性，促进了光固化快速成形技术的发展，为光固化成形设备的国产化 提供了很好的机遇。本中心依托本校的资源，经过两年的努力成功开发了利用半导体 泵清固体激光器作为光源的光固化成形设备。 在光固化设备的成形过程中，如何进一步地减少制件的翘曲变形，提高制件的尺 寸精度和表面质量，成为该设备亟待解决的问题。而这些问题的解决除了需要从硬件、 软件和材料三方面寻找途径之外，制作工艺的研究是关键技术。本课题“光固化成形 工艺及制件精度的研究”正是基于这种背景提出的。 1 3 本文的主要工作及章节划分 本文对光固化快速成形技术中的材料成型机理进行了分析，针对光固化成形过程 中制件的翘曲变形严重、尺寸精度和表面质量低的情况，从刮板的涂层工艺改进、制 作参数优化、扫描填充方式的研究、表面质量的改善等方面进行了研究和初步的探索。 本文批分为五章，各章的主要内容如下： 第1 章是课题综述，介绍了本课题的相关背景和当前国内外研究发展状况，阐述 了本课题的研究目的和意义。 第2 章在研究和分析光固化成形的机理的基础上，对单根扫描线、单层固化面以 及层层累积固化进行了大量的实验分析，验证了光固化材料的两次曝光原理。同时， 分析了光敏树脂固化特性和制作参数之间的内在联系，为制作参数的优化打下了基 础。 华中科技大学硕士学位论文 第3 章分别探讨了再涂层系统的设计和工艺研究、减少制件翘曲变形的工艺研究 和改善制件表面质量的工艺研究。在进行理论分析的基础上，在本中心研制开发的光 固化成形设备上分别对以上各种工艺方法进行了大量的实验研究，同时提出了提高制 件表面质量和减少翘曲变形的措施。 第4 章分析了影响制件精度的各种因素，研究了光固化成形过程中台阶效应对制 件尺寸精度的影响，并针对光固化成形件在后处理打磨工序中因消除台阶效应而丧失 尺寸精度的问题，提出了用光斑补偿改善制件精度的方法。 第5 章为全文总结和进一步研究的展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 光固化成形机理 2 1 光敏树脂的光聚合过程 光固化快速成形是利用液态光敏树脂在特定波长的( 如3 5 5 n m ) 紫外激光的照射 下发生光聚合反应而快速固化这一特性发展起来的m 。 光聚合是指化合物由于吸收光而引起的分子量增加的任何过程，其中也包括预先 生成的大分子进一步的光交联。迄今为止，人们所发现的光聚合除光缩聚反应外，就 其本质而言，都是链反应机理，即由活性种( 自由基或离子) 引发的链增长过程。根 据引发剂本身引发机理的不同，光敏树脂发生的反应分为两类，即自由基引发聚合和 阳离子引发聚合m l 。 以自由基引发聚合反应为例，用于激光快速成形系统的自由基光敏树脂齐聚物， 在光引发剂吸收光能后，发生分裂反应，产生可引发聚合反应的自由基，使单体以连 锁反应的机理迅速地聚合，生成高分子化合物。其主要反应过程可以分为以下几个阶 段： ( 1 ) 链引发反应光引发剂i 在一定波长的光的照射下吸收能量，其分子中的 共价键经过激发态i ( 单线态或三线态) 发生断裂，产生初级自由基i a 和i b ( 若 a = b ，为均裂反应，否则为异裂反应) ，初级自由基与单体合成，形成单体自由基，化 学式过程如下： i + 膨哼( ，一m ) ( 2 ) 链增长反应在链引发阶段产生的单体自由基仍具有活性，能与第二个单 体分子反应生产新的自由基。新的自由基活性并不衰减，继续和其他单体分子结合成 单元更多的链自由基，表现为活性链不断增长，最后终止成为大分子，使树脂固化。 化学式过程表现为： ( 一m ) + 时_ ( ，一m 时) ( i 一m m ) + m 斗( ，d m m m ) ( 3 ) 链终止反应 自由基活性很高，有相互作用而终止的倾向。终止反应有偶 合终止和歧化终止两种方式。自由基发生终止反应后就失去了活性。在连锁反应中， 链的增长和链的终止是一对竞争的关系。 自由基引发聚合和阳离子引发聚合各有自身的优缺点：发生光聚合反应的自由基 光敏树脂最大的优点是树脂的光敏性好，固化的速度快，通过不同的配方可得到不同 华中科技大学硕士学位论文 的力学性能；主要缺点是聚合后体系体积的收缩较为明显，从而导致很高的内应力， 同时在聚合过程中，还受氧的阻聚作用影响。而阳离子光敏树脂与自由基引发的树脂 相比，特点有：固化收缩小，成品准确性高；粘度低，半成品强度较高，便于后处理； 在阳离子聚合中，由于不存在氧的阻聚作用，树脂不怕氧气；成品可以直接用于注塑 模具；缺点是在光源熄灭后，可以继续反应，导致制作工艺的不可控制性。 2 2 光固化树脂应满足的条件 激光快速成形系统制造模具，要求快速准确，对模型的精确性及性能要求十分严 格，这就使得用于该系统的光固化树脂必须满足以下条件f j j j ： ( 1 ) 固化前性能稳定，可见光照射下不会发生化学反应； ( 2 ) 粘度低，由于是分层制造技术，光敏树脂进行的是分层固化，就要求液体 的光敏树脂粘度较低，从而能够在前一固化层上迅速流平，而且树脂的粘度小，可以 缩短模具的制作时间，同时还给设备中树脂的加料和清洗带来便利； ( 3 ) 光敏性好，对紫外光有快的光响应速率，在光强不是很高的情况下能够迅 速的固化； ( 4 ) 固化收缩小，特别要求在后固化处理过程中，收缩要小，否则制件容易产 生翘曲变形，严重影响制件最终的精度； ( 5 ) 溶胀小，由于在固化过程中，制件先前固化的部分一直浸润在液态树脂中， 如果固化部分发生溶胀，将会使模型发生明显的变形，影响制件的形状精度； ( 6 ) 半成品的强度高，以保证后固化过程不发生形变、膨胀、出现气泡及层间 分离：另外最终的制件还应该具有较好的机械强度，耐化学试剂，易于洗涤和干燥， 并具有良好的热稳定性： ( 7 ) 毒性小，未来的快速成形可以在办公室中完成，因此单体或预聚物的毒性 和对大气的污染要严格控制在一定的范围。 2 3 光固化的特性 2 3 1 固化形状 由于激光的单一性使其可以将光斑聚集得 非常小，因此光固化一般用激光作光源f “j 。如 图2 - 1 所示是激光束光强度沿光斑半径方向的 高斯分粕状态，光束的中心部分光强最高，其 0 5 8 9 1 a 2 , o 图2 - 1 单一模式激光的光强分布 华中科技大学硕士学位论文 中，表示单位面积上的光强度，j 。是光束中心部分的i 值。沿z 轴方向即光束的轴线 方向，为光强的空间分布。取赢角坐标系x 、y 平面垂直于光束轴线，则光强度在x 、 y 平面内的分布可用式( 2 1 ) 来表示。 i ( x ，y ) = 2 8 7 f 0 9 0 2 e x p ( - 2 w 2 6 0 0 2 ) ( 2 1 ) 式中只为激光全功率，甜是距光轴原点( ，y 。) 的距离，可用式( 2 2 ) 表示， = ( z 一) 2 + ( j ，一y o ) 2 ) “2 ( 2 2 ) 国。是激光束中心光强度值1 e 2 ( 约1 3 5 ) 处的半径。当激光束垂直照射在树脂 液面时，设液面为z 轴的原点所在，激光强度l ( x ，y ，2 ) 沿树脂的深度方向z 分布，光 强度，遵循l a m b e r - b e e r 法则，沿z 向衰减，即 l ( x ，y ，z ) = 2 8 日( 0 0 2 e x p ( - 2 r 2 t 0 2 ) e x p ( - z d 。) ( 2 - 3 ) 式中d 。是激光在树脂中的透射深度。 照射在树脂上的激光束处于静止状态时，该处树脂的曝光量e 是时间t 的函数， 可表示为 e ( x ，y = ) = i ( x ，y ，z ) r ( 2 4 ) 此时光固化的形状如图2 - 2 ( a ) 所示，呈旋转抛物面状态。 激光束照射方向 激光束照射方向 y ( a ) 静止照射时的固化形状( b ) 移动照射时的崮化形状 图2 - 2 树脂被激光束照射形成的固化形状 光固化成形时激光束是按定的速度扫描的，当其沿x 轴方向以速度v 进行扫描 9 华中科技大学硕士学位论文 时，在某时刻t 树脂中某点的光强度可以表示为i ( x v t ，y ，z ) 。当扫描范围在 一o o x o 以保证层与层之间的可靠 连接，实际过程中取为o 0 5 o 1 m m ，过大的容易引起翘曲变形。实验中以一定的 扫描速度、激光功率、扫描间距等进行扫描，而仅改变分层的厚度，这样相应地改变 了过固化厚度玩的大小，从而可以得出在确定条件下分层厚度和翘曲量的关系。取 0 i n u n 、o 1 5 m m 和o 2 m m 三种分层厚度，制作完毕后测量不同点的翘曲量，以双臂 端根部为坐标图的原点，x 轴为测量点到悬臂根部的距离，y 轴为翘曲量，作图3 1 9 。 其他参数及其扫描方式为： 一1 4 - 1 2 - 1 0 8 6 一l - 20 2 46 8 1 01 21 4 悬臂与根部距离m m 图3 1 9 不同分层厚度下的翘曲量比较图 扫描方式：层间正交扫描速度：4 0 0 0 m m s 激光功率：1 0 0 m w 扫描间距：o 0 5 r a m树脂温度：3 0 。c支撑方式：网状支撑 3 8 o 9 8 7 8 5 4 3 2 1 0 1 o o o o 0 o o 0 0 0 、捌粗烈 华中科技大学硕士学位论文 从图中可以看出，分层厚度小，翘曲量大；大分层厚度，翘曲量相应地减少。这 一现象产生的原因有以下两点： ( 1 ) 分层厚度小时，在其他工艺参数不变的情况下，单根固化线的固化深度一 定，因此过固化厚度玩相应增大，即层与层之间的相互嵌入的程度增大，导致层间内 应力增大，因此翘曲变形量大； 广x厂x i 卜l 中 ，一 y y + 一 + 卜 + _ _ 一 二= 二二二二二二= ；二二二二二二二2 1 r _ 一 + 卜 ( a ) 单向扫描( b ) 双向扫描 r x + 一一一 i + y 卜 一一 一一一一 + 一一 - - - 一一 ( c ) 隔行扫描 j jl jljljl r 1 r r l l l r r rt 1r1 ( d ) 层内正交层间交错 实线：第n 层 虚线：第n + i 层 ( e ) 两次扫描 图3 - 2 0 几种基本的扫描方式 ( 2 ) 分层厚度大时，过固化厚度小，相邻两层之间的嵌入程度小，已固化的层 面对后面固化的层面约束小，因此导致的收缩变形也小。由于固化收缩引起的合力减 华中科技大学硕士学位论文 小，变形和翘曲的量也随之减小。 3 4 5 扫描方式与翘曲变形的实验研究 3 4 5 1 各种扫描方式 快速成形系统中，扫描方式的设置应着眼于减少空行程、减少跳跃次数，提高扫 描速度、减少扫描时间，提高扫描精度。目前本中心开发的光固化成形设备软件系统 中基本的扫描方式有如图3 2 0 所示的几种： ( 1 ) 单向扫描每条填充扫描线均从一个方向扫描，即一条线扫描完成后，跳回 到起始方向，见图3 2 0 ( a ) 。 ( 2 ) 双向扫描第一条扫描线沿x 正方向扫描，第二条沿x 负方向扫描回到起 始方向，依次扫描，见图3 _ 2 0 ( b ) 。 ( 3 ) 变向扫描两层之间的扫描方向交错。 ( 4 ) 隔行扫描把x 和y 方向的扫描进一步分成两个步骤，第一步扫描偶数行， 第二步扫描奇数行。第一次曝光的偶数行，扫描线无约束，可以自由收缩，因瑟这一 步不会产生残余应力，这也是隔行扫描的基本出发点。由于扫描间距符合平面扫描的 条件，所以奇数行扫描后扫描线连成厚度基本一致的一个片层，见图3 2 0 ( c ) 。 ( 5 ) 层内正交层间交错在两次扫描的基础上增加了层间交错的特征，两层之间 填充扫描线并不是上下对齐，而是相差半个扫描间距。其作用是通过防止裂纹的产生 以及防止由于扫描时引起的应力集中，见图3 2 0 ( d ) 。 ( 6 ) 两次扫描( 层内正交) 在一层之内采用x 方向和y 方向两次正交扫描， 见图3 2 0 ( e ) 。 以这些基本的扫描方式为基础进行组合，有可以产生很多种不同的扫描方式： ( 1 ) 分区变向扫描在变向扫描的基础上，在对每一层进行填充扫描时，先按照 填充线与该层的轮廓交点数变化情况进行分区扫描。然后针对每一个分区，按照变向 扫描的方式进行扫描。( 在这当中可以加入“隔行扫描”，使得扫插过程按照先将整个 截面区分区，然后依据所分的区域进行先奇数行后偶数行扫描) 。 ( 2 ) 分层分区扫描在对截面进行分区的基础上，针对其中个分层的每一个分 区先沿x 方向扫描，然后下层沿y 方向扫描。( 即分区扫描+ 层间正交) 。 ( 3 ) 层间正交交错扫描在层间正交扫描的基础上增加了层间交错扫描，即在相 邻两层相互平行的扫描线间错开半个扫描间距的距离。 ( 4 ) 变序交错正交扫描在层内正交层间交错方式的基础上，增加了变序的特征， 即还层轮换扫描顺序。扫描顺序考虑三个变量，x 向和y 向的顺序( s x y ) 、x 的扫描 4 0 华中科技大学硕士学位论文 方向、y 的扫描方向。其原则是尽量使相邻层的扫描顺序变量发生翻转，其中s x y 逐 层翻转一次。这样在层内正交层间交错方式中，任意8 层中的扫描顺序皆不完全一样， 这样能防止扫描时的应力集中。 ( 5 ) a c e s 扫描该扫描方式是j a c o b s 等人提出的一种扫描方式【2 8 1 ，其具体的扫 描过程分两个步骤：首先以临界扫描速度对固化层进行第一次扫描，首次扫描完成后 会在液面上形成一个厚度略小于分层厚度的固化的薄层，因此这个薄层并不与下面的 实体部分粘接；然后以透射速度对固化层进行第二次扫描，以固化薄层与实体间少量 的液态树脂，使得该层与前一层紧密连结。实现a c e s 扫描的关键环节就是要精确确 定l 临界扫描速度和透射扫描速度的值。 以上扫描方式在软件上的设置对话框见图3 2 l 。 图3 2 1 扫描方式设置对话框 3 4 5 2 扫描方式对翘曲变形的影响 在光固化成形过程中，不同的扫描方式下，制件的收缩程度和变形程度有所不同 4 华中科技大学硕士学位论文 如图3 - 2 2 是同一一测试件在单向扫描和分区扫描两种扫描方式下得到的实际效果图， 从图中两个制件的比较中可以看出两种扫描方式对制件的最终翘曲变形很不相同。利 用单向扫描制作的测试件发生了比较明显的翘曲，而利用分区扫描时翘曲变形很小。 ( a ) 荜向扫描得到的制件例 ( b ) 分区扫描得到的制件图 图3 2 2 单向扫描和分区扫描对制件翘曲的影响对比图 3 4 5 3 扫描方式与翘曲变形关系工艺实验 为了定量地确定不同扫描方式对翘曲量的影响，实验中选择了双向扫描、两次扫 描( 层内正交) 和层间正交扫描等三种扫描方式制作双悬臂，其中双向扫描的时候， 制件按两种方式摆放，其一截面的长边平行扫描线，其二长边垂直扫描线。制作完毕 后测量不同点的翘曲量，以双臂端根部为坐标图的原点，x 轴为测量点到悬臂根部的 距离，y 轴为翘曲量，作图3 2 3 。其他参数及其扫描方式为： 扫描速度：4 0 0 0 m r r d s 激光功率：1 0 0 m w 扫描间距：o 0 5 r a m 分层厚度：0 1 m m 树脂温度：3 0 支撑方式：网状支撑 从图中可以看出来，二种扫描方式产生的翘嗷l 量很不相同，其中两次扫描时的翘 华中科技大学硕士学位论文 曲量最大，双向纵向扫描( 即长边与扫描线平行) 时的翘曲量其次，双向横向扫描( 即 长边与扫描线垂直) 时较小，层间正交的扫描方式介于以上两者之间。产生的原因分 析如下： 1 o 0 9 0 8 0 7 l 0 6 罂0 5 期 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 1 4 1 2 1 0 8 6 4 20 246 8 1 01 2 1 4 悬臂与根部距离m m 闰3 2 3 不同扫描方式下的棚曲雷比较图 根据前文所对翘曲变形机理的描述知，造成制件发生翘曲变形的最根本的原因是 由于树脂由液态转变到固态时产生的体积收缩导致的固化线与固化线、层与层之间的 收缩应力，而这种应力的大小直接决定了翘曲变形的严重程度j 。 ( a ) 试件截面纵向扫描示意图( b ) 试件截面横向扫描示意图 图3 2 4 敬悬臂试件般向扫描摆放示意图 当扫描的方向始终与双悬臂试件的长边平行时，即如图3 - 2 4 ( a ) 所示的情况，此时 的层面收缩主要依靠扫描线的纵向收缩来完成，这就使得收缩补偿过程进行得很不充 分，因此层间应力较大；而当激光扫描的方向始终与试件的短边平行时，即如图3 - 2 4 ( b ) 所示情形，此时层面的收缩主要依靠扫描线的横向收缩来完成，这使得收缩补偿过程 进行得比较充分，因此层间应力明显变小。同时在层问应力产生时，由于应力的作用 华中科技大学硕士学位论文 会使相邻层之间产生一定程度的相对滑移，这种滑移的存在使得层问应力得到部分的 释放，有利于减小翘曲变形t 3 0 l 。实际上扫描线的固化收缩在横向和纵向两个方向都是 存在的，并且都是后固化的部分向已固化的部分进行滑移，但是因为扫描线的长度远 远大于扫描间距，因此纵向的滑移比横向的滑移来得困难，因此横向方向可以释放掉 更多的应力。 当进行层间正交扫描时相邻层的扫描方向正交，对于其中某一层其层面的收缩可 能主要依靠扫描线的纵向收缩来完成，此时应力比较大，但在该层的上一层或下一层 其层面的收缩必定主要依靠横向收缩来完成，又使得层间应力减少，所以以层间正交 进行扫描时，制件的翘曲量介于双向扫描时的纵向扫描和横向扫描之间。 当进行两次扫描时，每一层面收缩时同时又横向收缩和纵向收缩，除此之外， 层之内进行两次扫描，使得过固化的量增大，层与层之间收缩时产生的约束大于以 上的几种扫描方式，其层间应力也相应最大，因此其翘曲量也最大的。 3 4 5 制件后固化对翘曲变形的影响 在制件制作完成后，尽管树脂在紫外激光的扫描下已经发生了聚合反应，但是还 没有完全聚合，制件当中还有部分处于液态的树脂和处于凝胶态的树脂，制件的力学 强度还没有充分地获得，因此，为了使制件内部的树脂完全固化，同时提高制件的力 学强度，进行适当的后固化处理是很必要的。 进行后固化处理时，制件内的未固化的树脂和处于凝胶态的树脂发生聚合反应， 导致产生均匀或不均匀的形变。与扫描过程中变形不同的是，由于完成扫描之后的零 件是有一定的扫描间距固化线相互粘结的薄层叠加而成，固化线与固化线之间，层与 层之间都有未固化的树脂，相互之间又存在收缩应力和约束，以及从树脂槽的工作温 度( h r p l i 型设备一般为3 0 。c ) 降低到室温时引起的温度应力，这些因素的存在都 使制件内已经完全固化的部分对未完全固化的部分的后固化产生约束。因此，制件在 后固化的过程中也会产生翘曲变形【3 ”。 后固化的翘曲变形量不但与树脂本身的收缩特性、制件的形状特征、扫描路径和 扫描参数的组合有关，还与后固化的方式有关。图3 2 5 所示为同一长条形形面片在 单向紫外线曝光( 1 0 0 0 w ) 固化半小时( 见图3 - 2 5 a ) 、多向紫外线曝光( 8 0 0 w ) 固化 半小时( 见图3 - 2 5 b ) 和阳光照射一个小时( 见图3 - 2 5 c ) 的三种情况下固化的翘瞌 变形程度比较图。从图中很明显可以看出，单向紫外线曝光时的翘曲变形量最大，各 向均匀曝光时正方形面片的翘曲变形量其次，而在太阳光直射时最小。这是因为在紫 外箱内进行单向曝光时功率比较高，不但使得箱内的温度升高，更重要的是单向的照 华中科技大学硕士学位论文 射使得长条形的面片收缩变形有很强的方向性( 箱内的紫外灯管与面片的长边垂直) ， 因此翘曲变形量最大；而多向曝光避免了收缩时的方向性，但是相比于阳光直射多了 温度这一因素，因此翘曲变形比单向曝光小而比阳光直射大。 圜3 2 5 小同厉| 直f 化方法的翘曲变形情况 3 4 6 减少翘曲变形的措旋 针对必上的实验结果和分析，为了减少制件的翘曲变形，可以从以下几个方面采 取措施： ( 1 ) 改进树脂性能在一定波长紫外光的照射下液态光敏树脂发生固化反应 固化过程中树脂产生收缩，这一收缩的产生是制件发生翘曲变形的根本原因 3 2 】。一般 光固化树脂的体积收缩率在6 8 l 右，线收缩率在2 3 之间【3 3 1 。通过改进树 脂的配方，比如在收缩型的树