（机械电子工程专业论文）光固化快速成型的理论、技术及应用研究.pdf

博士学位论文光周化快速成型的理论、技术及应用研究 摘要 光固化快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ：r p ) 系统一般体积过大、投资巨大、零件制 造成本及系统运行费用昂贵，这严重阻碍了该种先进技术及系统的推广与应用。在全 面了解市场需求的前提下，开发小体积、低成本的光固化r p 系统使其和谐地成为办 公设备、甚至走入家庭是本文研究工作的背景。 从理论上统一描述了所有r p 的成型过程，推导出普通紫外光与树脂作用过程的 关系公式，首次配制了纤维一树脂复合材料，并进行了其相关性能的测试与预测；为 揭示r p 零件变形的本质，提出研究r p 零件的层内应力及层i 铷应力的新内容及其新 方法，根据理论分析的结论，指出减小或消除零件变形及抑制分层破坏的措施，并对 零件的精度进行了理论和实验研究；深入探讨了光固化快速成型中涉及的光学理论与 技术，开发出小体积、低成本的新型光固化r p 用光学系统；介绍了研制的台式低成 本快速成型系统的结构、功能及基于参数管理数据库的台式r p 集成软件系统，对该 台式r p 系统进行了性能测试。论文研究的理论与技术可推广及应用到其它r p 工艺 中。 关键词：快速成型，光固化快速成型，台式快速成型系统，应力，精度，变芯径光纤 数据库 博e 学位论文 光固化快速成型的理论、技术及应用研究 a b s t r a c t m o s tr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) s y s t e m sb a s e do ns t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l ) p r o c e s sh a v et h e f o l l o w i n gd i s a d v a n t a g e s ：b u l k y e x p e n s i v e ，a n dr e q u i r i n g al a r g e e x p e n d i t u r e s ot h e a d v a n c e d t e c h n o l o g ya n d i t ss y s t e ma r er e s t r i c t e dt ob ep o p u l a r i z e d a f t e ra c q u a i n t i n gw i t h m a r k e tr e q u i r e m e n t s ，an e wr p s y s t e m ，w h i c h i ss m a l lv o l u m ea n dl o w p r i c e i sd e v e l o p e d a n dp u s h e di n t ot h em a r k e t ，e v e ni n t oo f f i c ea n dh o m e i t st a r g e t e df o r t h ep a p e r s o m e u n d e r d e v e l o p e dt h e o r i e s ，s u c h a s d e s c r i p t i o n o fa l lr pp r o c e s s e si n t h e o r y m e c h a n i s mo fs o l i d i f i e dr e s i ne x p o s e db yu v l i g h t ，a r er e s e a r c h e d a n e ws lm a t e r i a l ，t h a t i s ，f i b e r - r e s i nc o m p o s i t e s i si n v e s t i g a t e d t h er e l a t i o n s h i po fs t r e s sa n ds t r a i n ，w h i c hl i e si n t h el a y e ra n db e t w e e nl a y e r s ，i sd e d u c e db a s e do nc o m p o s i t e sm i c r o m e c h a n i c st h e o r yt o e x p l a i nt h e r e a s o no f p a r td i s t o r t i o n s o m em e a s u r e sa r ee m p l o y e dt om i n i s hd i s t o r t i o na n d a v o i dd e l a m i n a t i o n t h ea c c u r a c yo fs lp a r ti sa l s od i s c u s s e d an e w o p t i c a ls u b s y s t e m b a s e do no p t i c a lt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so fs lp r o c e s si s d e s i g n e d d e s k t o pr a p i d p r o t o t y p i n gs y s t e m ( d r p s ) ，w h i c hh a s s m a l lv o l u m ea n dl o wp r i c e ，i s d e v e l o p e d i t s s t r u c t u r e ，f u n c t i o n ，p a r a m e t e rm a n a g e m e n t d a t a b a s ea n d p e r f o r m a n c et e s t i n g a r e i n t r o d u c e d a b o v et h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e sc a n b ea p p l i e di no t h e rr p p r o c e s s e s k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，s t e r e o l i t h o g r a p h y ，d e s k t o pr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e m s t r e s s ，a c c u r a cy t a p e r e do p t i c a lf i b e r d a t a b a s e 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 论文中符号的含义 1 论文中使用的英文符号的含义一( 按字母顺序列表) 符号含义 光纤的纤芯半径 【a 层内刚度矩阵 b i层内耦合刚度矩阵 b ，固化层内的第f 个固化线条 c 】刚度矩阵，【s 】的逆矩阵 c 测试r p 零件精度时的实验测量期望总开销 。树脂的最大固化深度 as t l 模型被离散后形成的第i 个切片轮廓 d 光纤的纤芯直径 d i变芯径光纤芯径的大端部分直径 以变芯径光纤芯径的小端部分直径 吐光纤弯曲弧段部分的平均芯径 - d j层内弯曲刚度矩阵 d 。在树脂液面处形成的光束最大尺寸 d 。树脂的透过深度，是指光照度衰减为入射光照度的，店时的液面深度 r p 零件制作时进行的综合补偿值 e ( x ? m z l树脂液面处的曝光量 e o树脂在完全朱固化时的杨氏摸量 e ，树脂在完全固化时的杨氏模量 局r p 零件完全分层破坏后的拉伸刚度 昂r p 零件分层破坏前的拉伸刚度 e c树脂的临界曝光量 磊r p 零件部分分层破坏后的拉伸刚度 r p 零件第j 个亚固化层的拉伸刚度 e “树脂表面处的最大曝光量 昂 纤维一树脂原型件弹性模量 最纵向弹性模量 日横向弹性模量 ，法向弹性模量 e 。树脂在固化度为n 时的杨氏模量 d 原子的跃迁能量级差 f 透镜焦距 x 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 |发光面与透镜中心的距离 五光纤端面与透镜中心的距离 g f m 砂层序函数p 似矽的法向量 l g 阮矽l层序函数法向量模量，表示相邻两二维序列面的间距，即层厚h 。的倒数 决定x 和y 方向间夹角变化的剪切模量 g 竹决定y 和z 方向间夹角变化的剪切模量 g 决定z 和x 方向间夹角变化的剪切模量 普朗克常数 h ，第i 个层片的厚度 朐发光面在沿0 角方向的单位立体角内所辐射的光功率 丘测试r p 零件精度时，每次实验测量的开销 丘因测量达不到精度要求而引起加工实际产品时出现误差所造成的经济损失 ， 制作的r p 零件迭加方向上的高度 ， 确定数据补偿时的运动矢量，即多边形各边矢的单位矢量 ，树腊微单元体在x 方向上的尺寸 1 2树脂微单元体在y 方向上的尺寸 b树脂微单元体在z 方向上的尺寸 口 光纤长度 五第i 个亚固化层的迭层厚度 1 w 最大固化线幅 ( 口) - 单位面积的发光面在其法线方向的单位立体角内辐射的光功率称为光亮度 f ， 固化收缩后，树脂微单元体在x 方向上的尺寸变化量 a 如固化收缩后，树脂微单元体在y 方向上的尺寸变化量 a 6固化收缩后，树脂微单元体在z 方向上的尺寸变化量 锄c f 内的第，个线段 s t l 面化模型的三角形面片数 m 成像放大倍数 【m 】r p 零件制作时产生的内力矩 r p 零件制作时产生的扭矩 加工零件的总层数 n o大气的折射率 n ，光纤纤芯的折射率 n 2光纤包层的折射率 n ， 弯曲后的b 点处的折射率 n 】r p 零件制作时产生的内力 n a 。光纤输入端数值孔径 m 4 光纤输出端数值孔径 n a 光纤弯曲后的数值孔径 n c 内的任一线段的法向量 p 阢卫矽第f 个切片内的点 p ( 工y t z )树脂内部任一点 p 发光面直射到光纤芯面积上的总功率 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 p 光斑中心的功率 n传导模入纤光功率 p 液面处的光功率 p s 光源的总辐射功率 p ( a x b 、 为保证一定测量精度的置信概率 毋 与s t l 模型水平相交的第i 个平行平面 r a确定数据补偿时的光斑半径矢量 r 。紫外灯输出的光束半径 r 光纤弯曲半径 r 光纤弯曲所容许的最小工作半径 光纤输出端与树脂液面处距离 s3 维c a d 实体的全表面，为连续、封闭、不自交的空间表面 哥 为纤维在每个8 方向上分布的百分数 ss t l 模型中第i 个三角形面片的面积 s u 弹性体弹性系数，即单位力作用下产生的变形量 品r p 零件分层部分的面积 s 1s t l 模型的全表面 sr p 零件分层界面的总面积 s 】 柔度矩阵 r 光在光纤端面处的通过系数 固化零件中的任意一点m 在x 方向上的位移 u 0中面上各点在x 方向上的位移 固化零件中的任意一点m 在y 方向上的位移 v d中面上各点在y 方向上的位移 矿 3 维c a d 实体的体积 c a d 实体切片单元的体积 以垂直于树脂表面的扫描速度 虬“s t l 模型的体积 4 y总的层片制作误差称为原型制造原理性误差，也即原型误差 彳k 单层片制作原理性误差 4 矿， 因成型工艺参数设置不当导致的精度误差 4 v 因后固化引起的精度误差 d y m机器误差 w o中面上各点在z 方向上的位移 n 次实验测量的均值 堕主堂垡丝兰垄堕些堡垄壁型塑堡兰：茎查墨壅旦堡壅 2 论文中使用的希腊字母和其它符号的含义 符号含义 切片序函数当前法向量与法向量间的夹角 8 光纤在未弯曲部分处的反射角 届1 光线在光纤外表面处的入射角 卢2 1 光线在光纤内表面处的入射角 v 往y 矽切片序函数 倒层序函数 往y t 2 )切片线序函数 d 1线序函数 y光的振动频率 y 仁，卫砂c a d 单元序函数 y 珏k ) 点序函数 成 光源的辐射角 口 在衍射极限条件下的发散角 占。，经h 次反射后经变芯径光纤小端出射的光线的出射角 p圆孔夫朗和费衍射中暗纹与亮纹距光斑中心的距离 p o圆孔夫朗和费衍射形成的最亮光斑半径 叩因固化应力及重叠固化等情况而引起弹性模量变化的因子 叩紫外灯与光纤的直接耦合效率 r i o纤维的分布方位对固化物弹性模量的影响因子 玎，纤维的长度对固化物弹性模量的影响因子 v o树脂完全未固化时的泊松比 v ， 树脂完全固化后时泊松比 树脂在固化度为时的泊松比 v l y是x 方向伸、缩时导致y 方向的缩、伸的泊松比 v y z是y 方向伸、缩时导致x 向的缩、伸的泊松比 一 占固化物平均收缩应变 b 】 r p 零件制作时产生的应变矩阵 k 1 r p 零件制作时产生的应力列阵 一 r p 零件精度检测时的单次实验测量的方差 x 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 1 绪论 在制造业日趋国际化的2 1 世纪，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险， 成为企业赖以生存的关键，因而也相继涌现出大量的先进制造理念及制造技术，其中 典型的是2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初发展起来的快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ：r p m ，本文简称为r p ) 技术，它突破了传统的加工模式，不需机械 加工设备即可快速地制造形状极为复杂的工件，被认为是近2 0 年制造技术领域的一 次重大突破。作为与科学计算可视化和虚拟现实相匹配的新兴技术，快速成型技术提 供了一种可测量、可触摸的手段，是设计者、制造者与用户之间的新媒体。r p 技术 综合机械、电子、光学、材料等学科，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转 化为具有一定功能的原型或直接制造零件模具，有效地缩短了产品的研究开发周 期。它是当前世界上先进的产品开发与快速工具制造技术，其核心是基于数字化的新 型成型技术。r p 对于制造企业的模型、原型及成型件的制造方式正产生深远的影响 1 1 快速成型技术概述 1 1 1r p 技术分类及其成型原理 r p 系统可分为两大类：基于激光或其它光源的成型技术，如：立体光造型 f s t e r e o l i t 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) 1 2 j - t “、 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 ) 盯| 】、选择性激光烧结( s e l e c t e d l a s e rs i n t e r i n g ：s l s ) t 2 h 5 1 、形状沉积制造( s h a p ed e p o s i t i o nm a n u f a c t u r i n g ：s d m ) 1 6 】【1 8 】 等：基于喷射的成型技术，如：熔融沉积制造( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ：f d m ) t ”1 1 2 0 l 、 三维打印制造( t h r e e d i m e n s i o n a lp r i n t i n g ：3 d p ) l i i “1 等。 r p 各种技术的成型原理基本相同，以下结合图1 1 1 说明r p 中最为成熟的技术 光固化快速成型的成型原理。具有一定波长和强度的光束，在微机控制下按加工 零件各分层截面的形状对液态树脂逐点扫描，被光照射到的薄层树脂发生聚合反应， 从而形成一个固化的层面。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后 升降台带动基板再下降一层高度，已成型的层面上方又填充一层树脂，接着进行第二 层扫描。新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。 。原型是指剐完成加j ：但尚未经过打磨等后处理工序的样件。 ! 竺堡堡主兰垡堡壅一一一一 图111 光固化成型过程 1 1 2 r p 定义 随着各种新型r p 的出现，“r a p i dp r o t o t y p i n g ”一词已无法充分表达出各种成型 系统、成型材料及成型工艺等所包含的内容。因此，关于什么是“r a p i d p r o t o t y p i n g ”， 目前有多种定义。 t e r r ytw o h l e r s 和美国制造工程师协会( s m e ) 对r p 技术进行了定义【2 5 】【2 6 】： r p 系统依据三维c a d 模型数据、c t 和m r i 扫描数据和由三维实物数字化系统创建 的数据，把所得数据分成一系y 0 - 维平面，又按相同序列沉积或固化出物理实体。 颜永年等对r p 的描述为【2 7 】：r p 技术是基于离散堆积成形。原理的新型数字化成 形技术，是在计算机的控制下，根据零件的c a d 模型，通过材料的精确堆积，制造 原形或零件的。 “r a p i dp r o t o t y p i n g ”在软件工程中是一种在开发较复杂软件前，先开发出具有 基本功能软件的方法【2 8 1 。 因此，该词已变得较为模糊和不明确，于是，有些文献用其它词语来表示其原来 的含义，如：f r e ef o r mf a b r i c a t i o n 、s o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o n 、a u t o m a t e df a b r i c a t i o n 、 s o l i di m a g i n g 、a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n g 、l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g 等，但都因未得到如 r p 那样被广泛认可而较少有人采用。 本文对该词分别从广义角度及狭义角度作如下定义： 1 ) 针对工程领域而言，其广义上的定义为：通过概念性的具备基本功能的模型快速 表达出设计者意图的工程用方法。 。 2 ) 针对制造技术而言，其狭义上的定义为：一种根据c a d 信息数据把成型材料层 层迭加而制造零件的工艺过程。 + 至今，国内r p 领域的某些称谓尚未统一，如r p 有的称为快速成型，有的称为快速成形。根据 说文所释：型，铸器之法也。本文称r p 为快速成型。 - 2 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 其具体成型过程是，首先用c a d 软件设计出零件的c a d 模型，然后根据具体 工艺要求，将其按一定厚度分层，即将其离散为一系列二维层面，将这些离散信息同 加工参数相结合，驱动成型机顺序加工各单元层面并彼此粘合，从而得到与c a d 模 型对应的三维实体，即物理模型或原型，原型再经过打磨等处理后即成零件。该成型 过程可用图1 1 2 表示。 1 1 3 r p 起源 模型 离散 图1 1 2 快速成型的离散一迭加过程 材料 选加 分层制造三维物体的思想雏形，作者认为可追溯到4 0 0 0 年前，中国出土的漆器 用粘接剂把丝、麻粘接起来铺敷在底胎( 类似r p 的基板) 上，待漆干后挖去底胎成 型。在世界上也发现古埃及人在公元前就己将木材切成板后重新铺叠制成像现代胶合 板似的叠合材料【2 9 】。 1 8 9 2 年，b 1 a n t h e r p o l 主张用分层方法制作三维地图模型。1 9 7 9 年东京大学的中 川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模】。2 0 世纪7 0 年代 末到8 0 年代初，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 年) 、日本的小玉秀男( 1 9 8 0 年1 、 美国u v p 公司的c h a r l e s wh u l l ( 1 9 8 2 年) 和日本的丸谷洋- ( 1 9 8 3 年) 【3 2 】，各自独立地 首次提出了r p 的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。c h a r l e s w h u l l 在u v p 的资助下，完成了第一个r p 系统- - s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ( s l a ) 3 3 o1 9 8 6 年该系统获得专利，这是r p 发展的一个里程碑。随后许多快速成型的概念、 技术及相应的成型机也相继出现。 1 1 4r p 技术应用及其市场 1 1 4 1r p 技术应用 快速成型技术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等 领域驯一| _ 3 7 1 。艺术、建筑等领域的工作者也已开始使用r p 设备，越来越多的艺术家 已成为计算机工作者，即不再单纯地依靠以前的手工，而是由r p 设备来表达新的思 一鬻里革 一 一 _ 一 绪论博士学位论文 路和创新。 根据1 4 个r p 设备供应商和4 3 个r p 服务商提供的数据，r p 模型的应用范围见 图1 1 3 。所有模型的近4 1 用于装配和功能型零件。约2 7 用于工程、工具制造、 报价和投标。约2 3 用于原型模具、金属铸造及模芯制造。随着r p 技术本身的发展 和完善，其应用将不断拓展。 1 1 4 2r p 技术市场 图11 3 r p 的应用范围 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f 4 们。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) 。 r p 系统的销售情况见图1 1 4 【3 9 】。 4 图1 1 4 快速成型系统全球销售情况 r p 市场2 0 0 1 年增速较慢，但在2 0 0 2 年会有较大幅度的恢复性增长 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 1 2 快速成型技术的国外发展现状 美国是世界上最重要的i 冲设备生产国，1 9 9 9 年美国生产的r p 设备占全世界的 8 1 5 叫，美国的r p 发展水平及其趋势可以说代表了世界的r p 发展水平及趋势。 1 2 1 光固化快速成型 研究该方法的有3 ds y s t e m s 公司、e o 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 公司等。3 ds y s t e m s 公司于1 9 9 9 年推出s l a 一7 0 0 0 机型， 售价8 0 万美元，扫描速度可达9 5 2 n t i s ，层厚最小可达0 0 2 5 m m l 4 2 1 。a u t o s t r a d e 公司( 日本) 使用6 8 0 n m 左右波长的半导体激光器作为光源，并开发出针对该波长 的可见光树脂，r p 系统报价1 0 0 0 万日元。 1 2 2 迭层实体制造 h e l i s y s 公司研制出多种l o m 工艺用的成型材料，可制造出用金属薄板制作的成 型件，该公司还与d a y t o n 大学合作开发基于陶瓷复合材料的l o m 工艺。苏格兰的 d u n d e e 大学使用c 0 2 激光器切割薄钢板，使用焊料或粘接剂制作成型件。日本k i r a 公司的p l t a 4 成型机采甩超硬质刀具切割和选择性粘接豹方法制作残型件【4 3 l 。 1 2 3 选择性激光烧结 d t m 公司推出了系列s i n t e r s t a t i o n 成型机及多种成型材料，其中s o m o s 材料具 有橡胶特性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制出了汽车上的蛇型管、密封垫等柔性零 件 4 4 1 。e o s 公司研制了p a 3 2 0 0 g f 尼龙粉末材料，制作的零件具有较高的精度和表 面光洁度。 1 2 4 熔融沉积制造 s n - a t a s y s 公司推出f d m 系列成型机，使用两个喷头同时造型，制作速度快，1 9 9 9 年推出使用热塑性塑料的g - e n i s y s 成型机，并开发出水溶性支撑材料，解决了复杂及 小型孔洞中的支撑材料难以去除的问题1 4 3 1 ；澳大利亚的s w i n b u r n 工业大学开发了用 于l o m 工艺的金属一塑料复合材料。 1 。2 5 三维打印 美国的zc o r p 与l q 本的r i k e ni n s t i t u t e 于2 0 0 0 年研制出基于喷墨打印技术的、 能制作出彩色原型件的r p 设备该系统采用4 种不同的颜色能产生8 种不同的色调 绪论博士学位论文 原型件可表现出三维空间内的热应力分布情况，切割开原型，即可发现原型内的温度 和应力变化情况，这对于原型的有线元分析尤其实用4 5 1 。荷兰的t n o 和德国的b m t 也在研究r p 彩色制造技术。 美国s a n d e r sp r o t o t y p ei n c 的基于热熔金属喷射技术的p a t t e m m a s t e r 是制作速度 最快的r p 设备之一，售价为7 6 ，9 0 0 美元，制作范围为3 0 0 m mx 1 5 0 m m 2 2 0 m m ， 用户可实时制作原型、验证设计，第二天即可得到成型件。成型件的表面精度为 0 0 8 1 r a m 一0 1 6 r a m l 4 。 德国的g e n e f i sg e n e r a t i v es y s t e m e 于2 0 0 1 年推出基于喷墨打印的设备，先在每 层沙( 或蜡) 上喷射粘接剂( 平铺) ，再选择性喷射反应物，该设备的制作速度比其 它选择性激光烧结设备快1 0 倍以上。设备制作零件的范围为1 5 m xo 7 5 mx 0 7 5 m ， 制作速度为8 公升d , 时1 4 引。 以色列的o b j e tg e o m e t r i e s 公司2 0 0 0 年底推出3 维打印机系列的r p 设备 o u a d r a ，售价3 9 ，0 0 0 美元，建造零件尺寸为2 7 0 m mx 3 2 0 m mx 2 0 0 m m 。q u a d r a 用了1 5 3 6 个喷头选择性沉积树脂，安装在喷头前后的紫外灯固化喷射出的液态树脂 【4 7 1 1 2 6 其它r p 技术 美国m i c h i g a n 的p r e c i s i o no p t i c a lm a n u f a c t u r i n g ( p o m ) 公司正在研制直接金属 成型( d i r e c tm e t a ld e p o s i t i o n ：d m d ) 技术，用激光融化金属粉末，能一次制作出质 地均匀、强度高的金属零件件孙。 由美国国家航空航天局( n a s a ) 资助而开发的精密r p 设备于2 0 0 0 年8 月推出， 可用来加工航空、医疗等领域用的精密零件，建造尺寸范围为4 5 0 m r n x 3 0 0 m m x 3 0 0 m m ，零件的微细特征可小于1 2 p m ，表面精度小于1 t m ，售价为1 5 0 ，0 0 0 美元 左右f 4 甜。 o x f o r d 大学和f o r dm o t o r 公司正研制通过在低成本的陶瓷模具上喷射熔融的合 金钢而制作大型零件的r p 设备，f o r d 公司宣称该新型喷射成型工艺将缩短产品研发 的工序( 从1 2 个工序到5 个工序) 和时间( 从1 5 2 5 周到3 5 周) 。 1 2 7 r p 软件 几乎每一套商用r p 系统都有其自己的r p 软件，因此，市场上的r p 软件多种 多样，表1 2 1 中列出了功能较强、较为常用的几种r p 软件【“1 。 6 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 表12 1 目前市场上出现的部分r p 软件 售价 r p 软件开发商主要功能运行平台 ( 美元) s o l i dc o n c e p t s t l 文件修改、分层、凋整z 轴、w i n d o w s9 x或 s o l i dv i e w5 ，0 0 0 公司支撑添加w i n d o w sn t 集观察、修补、测量s t l 文件为 w i n d o w s 操作系统、 m a g i c s b e l g i a n 公司 u n i x 操作系统的l l ，0 0 0 一体的多功能软件包 s g i 工作站 计算机断层扫描系统( c t ) 和核磁 c t m o d e l l e rm a t e r i a l i s e 共振系统( m r l ) 等医用扫描数据u n i x 工作站 3 0 ，0 0 0 转换为r p 模型数据文件 r a p i d i m a g e w a r e s t l 文件编辑、生成支撑、修补、 p r o t o t y p i n g 公司 将三维数字化仪的点数据转化为w i n d o w s 操作系统1 0 ，5 0 0 m o d u l e s t l 文件 d e s k a r t s 编辑s t l 文件，切片、数据压缩、 u n i x 操作系统的 r a p i d t o o l s s g i 、s u n 和惠普3 。0 0 0 公司 生成支撑等 工作站 l g o rt a b e l e v对s t l 文件进行观察和修补、生 s t l v i e w w i n d o w s 操作系统 4 9 5 工程师成支撑、文件转换等 将从医用c t 或核磁共振得来的 v e l o c i t ys g i 。【作站8 ，5 9 5 数据直接转换为s t l 文件格式 p r o f o r m基于i n t e l 处理器 z s h i f t e r 补偿z 轴轴向的尺寸 5 0 0 公司和d o s 操作系统 1 3 国内r p 技术的发展现状 1 3 1 国内r p 技术的研究现状 清华大学主要研究i 强方面的现代成型学理论、s s m ( s l i c i n g s o l i d m a n u f a c t u r i n g ) 、f d m 工艺，开展了基于s l 工艺的金属模具的研究口0 1 ：华中科技大 学研究l o m 工艺，推出了h r p 系列成型机和成型材料，其中h r p i i a 成型机价格 约为2 0 万人民币【5 l l ：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 系统采用紫外灯为光源，成型精度o 2 m m ，体积略同柜式空调机，价格约 为2 3 万人民币 5 “。南京航空航天大学重点研究了s l s 成型工艺j 5 引。华北工学院研究 了基于s l s 工艺的金属零件的r p 制造1 5 ”。南京理工大学主要研究基于s l 工艺的微 小机械快速成型技术及系统、台式快速成型技术及系统，同时开展了成型材料及光学 技术的研究p ”。 但r p 技术在国内的应用还不十分广泛，目前仅限于大型企业和少部分科研院所。 国内已成立多家r p 服务中心，开始应用r p 技术开发新产品。 香港较内地r p 技术起步较早，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大 学和香港城市大学等都拥有r p 设备，但其重点是r p 技术应用与推广而不是研制r p 绪论博士学位论文 设备。台湾大学拥有l o m 设备、台湾各单位及军方安装多台进口s l 系列设备。 1 3 2 我国i 冲技术研究的不足之处及发展对策 阻碍r p 发展的因素有多种，有些是技术方面的，有些是人类、组织、文化或经 济方面的因素，每个因素都会影响r p 的发展”3 。 与国外尤其是与美国相比，国内r p 技术发展的不足之处主要表现在三个方面： 1 ) r p 技术本身发展不够成熟。 该领域研究队伍比较薄弱，资金投入有限，设备尚未完全达到商品化，成型材料 急需国产化，与r p 技术配套的后续技术尚不完备。 2 ) 未能有效地在企业中得到应用。 企业界对r p 技术重要性认识不足，缺乏企业的有力支持，目前投入的研发资金 几乎都是由国家承担，企业没有发挥其主导作用；对于已引进r p 设备的企业，也未 能充分发挥其作用：由于目前的r p 设备价格都太昂贵，因此广大中小型企业也未能 得到r p 技术的服务。 3 ) 没有建立发展r p 技术的统一协调管理体系。 目前存在相当多的“低水平重复”现象，使得有限的投入未能发挥更好的作用。 尤其是在官，产、学、研结合方面力度不够，影响科研成果的商品化，直至产业化。 为尽快发展我国的快速成型技术，应从以下几方面着手： 1 ) 改变过分地研制设备的现状。 我国r p 技术的发展有个鲜明的特征，就是开始进行r p 技术研究的单位一般都 要从研制设备开始，许多是同一水平甚至是低水平的重复。应改变过分地研制设备的 现状，把注意力放到关键技术的创新上，坚持“有所为，有所不为”的指导方针。 2 ) 注重系统技术集成与资源共享【5 7 】。 r p 系统涉及计算机软硬件、材料及光学等多个领域，属于比较复杂的系统。对 r p 的研究必须注重系统技术集成，对其应用则必须注重资源共享。 3 ) 做好r p 产品的标准化、规范化工作哪】。 随着我国自行制造的r p 设备种类的增加及数量的增多，r _ p 产品的标准化、规 范化工作显得越来越重要。 。 1 4 快速成型技术的发展趋势 一直以来，不断有一些学者和专家对r p 的发展持一种观望和怀疑的态度，尤其 是在1 9 9 8 年受全球经济的不景气所影响、r p 工业出现缓慢增长甚至某些方面为负增 长时，对此，t e r r yw o h l e r s 在其著述的( 2 0 0 0 年度全球快速成型及快速模具制造工 8 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 业进展报告中指出，r p 工业将会在未来几年发生巨大的变化，主要体现在新技术、 新工艺及信息网络等方面。 1 4 1 开发概念模型机或台式机 目前，i 冲技术向两个方向发展：一是工业化大型系统，用于制造高精度、高性 能零件，二是自动化的桌面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于 制造概念原型。先进国家许多科研机构( 如i b m 公司) 及教育单位( 中等职业学校甚 至中小学) 已经开始购买此种小型r p 设备，并极有可能进入家庭。美国通用汽车 公司也计划为其每位工程师的计算机房配备一台此类设备。 采用桌面i 冲系统制造的概念原型，可用于展示产品设计的整体概念、立体形态 和布局安排，进行产品造型设计的宣传，作为产品的展示模型、投标模型等使用f 5 9 1 1 6 0 】。 1 4 2 开发新的成型能源 s l 、l o m 、s l s 等快速成型技术大多以激光作为能源，而激光系统( 包括激光 器、冷却器、电源和外光路) 的价格及维护费用昂贵，致使成型件的成本较高，于是 许多i 冲研究集中于新成型能源的开发。目前已有采用半导体激光器、紫外灯1 6 2 】【6 3 j 等低廉能源代替昂贵激光器的r p 系统，也有相当多的系统不采用激光器而通过加热 成型材料堆积出成型件的。 1 4 3 开发性能优越的成型材料 r p 技术的进步依赖于新型快速成型材料的开发和新设备的研制。发展全新的r p 材料，特别是复合材料，如纳米材料、非均质材料、其它传统方法难以制作的复合材 料已是当前r p 成型材料研究的热点。目前国外r p 技术的研究重点是r p 成型材料 的研究开发及其应用【“h 7 5 1 ，美国许多大学里进行r p 技术研究的科技人员多数来自 材料和化工专业。 1 4 4 研究新的成型方法与工艺 在现有的基础上，拓宽r p 技术的应用，开展新的成型技术的探索，新的成型方 法层出不穷，如三维微结构制造【7 6 】 7 8 、生物活性组织的工程化制造【7 9 】、激光三维内 割技术、层片曝光方式【8 l 】等。 1 4 5 集成化 1 ) 从大方面看。 生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学是2 1 世纪的5 个主流科 - 9 锗论博七学位论文 学，与其相关的五大技术及其产业将改变世界，制造科学与其它科学交叉是其发展趋 势。r p 与生物科学交叉的生物制造【8 2 】、与信息科学交叉的远程制造1 8 3 】、与纳米科学 交叉的微机电系统【8 4 1 等都为r p 技术提供了发展空间。 2 ) 从小方面看。 并行工程( c e ) 、虚拟技术( v t ) 、快速模具( r t ) 、反求工程( v r ) 、快速成 型( r p ) 、网络( i n t e m e t 、i n t r a n e t ) 相结合而组成的快速反应集成制造系统，将为 r p 的发展提供用力的技术支持。 1 5 论文研究内容 1 5 ，1 论文选题意义及背景 基于光固化快速成型的r p 系统一般均使用激光器作为光源，激光器使用寿命较 短，一般为2 0 0 0 h 左右，但其价格却相当高昂，国外产品约在3 6 万美元台，光敏 树脂的价格约为1 0 0 一2 0 0 美元，奴，系统的运行费用很高，这就严重阻碍了该项技术 及其系统的推广和应用。要使r p 系统顺利地成为办公设备，甚至走入家庭，现有 r p 系统的体积过大也是必须考虑的因素之。 正是在此背景之下，南京理工大学快速制造及微系统研究室在已研制开发出基于 s l 工艺的“微小机械快速成型系统”( “8 6 3 计划”项目) 之后m ”，开始了对“台式 低成本快速成型系统”( “8 6 3 计划”项目) 的课题研究。该课题研究的目的在于针对 目前快速成型系统体积大、价格高的特点，研制出一套体积小、成本低的新型快速成 型系统，在实验、加工、获取大量实验数据的基础上，逐步改进完善，从理论和实践 上积累经验，实现该系统的商品化样机。 在研究过程中，对有关光固化快速成型中的成型理论、成型材料及复合材料、零 件变形、成型工艺等进行理论和实验研究，并深入研究了光固化快速成型中涉及的光 学技术，以研究的光学技术为基础，开发出低成本、小体积的光学系统。以上各理论 与技术具有较为广泛的适用范围和推广价值。目前，根据研究成果研制的台式低成本 快速成型系统样机已开发出来。 1 5 2 论文研究的主要内容 论文以“8 6 3 计划”课题“台式低成本快速成型系统”为依托，对下列内容进行 了研究。 1 ) 光固化r p 的成型理论及成型材料研究 目前快速成型技术较重视其应用性开发，而忽视其理论性研究。论文主要研究了 光固化快速成型涉及的几个基础性问题： 1 0 博士学位论文光固化快速成型的理论、技术及应用研究 快速成型离散一迭加过程的统一描述，即用一种模型来统一描述现有的各种 快速成型技术，从本质上揭示r p 的成型原理，同时为后续的研究所具有的 普遍性提供理论依据。 普通紫外光与光敏树脂作用过程的数学描述，反映两者之间的定量关系。以 往的模型都是以激光束为研究对象，研究激光束与光敏树脂的作用过程，而 因本研究中采用的是廉价优质的高压紫外灯，其光束同激光束相比有很大的 不同，因此需重新研究两者间的关系，以便为光敏树脂及光学系统的开发奠 定基础。 光固化成型材料的性能及纤维一树脂复合材料性能理论及实验研究。光固化 r p 技术的缺陷是其成型零件机械性能较差，为增强零件的机械性能应进行 新的成型材料的研究。因此，在光敏树脂中加入非连续的短纤维构成纤维一 树脂复合材料，对该种复合材料的研究将是一个可探索的方向。 2 ) 光固化零件变形的理论研究 当前制约r p 发展的一个主要因素就是其零件的变形较大，且较难预防。因r p 零件非均质和呈层性，每个单层又具有较强的各向异性，因此，研究光固化零件的应 力一应变分布十分复杂，这就使得寻求一种科学合理的理论以解释r p 零件的变形问 题变得非常必要。另外，光固化零件出现的分层现象，与层问应力的分布有关，研究 该种情况同样复杂而又必要。以上两方面目前还没有文献进行过研究，论文在此两方 面进行了创造性的研究，得出了一些有意义的结论。 推导的理论是用来指导实践的，因此，还应从实验方面验证该理论，r p 零件变 形的实验验证同成型工艺有着密不可分的联系，该部分内容在为保证零件精度而采取 的成型工艺研究部分集中进行了研究。 3 ) 光固化零件的精度研究 目前r p 中的“精度”概念较为模糊，应对存在于r p 中的各精度进行分类和定 义：应深入研究影响光固化零件精度的各因素，其中，光固化扫描方式是影响零件精 度的主要因素之一，因此，应在上述光固化零件变形理论分析的基础上，结合成型实 验开发出合理的固化扫描方式及其它措施以减少零件变形。 4 ) 低成本、小体积的新型r p 光学系统及相关技术的研究 光学技术是光固化快速成型中的关键技术之一，而紫外光源则是其关键设备之 一，目前用于光固化快速成型中最为成熟的是h e c d 和a r + 激光器，但是为了大幅度 降低系统制造成本及运行成本，采用廉价的优质半导体激光器或普通紫外灯作为光源 将成为光固化快速成型的必然趋势。同时，光学扫描装置的设计、光束传输、耦合、 绪论博士学位论文 聚焦及测试等技术也是光固化快速成型的光学系统所应研究的重点。 以普通紫外灯为光源、以变芯径光纤为传输介质的低成本、小体积的光学系统， 将是光固化快速成型的一个创新。 5 ) 开发台式低成本快速成型系统 针对快速成型技术的发展趋势，建立在市场调查的基础上，综合应用研究的理论 与技术，开发台式低成本快速成型系统。快速成型系统中普遍存在大量的无序的参数， 有必要对其进行科学合理的管理，因此，需开发台式快速成型系统的参数管理数据库 软件。并依此系统为依托，开展系统的成型性能研究及相关实验。 1 5 3 论文结构 论文围