（材料加工工程专业论文）激光固化快速成形系统研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ：光屡纯快速成形因其嚣4 馋糙度麓、美观实用面得到国内钋广泛重视和应用+ 是一 种具有广阔发展前景的快速成形技术，对它进行研究只有冀要的现实意义和应用价 值。j 撬固化快速成形法涉及到税械、激光、数控、商分子材料和软件等多种技术a 本 论文签黢予必鬓化快速或形系绫豹研究与开发，论述了掇氇l a l 鳖快速成澎系统懿 憨俸结构设计，包括激光器的选型、振镶扫攒系统的光路设计与安装调整、樾滕再涂 层系统的设计及计算机控制系统硬件框架和上层控制软件设计等。 扫描路径规划研究方瓣，在分析各种扫描路径填充方法的基础上，采用了分区变 向平行线填充手j 摇方式，并对其作了进一步的优亿，实现了单向扫描、隔行扫攒、层 阙交镣扫攒、掰次扫搓等多种壤充季薯描方式，有效造减小了铡俸进程审蘸戆盏交形。 袋用壤充鼷再进行轮瘁线扫攒豹方法提裹了铡l 牛螅表露糖度。 搦描系统误差控制研究方两，在对光固化快速成形系统中激光扫描的控制及各种 误差进行分析的基础上，设计丁种通i 奠扫描矩阵的小孔测缀法梭测激光光斑的光强 和位簧，并对激光扫描系统的漂移诶差进行补偿，使系统精度得剜提高。 臻者避对巍器纯成形梳瑾鬻栲滕露傀筑锋进行了实猃碜 究，分析了成形过耧辛静 工艺参数及其对割终王艺秘刳传糖发的影睫，找到了毙霾他成形过程审匏误差来源， 并提出一套相应的解决对壤。 关键试：铗速戏形光嚣纯戏形激光季薯摧党斑检测 l 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = # = = # = _ g = = _ # = _ = = _ a b s 蕈r a c t s t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l ) m e e t s w i t hm u c hr e c o g n i t i o na n dw i d ea p p l i c a t i o n s i nt h e w h o l ew o r l da sae x c e l l e n tr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y w h i c hc a n 乱玎no u tb e a u t i f u lp a r t w i t h h i g hp r e c i s i o n a n dp r a c t i c a b i l i t y t h e r e f o r e ，r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fs l t e c h n o l o g y i sv e r ym e a n i n g f u l a n dv a l u a b l e 。 s t e r e o l i t h o g r a p h y r e f e r st o m e c h a n i c s ，l a s e rt e c h n o l o g y , c n c ，m a c r o m o l e c u l e m a t e r i a la n dc o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g y w i t hav i e wt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f 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 ，t h e w h o l ea r c h i t e c t u r ed e s i g no fh r p l a - ir ps y s t e ma l e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s w h i c hi n v o l v e sc h o i c eo f l a s e rs y s t e m , d e s i g no f b e a mr o u t e , m o u n t a n d a 由u s t m e n to f s c a n n i n gs y s t e m , r e c o a f i n gs y s t e md e s i g n ，c n c a n ds o 凡, w a r ed e s i g n , s c a n n i n gp a t hl a y o u t i ss t u d i e d d i v i s i o n a l p a r a l l e l l i n e f i l l i n g i s a d o p t e d a n d o p t i m i z e d s i n g l ed i r e c t i o ns c a n n i n gs t y l e ，i n t e r l i n es c a n n i n gs t y l e ，i n t e r l a c e ds c a n n i n g s t y l ei ni n t e r l a y e r , d o u b l ee x p o s u r es c a n n i n gs t y l ea r ep u ti n t op r a c t i c e ，w h i c hr e d u c et h e w a r p d i s t o r t i o no f p a r t s o u t l i n es c a na f t e rf i t t i n gi sg o o df o rs u r f a c ef i n i s h e r r o r sa n ds c a n n i n gc o n t r o lo ft h es c a n n i n gs y s t e mi sd i s c u s s e d am e t h o df o r d e t e c t i n gb e a mp r o f i l ea n d l a s e rp o w e rb y s c a n n i n g am a t r i xo v e rap i nh o l ei sp u tf o r w a r d , 醅w h i c h t h ed r i f te r r o ro f l a s o rb e a m s p o t c a l lb ec o m p e n s a t e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lr e s c a l t hi sc a r r i e d o u to nt h em e c h a n i s ma n d s o l i d i f y i n gl a w o f l i q u i dr e s i n 。t h ei n f l u e n c eo f p r o c e s sp a r a m e t e r s o n a c c u r a c ya n d s u r f a c e f i n i s ho fs lp a r t si ss t u d i e d e r r o rc a u s e sa l ea n a l y z e di nd e t a i la n ds o m em e t h o d sa r e p r o v i d e d t oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n ds u r f a c ef u r l s ho f s l p a r t s 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 e o l i t h o g r a p h y l a s e r s c a n n i n g b e a md e t e c t i o n 珏 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【1 】1 2 。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 该层形状一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 、+ 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 h y ， s l ) 、分层实体制造工艺( l a m i n a t e d o b j e c tm a n u f a c t u r i n gl o m ) 、选择性激光烧结 工艺( s e l e c t i v e1 , a s e fs i n t 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 n m 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。 l 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。 f 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。 光固化快速成形( s l - - s t e r e o l 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1 - 1 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工 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。 7 0 年代末8 0 年代初，3 m 公司的a h e b e r t ， 同本的n a g o y ap r e f e c t u r e 研究所的h k o d a m a 和加利福尼亚u v p ( 紫外产品公司) 的c h a r l e s i 摹 图1 1 光固化成形原理图 扫描 降台 h u l l 独立研究通过选择性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 ) 1 3 ，并于1 9 8 6 年申请了专利( h u l l c ， 通过s l 制作三维实体的装置，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 ds 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 同，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 f i d0 b j e c tu l t r a v i o l e tp l 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 d s 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 - - 1 9 0 ，除美国 一 2 华中科技大学硕士学位论文 3 d 公司之外，日本的三菱、索尼等七家公司，德国的e o s 公司也都生产光固化快速 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。硬件部分包括激光柬精确光斑的 获得、激光束光点的精确扫描和定位；高精度、高可靠性、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 卧胁ie n g i n e e r 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 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 r s i 2 s 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 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 r “r 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 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 4 1 1 ”。 日本方面打破了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 6 8 0 n m 左右波长的半导体激光器作为光源，大大降低了s l a 设备的成本【6 1 。特别是 a u l d s l 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 3 华中科技大学硕士学位论文 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”期问在国家科技攻关和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。 1 2 课题研究的目的和意义 虽然r p 技术由于其先进性和显著的优点得到了迅速发展，但由于其设备和运行 费用高，影响了推广使用。如美国3 d s y s t e m s 公司生产的s l a - - 5 0 0 0 成形系统售价高 达4 0 万美元，使用费用( 折旧和运行费) 达到2 0 0 美元小时，再加上材料成本等则 会更高。这种高成本和高消耗对我国大多数企业特别是中小企业而言是难以承受的， 而中小企业是r p 技术推广应用的主要对象之。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。因此，开发国产的较低成本的光固化成形系统具有广阔的市场 前景。 为了发展国产化的快速成形系统，推广、应用快速成形技术，华中科技大学自1 9 9 1 年起就开始了快速成形技术的研究，已经开发出了l o m 、s l s 两种快速成形系统， 并实现了商品化。为迸一步实现快速成形设备的国产化，降低设计和制造成本，华中 科技大学快速制造中心依托本校资源，研制和开发了利用半导体泵浦紫外固体激光器 作为光源的光固化快速成形系统。 1 3 本文的主要工作及章节划分 本文对光固化快速成形系统进行了系统的分析，设计开发了光固化快速成彤设备 的硬件系统和计算机控制系统上层控制软件，设计并实现了一种在线检测激光光斑轮 廓和位置的方法，并在此基础上对成形工艺进行了初步探索。本文共分为六章，各章 的主要内容如下： 第一章主要是课题的综述，介绍了本课题的相关背景和当前国内外研究发展概 括，以及本课题的研究目的和意义。 第二章在介绍了光固化快速成形的工作过程及系统的功能基础上，提出了 m l a i 型激光固化快速成形系统的总体硬件框架。它包括机床框架式床身、激光 4 华中科技大学硕士学位论文 器、激光扫描系统、再涂层系统和计算机控制系统。分别详细地分析了系统各主要组 成部分的的工作要求和工作原理，实现了各部件的设计。 第三章介绍了h r p l a 2 0 0 3 软件的总体框架，完成了整个系统上层控制软件的开 发。根据成形工艺和实验的要求，设计了足够的工艺参数设计单元，满足了软件对工 艺实验灵活性的要求。对激光扫描路径算法进行了研究和实现，采用了分区填充算法， 并对其进行了优化。设计了激光检测和漂移误差补偿软件单元。 第四章介绍了光固化快速成形中扫描控制，分析了振镜扫描系统的误差及其校正 方法。针对振镜长时间工作的漂移误差，设计并实现了了激光光斑在线检测系统，显 示光斑光强分布和激光能量，检测光斑位置，计算振镜系统的零点漂移和增益漂移误 差，对误差进行补偿和校正。 第五章在查阅相关资料的基础上，分析了光固化成形的机理和光敏树脂的固化规 律，做了大量的实验，对激光固化成形工艺进行了初步的探讨和研究。测量了某种树 脂在不同激光功率和不同扫描速度下的固化深度和宽度；分析了成形过程中的工艺参 数及其对制作工艺和制件精度的影响，找到了光固化成形过程中的误差来源，并提出 一套相应的解决对策。 第六章为全文总结和进一步研究的展望。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 硬件系统 2 1 激必固化快速或形的基本过程 激光阖亿快速成形的过程可分为以下四个阶段，如图2 1 所示： 制造数搌 的获取阶段 扫接翦的 层准备阶段层罢篓爹h 后处理阶段层堆积il i 图2 ，l 激光固化快速成形基本过程 ( 1 ) 镱4 造数据蛇获取 由于光固化快速成形技术是基于层堆积概念的制造过程每一层制作之前必须获 得当前层的扫描信怠。在现有条件下，模型截面轮廓信息的获取主要有三种方法，从 c a d 模登或其近钕模型审切片、遗过爱求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 誊接旗零件 域模裂中提取截瑟信息、从医学c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 强像中遴过设墨门蔽毽 等方法提取截面轮廓信息。在工程应用中。模型切片仍然占据着提取截面轮廓信息方 法的主导地位。 蘅先三维实体进行分层切片，得到实体轮廓数据。目前通用的方法是将c a d 模 型进雩亍三麓影= i 凌钕钝( t e s s e l l a t i o n ) ，转换残标准懿s t l 文件格式，然君遴 亍分层。 商用的c a d 软件都配备了s t l 文l 牛接阴，c a d 模型w 以羹接转换成s t l 文l 牛。遥 有一种直接切片( d i r e c ts l i c i n g ) 方法，将切片描述数据转换成c l i 、t - i p g l 或s l c 筹格式。陈绪兵博壬祸甩商用造型软件进行了直接切片研究，从任意复杂三维c a d 模型申蛊接获敬分屡数据，得到激盛线、蟊锻兹线、3 次b e z i e r 靛线综合攒述静篷边 警蕊环域，将其存储于p i c 文传中，作为r p 系统的连接中会。然后对兹边乎嚣琢域 进行适当处理，驱动l i p 系统正作，完成制件加工过程。在加工离次曲面时，直接切 片明驻优予s t l 方法 7 1 。 获撂韬舜数据盛，饕要撮据鑫 俸工蕊生戒羟攒辘遮。一般静光霾纯抉遥成形扫籀 方法蠢网撩填充、轮廓扫攒和实体填充。扫撼路径与制作工茳有缀大关系，往镘擐嚣 制作工艺和精度要求选择扫描路径。为减少翘曲，w 以采用隔行扫描、层内正交扫描、 艨问交错翻描、单向扫描、分区扫描等扫描方法。为提高表面光洁度，可以对零件边 羚轮廓及上下终表藩进行密集壤宠转攒。 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 层准备 扫描前的层准备过程是指在获取了制造数据后，在进行每一层扫描前的待固化层 液态树脂的准备过程。由于这种层堆积成形的工艺特点，必须保证每一薄层的精度， 从而保证层层堆积后整个制件的精度。层准备通常是通过再涂层系统( r e c o a t i n g s y s t e m ) 来实现的。 层准备有两项要求：一是准备好一层特定层厚的薄层树脂，二是要求液面位置的 稳定性和液面的平整性。当一层固化完成后，下降一个层厚的距离，然后在其表面涂 上一层待固化的液态树脂，保证层厚与设定层厚一致，否则激光扫描完成后，该固化 与上一层不能充分粘结，造成制作失败。同时要保证液面位置的不变，因为必须保证 液面光斑大小的稳定，保证从振镜到液面的光程不变，才能保证扫描尺寸的精确。 在层准备过程中，由于树脂本身的粘性、表面张力的作用以及树脂固化过程中的 体积收缩，完成再涂层并非易事。 ( 3 ) 层固化 层固化即指层准备好之后，驱动振镜扫描系统按照规划好的扫描路径进行扫描固 化。单层固化是堆积成形的基础，也是关键的一步。因此需要保证液面上的激光光斑 形状大小一定，扫描速度、激光能量和开关控制精确。振镜扫描法是通过数控的两面 振镜反射激光束使其在树脂表面按要求进行扫描。一般通过动态聚焦来实现液面激光 光斑的稳定，但动态聚焦单元成本较高，控制复杂。对于波长很短的紫外激光，激光 聚焦光斑很小，可以通过加长聚焦焦距来实现光斑大小的稳定。 在扫描过程中，由于长时间工作温度升高或疲劳的影响，振镜或激光束可能会有 一个漂移误差：激光能量也可能会变化。因此，在每一层扫描之前，应检测激光光斑 的能量和位置，对下一次的扫描进行误差补偿和校正。 ( 4 ) 层层堆积 层层堆积实际上是前两步层准备与层固化的不断重复。在单层扫描固化过程中， 除了本层树脂固化外，还必须通过扫描参数及层厚的精确控制，进行一定的过固化， 使当前层与已固化的前一层牢固地粘结在一起，即实现层层堆积。 ( 5 ) 后处理 后处理是整个零件成形完成后对零件进行的辅助处理工艺，包括零件的取出、清 洗、去除支撑、后固化、磨光和表面喷涂等再处理过程【8 1 。一般零件在成形机上扫描 固化只是固化5 0 7 0 ，所以一般都需要在紫外灯下进行后固化。另外，快速成形 是基于层叠加的原理制作的，层与层之间会产生阶梯效应，要提高表面光洁度就必须 7 华中科技大学硕士学位论文 ： ：= = = = = = = = = = = = ；= ；= = ；= = = = = = = = = = = = 一 进行磨光处理。 2 2 光固化快速成形系统功能设计和硬件总体框架 根据激光固化快速成形的基本过程，首先明确快速成形系统的功能设计，再进一 步分解各个子功能，最后再进行实现方法的设计。在设计完成后还会根据实际效果进 行修改。 层准备、层固化与层堆积是完成成形的关键，也是快速成形系统设计的关键。在 确定了采用振镜扫描实现激光束扫描后，必须设计一套与之相配的聚焦光路系统，保 证达到要求的聚焦光斑。层准备过程中涉及到了托板的运动设计和结构设计、刮平系 统的设计以及树脂补偿机构设计等。完成了系统主要功能设计后，还需要进行各种辅 助功能的设计，如温控系统设计，通风系统设计和操作面板的设计等。 本光固化快速成形系统的硬件部分由框型机床床身、激光器、振镜扫描系统、树 脂再涂层系统、计算机控制系统等组成。图2 2 为硬件系统的基本组成框图。 2 3 激光器 图2 - 2h r p l a i 型快速成形系统基本组成框图 2 3 1 光固化成形对光源的选择 激光器在光固化快速成形中占据着重要的地位。由光固化过程可知，对光源的选 择主要取决于光敏剂对不同频率的光子的吸收。由于大部分光敏剂在紫外区的光吸收 系数较大，一般很低的光能量密度就可使树脂固化，所以应采用输出在紫外波段的光 源一j 。目前可适用的紫外光源有以下几种： ( t ) h e c d 激光器 华中科技大学硕士学位论文 氦镉激光器是一种低功率激光器，它以氦气和镉蒸汽的复合气体作为工作物质， 镉通过电离化过程，使中性氦原子和镉原子激活，能够生成可见和紫外激光射线，采 取一定的措施可输出波长为3 2 5 n m 的激光。这种激光器热耗散低，不需水冷，安装操 作简便，但输出功率只有4 0 r o w 左右，寿命在2 0 0 0 小时左右，越来越不能充分满足 快速成形的高速度、高效率要求。 ( 2 ) 氩离子激光器( a r + ) 氩离子激光器是另一种低功率激光，它用氩气作为工作物质，输出的紫光激光波 长在3 5 1 r i m 和3 6 4 n m 之间，最高输出功率在4 0 0 r o w 左右，该激光是在双重电离化 氩气状态下获得的。心+ 激光器效率低，热耗散很大，需散热装置，寿命在2 0 0 0 小 时左右【10 1 。 ( 3 ) 倍频的固体激光器 固体激光器的工作物质是掺杂激活离子于绝缘晶体或玻璃中，它具有激光形成的 阀值低，输出功率大，结构紧凑，牢固可靠等特点。目前二极管泵浦的n d ：y v 0 4 三 倍频激光器，输出波长3 5 5 n m ，输出功率可大于8 0 0 m w 。半导体泵浦紫外固体激光器 的造价基本上和氦镉激光器差不多，但具有寿命长、输出功率大、光束质量好、紫外 光与光敏树脂固化波段匹配好等特点，可以大大提高加工效率，降低运行成本。随着 半导体工艺技术的发展和大批量的生产，可使半导体泵浦紫外固体激光器在各种性能 方面比氮镉激光器及氩离子激光器优越。1 9 9 6 年美国3 ds y s t e m s 公司新一代成型机 s l a - - 3 5 0 中采用了二极管泵浦n d ：y v 0 4 三倍频固体激光器( 3 5 5 n m ) ，输出功率 1 6 0 m w ，寿命可达5 0 0 0 小时。 值得注意的是在光固化过程中，树脂表面要具有均匀连续的光能分布，才能保证 零件制作的精度，所以最好采用工作在连续状态的紫外光源。准分子激光器、氮分子 激光器、脉冲运转的紫外区染料激光器等虽然其波长范围及输出功率满足固化要求， 但由于它们的激光重复频率较低而无法应用于光固化法快速成形技术中。如果使用脉 冲激光器，根据现在常用的扫描速度( 2 0 0 4 0 0 0 m m s ) 和聚焦光斑大小( o 1 o 2 r a m ) ，为了保证扫描的连续性，则要求激光重复频率大于2 0 2 5 k - i z 。另外，聚合 反应速率随温度变化，当温度足够高时，聚合反应会停止，对于高辐射脉冲激光，当 脉冲时间比聚合物链的自然结束时间短时，接下来的一个高辐射脉冲会使聚合反应终 止，聚合物的平均链长缩短，呈糊状而无法固化，所以使用高辐射脉冲激光要考虑削 峰。 以上几种光源用于快速成型各有优缺点，表2 1 将它们作了简单的比较。 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 i 光固化成形中激光光源的比较 分类 波长 功率( r o w )寿命( h )工作状态光束质量运行成本 拦彪 ( n m ) h e c d3 2 54 02 0 0 0多模c w高高 a r + 激光器 3 5 1 3 6 44 0 02 0 0 0 多模c w高高 同体激光器3 5 5】0 0 1 0 0 0 5 0 0 0单模c w高较高 2 3 2 半导体泵浦固体激光器 根据以上的分析，半导体泵浦固体激光器应该是最佳选择。而且随着激光技术的 发展，半导体泵浦的固体激光器已经被运用到光固化快速成形中。它通过三倍频技术 就可以输出波长为3 5 5 n m 的紫外激光。虽然这种激光器结构非常复杂而且成本较高， 但它比气体激光器输出更可靠，寿命要长好几倍。在m o l a i 型光固化快速成形系 统中，采用了美国某公司的半导体泵浦固体激光器( n d ：y v 0 4 ，f r e q u e n c yt r i p l e d ， q - s w i t c h e dl a s e r ) ，以下为其主要参数j ： 功率：1 0 0 m w 8 0 0 r o w波长：3 5 4 7 n m 重复频率：i o o k h z 空间模式：t e m o o m l 1 2 5 ) 光束直径( i e 1 5 m m发散角( 全角) ： 0 5 m r a d 功率不稳定性( 8 小时) ： 5 图2 - 4 是半导体泵浦固体激光器的内部原理结构图 1 2 】，其大致工作原理如下：半 导体激光棒( d i o d eb a r ) 作为泵浦源，激发工作物质( n d ：y v 0 4 ) ，产生1 0 6 4 r i m 的红外激光，在谐振腔内进行振荡，能量增强，其中经过两倍频晶体( d o u b l e r ) 和三 倍频晶体( t r i p l e t ) 将激光频率升高，分别变成绿光( 5 3 2 r i m ) 和紫外光( 3 5 5 n m ) ， 再经过棱镜进行分光，将需要的紫外光从激光口发出。其中的q 开关( q - s w i t c h ) 作 为光路开关，并对激光进行调制。 图2 _ 4 半导体泵浦固体激光器内部结构图 i o 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 2 = = ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = 一 2 4 激光扫描系统 激光扫描系统是快速成形系统中的关 键子系统之一，实现二维平面的精确聚焦和 扫描。其性能直接影响制件的精度和制作效 率，其成本在光围化快速成形设备中占很大 比例，仅次于激光器目前采用的扫描系统 主要是振镜扫描系统，它具有运动部件惯量 小，扫描速度快，扫描视场大等优点。 2 4 1 激光扫描系统的工作原理 振镜式扫描系统由x 、y 两个振镜扫描 头组成。原理如图2 5 所示；两振镜的转轴 x 、y 相互垂直，反射镜a 、b 分别装在转 轴x 、y 上。激光束以一定角度射到镜面a 图2 - 5 振镜扫描原理 上，又反射到镜面b 上，最后投射到视场平 面x o y 内。随着镜面a 、b 的偏转角度的变化，视场平面内的光点也相应移动。控制 x 、y 振镜扫描头电机的偏转，便可实现视场上任意形状的扫描。 振镜电机是一种特殊的摆动电机 1 3 1 ，基本原理也是通电线圈在磁场中产生力矩， 但是与旋转电机不同，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转 子偏离平衡位置的角度成正比。振镜不能象普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与 电流成正比，与电流计一洋，故又叫电流计扫描器( g a l v a n o m e t r i cs c a n p e r ) 。振镜具有 优良的动态性能，可达到0 9 5 1 0 6 r a d s 2 的角加速度【”1 ，若扫描半径为1 2 0 0 m m ，则 相当于光点1 1 4 1 0 6 m s 2 的线加速度。振镜的位置分辨率主要受d a 转换器的控制， 一般采用1 6 位d a 转换器。 为保证m 冲l a i 型快速成形系统的精度和可靠性，加快其研制开发的进度，我 们采用国外某公司的振镜扫描系统，它具有体积小，结构简单，安装使用方便，控制 精确，性能可靠，能够在w i d d o w s n r 2 0 0 0 下直接使用，控制简单等优点。以下为该 型号二维振镜扫描系统的主要技术指标i t 5 1 ： 最大光斑入口直径：1 4 衄 增益误差： 5 m r a d 零点漂移： 5 嘲d 非线性： 2 1m r a d 重复定位精度： 2 2 “m d 温度漂移( 8 小时) ： 0 6m r a d 最大扫描角度( 光学角) ：士0 3 5 r a d 分辨率：1 6 位 2 4 2 激光扫描系统的光路设计 光固化快速成形中的激光扫描控制系统主 要由计算机、激光控制器、激光器、振镜控制 器、二维振镜扫描器、数据采集模块、光电传 感器及光路系统等部分组成( 如图2 - 6 所示) 。 由激光器发出光束，经过光路系统，对激光束 进行准直，扩束，聚焦，达到所需光斑尺寸。 经扩柬聚焦后的光束被振镜扫描器按照数控指 图2 - - 6 激光扫描系统示意图 令偏转投射到工作平面在x y 方向扫描。在 没有采用动态聚焦系统时，为使工作平面内光斑尺寸尽量均匀，可将光束焦点位置调 整到距离工作平面中心一定半径的圆周上。 扫描振镜的布置形式采用透镜后扫描方式，即振镜处于聚焦镜的后面。采用先扩 柬准直后聚焦的静态聚焦方式，如图2 7 所示。因为扩束具有准直作用i l “，即： d 1 01 = d 2 e2 ( 2 一1 ) 式中：ol 、o2 分别为扩束前和扩束后的光束发散角 d l 、d 2 分别为扩束前和扩束后的光斑直径 为： f 2f 3 ljl 水 一 ：软 一 l l l l l 2 1r 1 图2 7 扩束聚焦系统原理图 图中l i = f i 、l 2 - - - f 2 、l 3 = f 3 ，激光束焦点位置位于f 3 透镜的焦点处，即束腰位置 华中科技大学硕士学位论文 s = f i ( 2 2 ) 聚焦后的光斑半径为】： 1， 。= 竺21 ：! i ( 2 3 ) 。肋， f 2 式中u 。为透镜f l 上的光斑半径。 根据振镜的工作角度为士o 3 5 弧度( 士2 0 0 ) ，实现扫描范围3 0 0 x3 0 0 m m ，所以振镜 轴线距液面的垂直距离h 应满足下式： h 1 5 0 t 9 2 0 。= 4 1 2 r a m ( 2 - - 4 ) 由于本扫描系统采用静态聚焦，为减小由于扫描线光程的变化带来的聚焦误差， 应尽量增大焦距。取h = 1 2 0 0 m m ，透镜b 距振镜中心大约为1 5 0 m m ，扩束倍数为5 倍，按照式2 3 可以计算出理论聚焦光斑半径uo = 0 0 4 m m 。 2 4 3 振镜扫描系统的安装与调试 振镜扫描系统的安装影响着聚焦光斑的质量和扫描精度。首先必须保证光轴的同 心度，即光束轴线通过扩束镜和聚焦镜的中心，照射在振镜的偏转轴线上。另外，振 镜零点时激光光斑应在工作台的中心。在激光束出口光束的光轴位置可以通过三自由 度( 高度方向的移动和两个轴向的摆动) 的反射镜架来实现光轴的变换以适应振镜偏 转轴线的位置。调整方法如下： ( 1 ) 在未安装扩束聚焦镜筒的情况下，调节反射镜和振镜使激光束正好从振镜 的入口中心射入，并使光斑正好位于工作台中心位置。 ( 2 ) 安装和调节扩束聚焦筒，使激光束中心正好位于扩束聚焦筒的入口和出口 中心，且出射光斑光强分布均匀。 ( 3 ) 来回调节聚焦镜位置，使光斑位置位于扫描平面上的设定位置。 在上述要求得到基本保证后，般通过软件对振镜扫描系统进行适当补偿和校 正。 2 4 4 激光在线测量系统 为了在线检测激光的光斑功率、强度分布和中心位置，在工作腔两对角线上( 激 光焦点处) 安装了两个传感器单元( 参见图2 - 6 ) 。该检测单元由自行设计开发的软件 模块进行控制。在对零件进行激光扫描之前，首先在传感器上扫描一个微小矩阵，采 集每点光强，对采集到的数据进行分折，得到光斑的能量和位置信息。在制作过程中， 每隔一层或多层在零件截面扫描完毕后，执行以上的检测程序，得到激光功率和光斑 华中科技大学硕士学位论文 位霞，判断功率是否变化和是否出现位置漂移，可以对下层的扫描进行补偿和校正。 2 5 树鹰再涂屡系统 2 。5 。1 辩艨再涂屡静嚣戆释要求 菇涂层熬髫憋楚要缳涯据籀蔫在已灏伍藤的上表瑟获褥层层厚均匀豹液态树 脂，并且保证波蕊的位置始终不变。在基于分层堆积愚爨酶快速成形审，整个三缳实 体就是由这些层片堆积而成，所以每一层片的精度羹接影响到整个制件的精度( 包括z 淘尺寸精廑、上下表面的平整度、倾斜表面的轮廓度以及粗糙度薅) ，并且层厚的大 小还影豌露纯过程串该层与前一层酌秸绪程度。如柒层厚不均匀或者厚度不能精确控 制，使摄该层不能与羲一鼷镶好缝凝结裂起，将磐致零 孛穰度鹳丧失，甚至镅作工 艺的失败。因此，在每一层扫描前，获得耩确蕊均匀的张脂薄层悬傈迁露l 终精度蛉基 础。由于每层的层厚为o 0 5 r o m e o 3 0 m m ，对于具体的零件制作，需要上酉层甚至 上千层。为了提商裁作效率，簿层的准备时间应该尽可能短。因此，稃涂朦要求在 尽可旎短戆瓣惩内在曩禹毒艺瓣秘髓主衰瑟获得精确蕊均匀的树脂薄层，并虽保证液面 的位置圈定不变。 2 。5 2 褥涂朦的实现方法 目前，在光露化快速成形领域，采震了嚣张蓐涂层懿方洼，粹是大多数系统采 用的自由液两法，采用托板下降，刮板刮削树脂的办法( 如醒2 - 8 艇示) ；另一静是 鬟t 浏 图2 - 8 自妇液面法 1 4 华中科技大学硕士学位论文 日本a u t o s t r a d e 公司的e d a r t s 机型【6 】，采用了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( 如图2 - 9 所示) 。自由液面法具有设计简单，成形精度 高的优点，缺点是需要将树脂槽装满，涂层时间长，液面控制比较难。约束液面法大 大降低了再涂层的难度，只需将工作台升起一个层厚，液体自动补充。但由于中间夹 着玻璃照射，损失激光能量和光线折射，不适合采用振镜高速扫描的场合，存在扫描 速度慢和制件精度不高的缺点。另外，存在树脂固化后粘结在玻璃上的情形，须采用 特殊的玻璃。 图2 - 9 约束液面法 在自由液面法中，由于树脂粘度和表面张力的影响，托板在下降一个层厚后，树 脂不能自动流过已固化区，必须采用强制的办法将液体涂覆到已固化层上。目前市场 上9 0 的光固化成形系统都是采用机械刮板来完成树脂的涂层，但结构和原理都有所 不同。 美国3 ds y s t e m s 公司的s l a 2 5 0 机器利用托板多下降一段距离而使液态的树脂 全部淹没已固化的表面来完成树脂再涂层的，然后再提升到一定的高度，利用刮板将 多余的树脂刮掉，再下降至设定位置。层厚控制是通过光测量法实时检测液面位置， 利用连通的浮简装置进行微量树脂补充和液面的调整。1 9 9 6 年3 ds y s t e m s 公司推出 的s l a - 3 5 0 0 机器采用了一种称之为z e p h y e rr e c o a f i n gs y s t e r a 的专利技术，即真空 吸附式的再涂层刮板结构。这种方法不需要托板多下降一段距离，而只需下降一层厚， 利用特殊设计的刮板吸附树脂在已固化的树脂表面涂上