本科毕业论文——三维激光成型试件的性能分析

1、西南科技大学本科生毕业论文 摘要 Southwest university of science and technology本科毕业论文三维激光成型试件的性能分析学院名称专业名称学生姓名学号 指导教师二一四年六月 三维激光成型试件的性能分析摘要：激光三维成型（SLAStereo Lithography Apparatus）是上个世纪80年代后期发展起来的一种快速成型技术。三维激光成型技术在传统制造业领域已得到广泛的应用。 本文初始篇幅综述了国内外三维激光成型的发展历史、三维激光成型技术的应用现状及存在的问题。在本文重点部分则为，对采用这种加工方法成型的材料力学性能拉伸试件和压缩试件，基于三维

2、散斑测量材料试验机开展试验研究，分析试验结果并与文献中的结果对比，获得激光成型后试件的应力变化规律。关键词：三维激光； 快速成型； 制造Performance Analysis on the SLA Test-PieceAbstract：This paper is carried out on the basis of the development of a rapid prototyping technology named SLA( Stereo Lithography Apparatus) in 1980s. SLA are nowadays widely used in the fi

3、eld of traditional manufacturing industry. In the beginning of this paper summarizes the development history of SLA at home and abroad; application, problems and prospect of SLA; And the highlights of this paper introduces tensile property and compression property of the test-piece using the Rapid P

4、rototyping Manufacturing skill. With the help of the three dimensional speckle measurement of material testing machine, we analyze the results of the testing and make a comparison with those results from literatures, and finally come to a conclusion about the regular pattern of variation of stresses

5、 of those test-pieces.Key words: 3D laser, SLA, rapid prototyping, manufacture.目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 概述- 1 -1.2 三维激光成型技术（SLA）的原理及特点- 2 -1.3 国内外发展历史- 3 -1.4 国内外研究现状及存在问题- 4 -1.4.1 国内现状及趋势- 5 -1.4.2 国外现状及趋势- 6 -第2章 三维激光成型的加工过程- 8 -2.1 三维激光成型加工仪器的功能及原理- 8 -2.1.1 成型基本功能原理介绍- 8 -2.1.2 成型系统的组成介绍- 9 -2.1.3 成型

6、系统的发展展望- 10 -2.2 三维激光成型试件- 11 -2.2.1 试件材料的基础特性及工艺性能- 11 -2.2.2 试件材料的加工性能的局限性及前景- 12 -2.3 三维激光成型过程- 12 -2.3.1 成型过程的基本步骤及工作流程- 12 -2.3.1.1 三维激光的轨迹规划及其对试件性能的影响- 13 -2.3.1.2 三维成型试件的参数设定及校准- 14 -2.3.2 光敏液相固化成型的工艺特点- 15 -2.3.3 成型过程的注意事项及经验总结- 15 -第3章 三维激光成型试件的性能分析- 17 -3.1 成型试件的误差来源以及相应的对策- 17 -3.2 成型试件的压

7、缩力学性质- 20 -3.2.1 压缩实验- 20 -3.2.2 压缩实验过程数据及图表整理- 21 -3.2.3 试件应变变化规律- 27 -3.2.4 试件应力-应变曲线- 29 -第4章 分析与总结- 30 -结论- 30 -致谢- 32 -参考文献- 33 -西南科技大学本科生毕业论文 I 绪论第1章 绪 论1.1 概述全球市场一体化正在现实意义上形成越来越清晰的格局，制造业领域所产生的无形和有形的竞争上演得日趋激烈，该领域相应的产品的开发速度和市场普及速度日益成为当今经济社会的主要矛盾。工农业制造领域出于为了满足日益发生变化的客户需求，要求制造领域的生产技术拥有较强和较明显的灵活性，

8、在不增加基础成本的理想情况下，以小批量或者单件进行基础贸易活动。在这样的现实背景和清晰的压力之下，全球各国的制造业发展都不约而同地进行着自我的效率创新与系统升级，其中最显著的发展成果之一便是快速成型技术。该技术的发展过程以极高的曝光率和成功率占领着新兴制造技术生产格局的更新潮流。 快速成型技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械制造工程、CAD计算机绘图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，

9、可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。 目前市场上的快速成型技术分为3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术和SLA三维激光成型技术等。 三维激光成型技术（SLA），作为当代的一种复合型先进快速成型制造技术，融合了光、机、电、材料加工及校准检测等学科。它与现代数控技术相结合构成的高效自动化加工设备，能够在很大程度上突破许多传统制造方法所面临

10、的技术瓶颈，在当今世界许多主要工业制造生产领域得到了越来越成熟的发展，发挥了越来越不可或缺的作用，实现了越来越令人瞩目的成就。基于三维激光成型技术所生产的相应的三维产品有着各种独特的性能和优异的生产图景，对于该类产品性能的分析和研究不仅可以从某种程度上综合改善初始的成型生产过程、优化整个环节中存在优化机动性的细节，也可以在更广阔的概念上总结产品生产经验，从而对三维激光成型技术的整个生产过程以及相应产品的整体性能进行系统的更新，提供基于实验基础的数据和改进依据，最终不断地完善整个成型系统。1.2 三维激光成型技术（SLA）的原理及特点 三维激光成型技术（SLA）是快速成型技术中的一个主要分支，快

11、速成型技术的原理得以成为三维激光成型技术的技术参考和基本理论依据。 快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。 1、从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。 2、从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。 三维激光成型技术（SLA）的基础原理在以上两点的基础上得以具体化：利用激光引发感光树脂的聚合，通过电脑控制光束，逐层固化

12、，最后得到所需的立体构体。SLA对感光树脂的要求是低黏度、高固化速度、低收缩、低溶胀、层间黏附相容性好、对光的敏感度高等。 快速成型技术所对应的产品的产品特性也有着极具稳定的优势，与传统的制造业加工方法相比较，三维激光成型技术的特点主要有以下几点： 1.制作速度快，从CAD设计到原型的制作完成只需几小时至几十小时，比传统的机械成型方法速度要快得多，这对于新产品的快速开发非常有利； 2.由于不存在模具制作等分摊费用，因而产品的造价几乎与产品批量无关，这特别适合于小批量零部件的制造，尤其是一些独特零部件的制造，也适合基于订单生产的方式； 3.产品的制作难度及成本几乎与产品的复杂性无关，这对于制造带

13、有精细内部结构的复杂零部件极具优势，甚至能生产传统机械加工方法难以制造的部件。 4.制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用； 5.原型的复制性、互换性高； 6.制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越； 7.加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上； 8.高度技术集成，可实现了设计制造一体化；1.3 国内外发展历史 对于快速成型技术的研究始于1970年代，但是直到1980年代末才逐渐出现了成熟的制造设备。美国3M公司的Alan J.Herbert（1982年）、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男（1980年）、美国

14、UVP公司的Charles W. Hull（1984年）、日本大阪工业技术研究所的丸谷洋二（1984年），各自独立地提出了快速成型的技术设想，实现的材料和方式有差异，但均以多层叠加并固化来产生实体。在1986年，Charles W. Hull在美国获得了光固化立体造型设备（SLA）的专利，标志着快速成型技术即开始进入实用阶段，在设计领域及汽车工业上有广泛应用。同年，查尔斯胡尔和UVP的股东们一起建立了3D System公司，生产出了世界上第一台SLA250 型光固化快速造型机，开创了LRP 技术迅速发展和推广应用的新纪元。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年米歇尔

15、法伊杰提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生戴考德提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。 自从80

16、年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，但是SLA、SLS和FDM几种技术，目前仍然是RP技术的主流，最近几年LJP（立体喷墨打印）技术发展迅速，以色列、美国、日本等国的RP设备公司都力推此类技术设备。 国内自20 世纪90 年代初开始进行研究，现有西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司多所研究单位自主开发了成型设备并实现产业化。其中，西安交大生产的紫外光CPS 系列光固化成型系统快速成型机等新技术，引起了国内外的高度重视；华中科技大学研究LOM、SLS 工艺，推出了系列成型机和成型材料； 清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论，并开展了基于S

17、L 工艺的金属模具的研究；北京隆源公司主要研究SLS 系列成型设备和配套材料并承接相关制造工程项目。1.4 国内外研究现状及存在问题20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形技术（RP），突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、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发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件

18、制造方式正产生深远的影响。以三维激光成型技术（SLA）为代表的快速成型技术（RP）已经在近年来于多个制造领域发挥了举足轻重的作用，不仅解决了传统制造业制造生产过程中所遇到的诸多技术瓶颈，而且从生产效率、生产成本、工艺流程规范化、产出产品性能等各个方面提高了成型技术的进步和完善程度。但是，与此同时，在整个RP技术创新以及不断发展的过程中，各种问题和短板也是不可避免的。例如，制造工艺对设备的高精度、高自动化的要求，相应的数控软件缺乏标准化，工艺过程中所产生的废料的循环利用率，生产所用材料来源的局限性以及材料对于实验室环境的影响及其对实验人员的安全保障，对于成品中试件的长时间存放及防潮、防腐蚀等程序

19、的处理等等。1.4.1 国内现状及趋势我国RP研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20余家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内大多制造型企业无法承受的。 为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。 我国最早在快速成型技术方面开展研究的科研机构主要有清华大学、西安交通大学

20、、华中理工大学。这些科研机构早期在开发系统设备方面各有侧重。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形设备，成立了激光快速成形中心，开展快速成形技术的研究。研制出世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600×800×750mm3，也居世界之首。 西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，在卢秉恒院士的带领下，西交大自主研发出一套国内领先水平的快速成型系统，同时在成型材料等方面同样取得了重大突破，并

21、已形成产业化生产，因此获1998年度国家科技进步一等奖、2000年教育部科技进步二等奖。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化的SLS设备。华中理工大学还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。 此外，南京航天大学、上海交通大学、华北工学院、浙江大学等知名高校在该领域也做了许多工作。例如在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制

22、造了多种模具。 目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，自主研发应用于快速成型的材料也逐步趋于完善，材料的价格更加便宜，等待投放市场后可以改善过于依赖进口材料的状况。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。 国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内制造型企业前列。如广东美的、科龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。近些年随着通讯事业在我国的高速发展，一些国内通讯巨头企业例如华为、中兴等公司也逐渐将快速成型技术引入到产品设计开发环节，使得公司对市场的响应效率、产品的竞争力提升了一个等级。 在模具制造

23、业，快速成型技术同样起到了重要作用。利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。 然而，发展过程中所遇到的相应的问题也是难以避免的，目前国内在RP技术的研究应用上存在着研究队伍比较薄弱，资金投入有限，应用普及范围不够，没有统一协调的管理机制等缺陷。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国

24、RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为我国制造型企业的发展起到了支撑作用，提升了企业对市场的快速响应能力，提高了企业的竞争力，同时也为国民经济增长做出了重大贡献。1.4.2 国外现状及趋势 美国是世界上最重要的RP设备生产国，1999年美国生产的RP设备占全世界的8l.5%，美国的RP发展水平及其趋势基本代表了世界的RP发展水平及趋势。SLA快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法.分层制造三维物体的思想雏形，最早出现在制造技术并不发达的19世纪.早在1892年，Blanther主张用分层方法制作三维地图模型.1979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、

25、成型模和注塑模.光刻技术的发展对现代RP技术的出现起到了催化作用.20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alan J. Hebert (1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(FUN,年)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念。即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想.Charles W. Hull在L'lip的继续支持下，完成了一个能自动建造军件的称之为Scerolithography“，快速成型(SLA)的完整系统SIA一 1.1986年该系统获得专利.这是RP发展的一个里程碑.同年，C

26、harlesw.Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司.随后许多关于快速成型的概念和技术在3D System公司中发展成熟.与此同时，其它的成型原理及相应的成型机也相继开发成功.1984年Michael Feygin提出了分层实体制造(laminated Object Manufacturing, IOM)的方法，并于1985年组建Helisys公司.1990年前后开发了第一台商业机型LOM一 1015.自从80年代中期SLA成型技术发展以来到90年代后期，出现了十几种不同的快速成型技术。1999年3DSystems公司推出SLA27000机型，扫描速度可达9.52m/s，层

27、厚最小可达0.025mm。美国Sanders Prototype Inc的基于热熔金属喷射技术的Pattern Master是制作速度最快的RP设备之一。制作范围为300mm×150mm×220mm，用户可实时制作原型、验证设计，随后即可得到成形件。成形件的表面精度为0.08mm0.16mm。由美国国家航空航天局（NASA）资助而开发的精密RP设备可用来加工航空、医疗等领域用的精密零件，制造尺寸范围为450mm×300mm×300mm，零件的微细特征可小于12m，表面精度小于1m，售价为150000美元左右。 长期以来，不断有一些学者和专家对RP的发展持

28、观望和怀疑态度，尤其是在1998年受全球经济的不景气所影响，RP工业出现缓慢增长甚至某些方面为负增长。对此，Terry Wohlers在其著述的2000年度全球快速成形及快速模具制造工业进展报告中指出，RP工业将会在未来几年发生巨大的变化，主要体现在新技术、新工艺及信息网络化等方面。- 36 -西南科技大学本科生毕业论文 II 三维激光成型过程第2章 三维激光成型的加工过程2.1 三维激光成型加工仪器的功能及原理 图2-1 多功能激光成型机 RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不

29、同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。RP技术的优越性显而易见：它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法"，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。光敏树脂液相固化成形，也称立体

30、光刻（SLA）或光固化立体造型，于1984年由Charles Hull提出并获美国专利。1988年美国3D System公司推出世界上第一台商品化快速成形设备SLA-250。，由激光器发出的紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下，有选择地扫描液体光敏树脂表面,利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理.一层一层地固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精确距离,并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并粘在前一层已固化的树脂上,如此反复.直至制作生成该零件实体模型。能够自动制作出各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在制造领域具有划时代的意义。

31、2.1.1 成型基本功能原理介绍SLA工艺也称光造型或立体光刻，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均有计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫

32、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，得到一个三维实体模型。2.1.2 成型系统的组成介绍由激光器、激光束扫描装置、光敏树脂、液槽、升降台和控制系统等组成。 (1) 激光器大多采用紫外光式 两种类型：一种是氦-镉（He-Cd）激光器。一种低功率光以氦气和镉蒸气的复合气体作为工作物质，生成可见紫外激光射线，输出功率1550mW，波长325nm，激光器寿命2000h；另一种是氩离子（Ar+）激光器，低功激光光源，氩气为工作物质，输出功率100500MW，波长351365nm。激光束光斑直径一般为0.053.00nm，激光位置精度可达0.008nm，重复精度可达0.13m

33、m。 (2)激光束扫描装置 数字控制的激光束扫描装置有两种形式：一种是电流计驱动式的扫描镜方式，最高扫描速度达15m/s，适合于制造尺寸较小的原型件；另一种是XY绘图仪方式，激光束整个扫描过程中与树脂表面垂直，适合于制造大尺寸的原型件。 (3) 光敏树脂 图2-2 光敏树脂材料 SLA工艺的成形材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等。 要求SLA树脂在一定频率的单色光照射下迅速固化，并具有较小的临界曝光和较大的固化穿透深度。为保证原型精度，固化时树脂的收缩率要小，并应保证固化后的原型有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性要小。 光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂

34、及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光敏树脂可分为三类：自由基型光敏树脂、阳离子型光敏树脂、混杂型光敏树脂。 (4)液槽 液槽采用不锈钢制作，其尺寸大小取决于成形系统设计的最大尺寸原型件或零件。 升降工作台由步进电动机控制，最小步距应在0.02mm以下，在225nm位移的工作范围内位置精度为±0.05mm。 刮平器保证新一层的光敏树脂能够迅速、均匀地涂敷在已固化层上，保持每一层厚度的一致性，从而提高原型件的精度。 (5)控制系统 主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成。激光器光束反射镜扫描驱动器、XY扫描系统、工作台Z方向上下移动和刮刀的往复移动都由控制软件来控制。2.1.3 成

35、型系统的发展展望 目前，RP技术向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；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。发达国家许多科研机构（如IBM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RP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配备一台此类设备。采用桌面RP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。如今，在世界的工业生产舞台上，快速、精准、成本低、效率高、污染少的生产作业方式以及越来越受到应有的重视，三维激光成型

36、技术作为快速成型技术领域中的一个重要的分支，为当今现代制造业生产做出了越来越令人瞩目的贡献。快速且精准的制造方式直接影响到生产总体效率，可以使得制造过程中产生的成品的质量更高，从而拥有更加规范化、合理化的工艺性能；低成本的制造过程也能使得生产工艺更加普及化、正常化，发展也能更加地迅速，并且更能得到相应政策的支持；少的污染排量则使得制造工艺本身拥有更加长远的立足之地，绿色产业直接呼应当今国家的基本政策和全球的工业发展潮流，顺应“节能减排”的目标趋势，会更加造福于全人类。2.2 三维激光成型试件 作为当今社会高度快速发展的新型成型技术，快速成型技术对成型材料的要求也是极具原则和规格的，不同的快速成

37、型技术对应着各自不同的基础加工材料，从而在后期的成品中呈现出各具特点的工艺性能。2.2.1 试件材料的基础特性及工艺性能 作为三维激光成型试件的成型材料，液态光敏树脂拥有比较独特的基础性能和工艺性能。光敏树脂由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)，在一定波长的紫外光(250-300纳米)照射下立刻引起聚合反应,完成固化。总体概括为以下几点性能特点： 1）粘度低，低粘度树脂有利于成型中树脂较快流平；2）固化速度快，树脂的固化速度直接影响成型的效率，从而影响到经济效益；3) 固化收缩小，光敏树脂在固化过程中，经过一个从液态向固态转变的变化过程，这种变化常会引起树脂的线

38、性和体积收缩，固化收缩导致零件产生变形、翘曲、开裂等，从而影响到成型零件的精度，降低树脂的收缩量是光敏树脂研制过程中的主要目标，低收缩性树脂有利于成型出搞精度零件；4) 一次固化程度高，这样可以减少后固化收缩，从而减少后固化变形；5) 湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离；6) 溶胀小，湿态成型件在液态树脂样品件中的溶胀会造成零件尺寸偏大；7) 毒性小，这有利于操作者的健康和不造成环境污染。2.2.2 试件材料的加工性能的局限性及前景 光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不够理想；工作温度不能超过100，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。而且该树脂材料对环境仍

39、存在一定的影响，对实验人员的皮肤会有潜在的过敏影响。 成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：有利于快速精确的加工出成型；用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。2.3 三维激光成型过程2.3.1 成型过程的基本步骤及工作流程1）产品三维模型的构建。由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD 模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E ,

40、I-DEAS , Solid Works , UG 等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、 CT 断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 2）三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。 STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式，二进制码

41、输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD 软件都带有转换和输出 STL 格式文件的功能。 3）三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm0.5mm， 常用 0.1mm 。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。 4）成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层

42、相粘结，最终得到原型产品。 5）成型零件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。2.3.1.1 三维激光的轨迹规划及其对试件性能的影响在进行三维激光加工时，不但要求从激光头射出的激光束相对工件按一定的轨迹运动，而且要求激光束垂直于被加工表面，这样可以保证聚焦后的激光焦点落在工件表面为径最小的圆点，使得功率密度最大切缝宽度均匀。（1） 在过渡段的激光轨迹规划对试件的影响： 图2-3 三维激光加工的空间轨迹不象平面二维轨迹，可有直线、圆弧及样条插补等多种形式，只能由直线插补的形式完成。复杂的空间曲线可以离散成多条直线段。每工完一条加工轨迹

43、，激光头必须关闭激光，移动到另一条加工轨迹的起始加工点，然后再开光进行加工（陈继民 220-221）。然而，不同的加工轨迹对应着不同的过渡方式，将直接影响着试件受激光加工时的过渡段（即前一段终点部位）的工艺外表以及激光受热程度，过渡过快会使试件过渡段相应部分加工时间不足，从而导致试件成型程度不够达不到工艺要求；过渡过慢会试件过渡段受热时间过长，从而导致试件相应部分发热变形达不到工艺要求。因此加工轨迹的过渡段操作虽然用时相对较短，但是对试件成型后的工艺要求的影响很重要，合理对计算机控制软件进行充分编程引导，规划理想的过渡动作的操作规范性，是激光轨迹规划的一个重要步骤。（2） 激光加工顺序对试件的

44、影响：图2-4 最短路径法程序流程图为了一次完成所有加工轨迹，除设定上述过渡轨迹外，还要安排合理的加工顺序。从加工效率最高的角度，当然希望总的行走时间或行走路径最短（陈继民 221）。三维激光成型过程中，激光加工的顺序总体来说相对统一，即依照合理上下顺序，逐层加工，逐层递进，最终得到一个需要的实体三维试件。逐层递进加工的基本顺序其实是基于三维激光成型的技术原理而展开的，实验初始加工材料的液态物理特点直接导致了加工顺序的规划会收到限制，如果不按照逐层递进加工的思想来操作，将会导致材料的加工表面加工成型不均匀、衔接处成型不理想、整体加工效率不达标等问题的产生。因此，基于技术原理而产生的加工顺序对于

45、成型试件的成型过程尤为的重要，直接或间接的影响着试件后期的各种工艺性能的展现。（3）激光头的位置及角度对试件成型的影响：为保证激光人射角与工件表面垂直，激光头的位置和位姿要随工件加工线路上表面的线方向及时调整，这是与二维平面激光加工最主要的区别。在试件的激光加工过程中，随时保证激光头的位置及角度精准对于成型试件后期的成型效果以及工艺性能会产生直接的影响。激光头的角度（即从激光头发出的激光相对于试件的角度）一定要一直与试件加工点位相垂直，从而保障加工点的加工要求合规。保持垂直的角度，能够使得激光头发出的激光到达加工点位的时候充分促使点位上的液态光敏树脂材料产生相应的物化反应，缩短加工时长，提高单

46、位时间内激光产生效应的效率，从而综合提高加工效率。相反，若没有达到垂直，或者没有在加工过程中做到随时与相应的加工点位保持垂直角度，相应的激光投射轨迹不会变化，但是到达加工点位的时候，会因为投射到了多余的点位使得多余点位受热过多，也会使得规定点位受热不良，从而使得试件相应部位达不到加工工艺要求，产生次品甚至废品。2.3.1.2 三维成型试件的参数设定及校准 在三维激光试件快速成型过程中，制造出的零件尺寸和轮廓精度与实际零件保持一致是这种成型程追求的目标。但是在这种快速制造过程中，往往由于所用成型材料特性、黏结剂、成型数控机参数等响成型输出零件的尺寸及轮廓精度。如何提高三维激光成型过程中零件的轮廓

47、和尺寸精度，并获得好的方法以使制造出的零件和实际的零件具有高的符合度，是三维激光精密成型零件急需解决的问题。 在成型过程中，影响三维激光成型试件的精度有：1）使用的材料；2）名义尺寸；3）制造方向；4）几何特征和它们的拓扑结构，如开环或闭环轮廓；5）打印件的壁厚；6）后续处理过程；7）渗透剂的选取等。 国内外在三维零件成型过程中的成型精度方面进行了研究。D.Dimitrov认为在需要进行装配配合零件或者解剖模型的场合，零件的三维快速成型精度必须保证在毫米级。H.S.Shin 等采用基准零件研究工艺和优化快速成型过程的打印参数，提高零件的成型精度。D.Dimitrov等研究了不同材料制造的基准模

48、型，然后用数控坐标测量机测量特征形状进行统计分析，最终给出统计参数和公差等级，目的是得到精确的尺寸和几何形状。A.W.L.Yao等研究了用粉末材料成型的工艺参数，最终缩短零件制造时间，减少粉末和黏结剂的使用量。李晓燕等以石膏为实验材料从微观上分析了扑粉辊转速与扑粉厚度对零件尺寸精度的影响。除此之外STL模型的转换和参数的设置也会影响三维成型模型的精度，Yan Liang对此进行了分析讨论；W.Rattanawong等研究了快速原型中由于制作方向的不同引起的台阶效应带来的体积误差，最终优化出不同形状零件的最优位置。A.Butscher 等总结支架类零件的设计和控制，首先在SLA领域提出和比较用其

49、它方法支架类零件的设计和控制，指出提高支架工程的SLA重要策略的可能性和局限因素。Liu Houcai等实现了三维快速成型工艺零件的制作方向优化，从而进一步提高零件的表面质量。2.3.2 光敏液相固化成型的工艺特点(1)尺寸精度高SLA原型的尺寸精度可达±0.lmm。 (2)表面质量好。 (3)成形过程自动化程度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制作完成。 (4)原材料利用率高原材料的利用率将近100%。 (5)能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。 (6)制作出来的原型

50、件，可快速翻制各种模具。 (7)缺点：成形过程中需要支撑，否则会引起制件变形； 设备运转及维护成本高等。2.3.3 成型过程的注意事项及经验总结（1） 实验材料以及实验设备环境的安全性：在三维激光成型的实验过程中，对于成型试件的初始材料和成型加工工艺所用的实验设备的安全性考虑是一项相当必要且严肃的事情。成型试件材料的初始物化特性，如挥发或粘着对实验人员呼吸道及皮肤的影响，严重者甚至会产生相应的过敏反应等；实验设备同样是一项对实验各方面环境有着严肃考究的因素，如设备工作期间，合理减少噪声污染对实验人员以及实验室周边的环境有着积极的意义，减少污水废气的乱排放，也直接影响着周边区

51、域的环境健康合理性。（2） 数控软件、机床构架、激光设计等的规范化建立：对于三维激光成型加工的数控软件的建立，有着严格的规范化和自动化要求。利用计算机和CAD技术，完成数控程序的编制工作。首先通过图形输入设备或者CAD造型方法，讲零件图形信息输入计算机并在计算机屏幕上显示出来，然后由CAM系统，对激光加工轨迹进行数据提取、轨迹规划、模拟仿真、干涉检查等，最后自动生成加工程序。在三维激光成型试件的加工过程中，待加工初始零件的准确与快速定位是提高其加工质量、加工精度和加工效率的重要保证。夹具是工件定位的最终执行者。，而定位问题又是夹具研究的重要内容。合理的夹具材料性能（如能抗腐蚀、耐高温、结构稳定

52、）以及合理的夹具工件的工位设计不可忽略。激光加工的轨迹规划以及激光头加工时的角度设计同样是加工工艺过程的重点课题。西南科技大学本科生毕业论文 III试件的性能分析第3章 三维激光成型试件的性能分析 本章介绍了三维激光成型试件的动态拉伸实验的分析与总结，并得出相应的结论。对已有的试件制作工艺进行改进，通过增加加强树脂的方法来保证实验的顺利进行并减小了实验误差。 通过对存在表面光洁度差异、立体直径等少量客观差异的三维激光成型试件（以光敏树脂为制作原料）进行的压缩实验，在设置同一参数（材料长度10mm、横截面直径12mm、试验机压力饼下位移速率5mm/min）的基础上进行五次重复实验，对比数据，通过

53、对实验结果的分析，得到了相应的压缩性能变化规律以及承受负荷随时间变化等一系列的压缩规律曲线。通过对多次实验的结果分析对比得知：材料在动态加载条件下的压缩机理差别不是很大，材料的极限承受力、最大应力、上下屈服力、定压力、破坏压缩率、抗压强度和定压强度等指标在同一参数设置背景下不存在明显的差异。随着时间的均匀推移，试件因压缩所承载的负荷呈线性的规律性地提高，材料受压的应力逐渐增大，但当达到一定数值的载荷时，试件会因承压达到极限而碎裂，整个过程显示材料在受单一外界变量的影响下的性能由韧性向脆性转变。3.1 成型试件的误差来源以及相应的对策（一）树脂固化收缩引起的翘曲变形液态光敏树脂在一定波长紫激光的

54、激发下发生固化反应，这一过程中树脂要发生收缩，收缩是产生翘曲变形的根本原因。翘曲变形对成型精度的影响最大，它造成较大的尺寸误差，并且尤为严重的是，在成型过程中翘起来的部分伸出树脂表面，影响涂层系统的正常运转，甚至使得成型过程中断。如下措施能有效地防止或减轻翘曲变形的发生： （1）采用合理的制作方法，减小收缩应力的集中； （2）设计合理的支撑结构。支撑设计的基本原则是要尽量完备又要尽量少，容易去除，以减少对表面粗糙度的影响； （3）采用收缩率较小的树脂； （4）提高一次固化率，减少后置固化引起的变形。（2） 树脂的固化收缩特性引起的XY尺寸误差即使不发生翘曲变形，若直接按照CAD数据进行扫描由于

55、树脂的收缩固化特性，固化出来的每层将比设计尺寸小，从而引起尺寸误差。一般的方法是进行收缩率补偿。这种补偿固然能起一定的作用，但由于树脂的固化收缩是一个复杂的过程，一条扫描线的收缩量要受到同一层和层间的约束，收缩量只是一个试验统计值，并不能完全补偿收缩产生的误差。采用收缩率小的树脂才是最佳的解决办法。（3） 涂层过程对上表面质量的影响在SLA过程中，当激光扫描完第N层后，如果第N层不是最后一层的话，需要在第N层上均匀地铺上一个层厚的树脂，再进行第N+1层的扫描。但是由于表面张力的作用，要在刚固化完的一层上快速均匀地铺上一薄层树脂不是一件容易的事情，尤其当第N层包含面积较大的固化区域，更加困难。如

56、果N+1层是模型的上表面，则涂层质量将直接影响表面质量。增加层间的等待时间可以提高涂层质量，但势必增加模型的制作时间。需要采用的方法是：在对模型数据分层时，对包含上表面的参数加以标记，制作过程中根据这一标记和扫描的大概面积，模糊调整涂层参数和等待时间。（4） 扫描线宽对XY尺寸精度的影响激光束扫描树脂表面时，固化的树脂线有一定的宽度，这个宽度与光束及树脂特性、扫描速度有关。正如数控机床要进行刀具半径补偿一样，这里也必须进行扫描线宽补偿。（5） 固化深度对Z向成型精度的影响一层树脂固化后，总有一定的厚度，即固化深度，若不加以补偿，在某些地方会引起较大的Z向误差。有限的Z向精度和表面质量是RP在工业应用中普遍存在的一个问题，因此必须进行固化深度补偿。固化深度并非一个定值，它与树脂特性、激光特性和扫描速度有关。因此，进行固化深