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1、第2章 光固化快速成型工艺,快速成型与快速模具制造技术及其应用,光固化快速成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文的名称为StereoLithography，简称SL或SLA（StereoLithography Apparatus），该工艺是由Charles Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA -250以来，SLA已成为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工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高
2、、几何形状较复杂的原型。,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,图2-1 光固化快速成型工艺原理,液槽中盛满液态光敏树脂，氦镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，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，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化
3、的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。,2.1 光固化成型的基本原理,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。,图2-2 光固化成型制造过程中残留的多余树脂,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,图2-3 吸附式涂层结构,吸附式涂层机构在刮板静止时，液态树脂在表面张力作用下，吸附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会
4、均匀涂敷到已固化的树脂表面。此外，涂敷机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2.2 光固化成型技术的特点 优点： 成型过程自动化程度高 SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。 尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 优良的表面质量 虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。 可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型 可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型 制作的原型可以一定程度地替代塑料件,2-1 光固化快速成型工艺的基本原
5、理和特点,缺点： 制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化 较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料 设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高 使用的材料较少 目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料 液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性 需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,2
6、.2.1 光固化快速成型材料 1. 光固化材料优点及分类 光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点： （1）固化快 可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。 （2）不需要加热 这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。 （3）可配成无溶剂产品 使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。 （4）节省能量。 各种光源的效率都高于烘箱。 （5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。 （6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。,2-2 光固化快速成型材料及设备,用于
7、光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。 (1)自由基光固化树脂 主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性较好，固化质量也较好，成型制件的性能可调范围较大；聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。,2-2 光固化快速成型材料及设备,(2)阳离子光固化树脂 主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙
8、烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下： 1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%7%。 2）产品精度高。 3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。 4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。 5）粘度低。 6）生坯件强度高。 7）产品可以直接用于注塑模具。,2-2 光固化快速成型材料及设备,(3)混杂型光固化树脂 目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有： 1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计成无收缩的聚合物
9、。 2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。 3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2. 光敏树脂的组成及其光固化特性分析 （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。 齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，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。 光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特
10、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。,2-2 光固化快速成型材料及设备,3.光固化成型材料介绍 SLA技术用材料根据其工艺原理和原型制件的使用要求，要求其具有粘度低、流平快、固化速度快且收缩小、溶胀小、无毒副作用等性能特点。 下面分别介绍Vantico公司、3D Systems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、适用场合以及选择方案等。 （1）Vantico公司的SL系列 下表给出了Vantico公司提供的光固化
11、树脂在各种3D Systems公司光固化快速成型系统和原型不同的使用性能和要求情况下的光固化成型材料的选择方案。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,（2）3D Systems 公司的Accura系列 3D Systems公司的ACCURA系列光固化成型材料主要有用于SLA Viper si2、SLA3500、SLA5000和SLA7000系统的ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40 Nd系列型号和用于SLA250、SLA500系统的SI40 Hc & AR型号等。 其中，ACCUGENT
12、M材料在进行SLA技术光固化后，其原型制件具有较高的精度和强度、较好的耐湿性等良好的综合性能。 ACCUGENTM材料的成型速度也较快，且原型制件的稳定性也好。 部分3D Systems 公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,（3）3D Systems 公司的RenShape系列 3D Systems公司研制的RenShape7800树脂主要面向成型精确及耐久性要求较高的光固化快速原型，在潮湿环境中尺寸稳定性和强度持久性较好，粘度较低，易于层间涂覆及后处理时粘附的表层液态树脂的流干，适用于高质量的熔模铸造的母模、概念模
13、型、功能模型及一般用途的制件等。RenShape7810树脂与RenShape7800树脂的用途类似，制作的模型性能类似于ABS，用于制作尺寸稳定性较好的高精度高强度模型，适于真空注型模具的母模、概念模型、功能模型及一般用途的制件等。RenShape7820树脂固化后的模型颜色为黑色，适于制作消费品包装、电子产品外壳及玩具等。RenShape7840树脂固化后的模型呈象牙白色，性能类PP塑料，具有较好的延展性及柔韧性，适于尺寸较大的概念模型。RenShape7870树脂制作的模型强度与耐久性都较好，透明性优异，适于高质量的熔模铸造的母模、大尺寸物理性能与力学性能都较好的透明模型或制件的制作等。
14、 上述3D Systems 公司的RenShape系列材料的性能如下表所示。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,（4）DSM公司的SOMOS系列 DSM公司的SOMOS系列环氧树脂主要是面向光固化快速成型开发的系列材料，部分型号的性能及主要指标如下表所示。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2.2.2 光固化快速成型设备 20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概
15、念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles Hull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。同年，Charles Hull和UVP的股东们一起建立了3D Systems公司，并于1988年首次推出SLA-250机型。,图2-5 3D Systems公司的SLA-250机型,2-2 光固化快速成型材料及设备,目前，研究光固化成型（SLA）设备的单位有美国的3D Systems公司、Aaroflex公司，德国的EOS公司、F&S公司，法国的Laser 3D公司，日本的SONY/D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Denken Eng
16、ieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，以色列的Cubital公司以及国内的西安交通大学、上海联泰科技有限公司、华中科技大学等。 在上述研究SLA设备的众多公司中，美国3D Systems公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大。3D Systems公司在继1988年推出第一台商品化设备SLA-250以来，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足的进步。其中，SLA3500和SLA5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成层厚最小可达0.05mm。,2-2 光固化快速成型材料及设备,图2-6 3D Systems公司的 SLA-3500机型,图2-7 3D Systems公司的 SLA-5000机型,2-2 光固化快速成型材料及设备,图2-8 3D Systems公司的SLA-7000机型,图2-
