光固化快速成型工艺过程的优化研究

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1、光固化快速成型工艺过程的优化研究光固化快速成型工艺过程的优化研究 20152015年年5 5月月1919日日Research on Stereo Lithgraphy Apparatus Process Optimization 目录： 第一章 光固化快速成型简介 第二章 光固化快速成型的工艺过程 第三章 成型工艺过程的优化 第四章 样件的优化流程次序 第五章 结论与展望 目录目录华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩 第一章第一章 光固化快速成型简介光固化快速成型简介 光固化快速成型技术（光固化快速成型技术（SLASLA）是先进制造技术中的一种，）是先进制造技术中的

2、一种，具有具有快速性快速性快速性快速性、高度柔性高度柔性高度柔性高度柔性、与复杂程度无关性与复杂程度无关性与复杂程度无关性与复杂程度无关性以及以及高度集成化高度集成化高度集成化高度集成化等特点，其产品样件精度很高，被广泛的应用于航空航天、等特点，其产品样件精度很高，被广泛的应用于航空航天、汽车工业、考古以及生物科技之中。汽车工业、考古以及生物科技之中。光固化快速成型制品光固化快速成型制品第一章第一章 光固化快速成型简介光固化快速成型简介华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1 1 第二章 光固化快速成型的工艺过程前期数据获取点云转换和处理数据分层处理制作方向设定支撑设

3、计快速成型机加工样件的后处理光固化快速成型工艺的流程图光固化快速成型工艺的流程图第二章第二章 光固化快速成型的工艺过程光固化快速成型的工艺过程华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩2 2 2.1 前期数据的获取 前期数据的获取方法，可前期数据的获取方法，可 通过正向设计或逆向反求来获通过正向设计或逆向反求来获 得，其中逆向设计就是对已有得，其中逆向设计就是对已有 产品的数据采集和再设计过程，产品的数据采集和再设计过程， 其主要设备是其主要设备是三坐标测量机三坐标测量机三坐标测量机三坐标测量机和和 结构光三维扫描仪结构光三维扫描仪结构光三维扫描仪结构光三维扫描仪。 三坐

4、标测量机三坐标测量机 结构光三维扫描仪结构光三维扫描仪第二章第二章 光固化快速成型的工艺过程光固化快速成型的工艺过程华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩3 3 2.2 点云的转换和数据的分层处理 （1 1）将采集的点云数据进）将采集的点云数据进 行合并、拼接、删除噪音点、统行合并、拼接、删除噪音点、统 一采样和封装等处理后，得到一采样和封装等处理后，得到 STLSTLSTLSTL三维数据三维数据三维数据三维数据； （2 2）将）将STLSTL三维数据导入分三维数据导入分 层处理软件中，进行层处理软件中，进行制作方向设制作方向设制作方向设制作方向设 定定定定和和支撑设

5、计支撑设计支撑设计支撑设计; ; （3 3）对样件三维模型和支）对样件三维模型和支 撑结构进行分层处理，最终得到撑结构进行分层处理，最终得到 SLCSLC格式的分层切片文件。格式的分层切片文件。 基于基于MAGICSMAGICS的的 点云的处理过程点云的处理过程第二章第二章 光固化快速成型的工艺过程光固化快速成型的工艺过程华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩4 4 2.3 快速成型机的加工过程和后处理 快速成型加工样件时所采用的主要设备是快速成型加工样件时所采用的主要设备是激光快速激光快速激光快速激光快速成型机成型机成型机成型机，其原理是：激光光束按照，其原理是：激

6、光光束按照分层数据轮廓分层数据轮廓分层数据轮廓分层数据轮廓逐层扫逐层扫描并固化描并固化光敏树脂光敏树脂光敏树脂光敏树脂液面，结合制作平台的运动，堆积形液面，结合制作平台的运动，堆积形成样件实体。样件加工完毕后，需要手工去除支撑并打成样件实体。样件加工完毕后，需要手工去除支撑并打磨样件，即样件的后处理。磨样件，即样件的后处理。SPS600BSPS600B激光激光 快速成型机快速成型机第二章第二章 光固化快速成型的工艺过程光固化快速成型的工艺过程华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩5 5 第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化 在光固化快速成型工艺过程中，在

7、光固化快速成型工艺过程中，误差误差误差误差是时刻存在是时刻存在着的，另外，制作完成的产品样件也会由于各种因素着的，另外，制作完成的产品样件也会由于各种因素或多或少的存在着一些或多或少的存在着一些变形变形变形变形等质量问题，若不加以改等质量问题，若不加以改进，将导致样件达不到精度要求，甚至报废，严重影进，将导致样件达不到精度要求，甚至报废，严重影响到企业的响到企业的生产效率生产效率生产效率生产效率和和生产成本生产成本生产成本生产成本。因此，有必要找出。因此，有必要找出SLASLA工艺过程中存在的误差和各种对质量不利的因素，工艺过程中存在的误差和各种对质量不利的因素，对其进行分析并加以对其进行分析

8、并加以优化优化优化优化。第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩6 6 3.1 前期数据获取误差及其优化 3.1.1 结构光三维扫描法 （1 1）误差分析：着色显像剂喷涂的）误差分析：着色显像剂喷涂的均匀度均匀度均匀度均匀度以及以及厚厚厚厚度度度度、参照贴点的、参照贴点的疏密程度疏密程度疏密程度疏密程度、扫描仪距离被测零件的、扫描仪距离被测零件的距离距离距离距离和和角度角度角度角度、室内、室内光照光照光照光照环境以及扫描仪的环境以及扫描仪的振动振动振动振动都会影响到点都会影响到点云的质量。云的质量。 （2 2）优化方法：

9、）优化方法：均匀喷涂均匀喷涂均匀喷涂均匀喷涂着色显像剂、适当增多着色显像剂、适当增多复杂结构处的复杂结构处的参照贴点数量参照贴点数量参照贴点数量参照贴点数量、保持、保持等距离扫描等距离扫描等距离扫描等距离扫描、确保工、确保工作场所作场所无多余光照无多余光照无多余光照无多余光照且且无振动无振动无振动无振动。第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩7 7 3.1.2 STL三维数据转换 （1 1）误差分析：点云生成）误差分析：点云生成SLTSLT数据的过程中，若数据的过程中，若弦弦弦弦高高高高值设置过大，则曲面的特征将会受到

10、一定程度的损失。值设置过大，则曲面的特征将会受到一定程度的损失。 （2 2）优化方法：依据客户样件产品的实际需求，选）优化方法：依据客户样件产品的实际需求，选取取合理的弦高值合理的弦高值合理的弦高值合理的弦高值，从而减少软件处理的时间，提高效率。，从而减少软件处理的时间，提高效率。不同弦高值对不同弦高值对STLSTL三维数据表三维数据表面质量的影响面质量的影响第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩8 8 3.1.3 分层处理误差及优化 （1 1）分层处理误差包括台阶误差、分层厚度误差和）分层处理误差包括台阶误差、分层厚

11、度误差和Z Z向高度误差。向高度误差。 （2 2）优化方法：）优化方法： a.a.采用尽可能采用尽可能小的分层厚度小的分层厚度小的分层厚度小的分层厚度以确保样件的精度；以确保样件的精度； b.b.设置合理的制作方向，降低台阶效应；设置合理的制作方向，降低台阶效应； c.c.设置设置合理的分层厚度合理的分层厚度合理的分层厚度合理的分层厚度，减小或消除，减小或消除Z Z向高度误差。向高度误差。第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩9 9Z Z向高度误差向高度误差样件的分层处理误差样件的分层处理误差分层厚度误差分层厚度误差精

12、细结构缺失精细结构缺失实际要求之轮廓实际要求之轮廓分层制造的实际轮廓外形分层制造的实际轮廓外形 3.2 样件的制作方向和支撑结构的优化 3.2.1 3.2.1 样件制作方向样件制作方向 （1 1）优化制作方向的意义：）优化制作方向的意义： 制作方向直接关系到样件制作制作方向直接关系到样件制作 时的时的稳定性稳定性稳定性稳定性和精度。和精度。 （2 2） 优化方法：优化方法： 令样件的重心位置尽量靠令样件的重心位置尽量靠 近网孔板；使样件的各个表面近网孔板；使样件的各个表面 要尽量要尽量垂直或平行于垂直或平行于垂直或平行于垂直或平行于Z Z Z Z轴轴轴轴，降低，降低 台阶效应。台阶效应。第三章

13、第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1010样件制作方向的优化样件制作方向的优化 3.2.2 支撑结构 （1 1）优化支撑结构的意义：）优化支撑结构的意义：防止样件固化时的防止样件固化时的翘曲翘曲翘曲翘曲变形变形变形变形；能够使样件的制作过程更为稳定，合理的支撑结；能够使样件的制作过程更为稳定，合理的支撑结构还能减少光敏树脂的构还能减少光敏树脂的用量用量用量用量。 （2 2） 优化方法：优化方法： a.a.尽量减少支撑结构尽量减少支撑结构 ； b.b.选择合理支撑结构类型选择合理支撑结构类型 ； c.c.支撑应当便于去除支

14、撑应当便于去除 。第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1111样件的三维模型样件的三维模型样件的支撑结构样件的支撑结构支撑结构示意支撑结构示意 3.3 3.3 原材料、设备参数和后处理的优化原材料、设备参数和后处理的优化 3.3.1 3.3.1 光敏树脂的特性和优化光敏树脂的特性和优化 （1 1）光敏树脂的特性：）光敏树脂的特性： 光敏树脂能够在激光的照射光敏树脂能够在激光的照射 下将发生固化现象，其体积下将发生固化现象，其体积 将发生将发生收缩收缩收缩收缩。此外，固化后。此外，固化后 的光敏树脂浸泡在液态树脂的光敏

15、树脂浸泡在液态树脂 中将发生中将发生溶胀现象溶胀现象溶胀现象溶胀现象。 （2 2） 优化方法：优化方法： 在光敏树脂当中加入在光敏树脂当中加入 一定剂量的稀释剂和其他助一定剂量的稀释剂和其他助 剂，用以改善固化过程中的剂，用以改善固化过程中的 收缩现象。收缩现象。 第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1212收缩中心面收缩中心面收缩中心收缩中心收缩中心收缩中心单区域收缩和双区域收缩单区域收缩和双区域收缩 3.3.2 设备参数和后处理的优化 （1 1）激光功率、扫描速度、扫描间距和扫描方式）激光功率、扫描速度、扫描间距

16、和扫描方式均会对样件的质量产生影响。过高的扫描速度和过大均会对样件的质量产生影响。过高的扫描速度和过大的扫描间距，将导致样件固化不足，严重时的扫描间距，将导致样件固化不足，严重时无法成型无法成型无法成型无法成型；而过低的扫描速度和过小的扫描间距，则可能会产生而过低的扫描速度和过小的扫描间距，则可能会产生过固化现象过固化现象过固化现象过固化现象，导致样件翘曲变形。，导致样件翘曲变形。 （2 2）确保必要的）确保必要的加工环境加工环境加工环境加工环境：无紫外光源、无振动、：无紫外光源、无振动、保证合理的温度和湿度。保证合理的温度和湿度。 （3 3）后处理去除支撑结构时，要注意控制清洗时）后处理去除

17、支撑结构时，要注意控制清洗时间，避免乙醇侵入样件导致强度丧失。间，避免乙醇侵入样件导致强度丧失。 （4 4）二次固化时间不可过久，否则会导致样件变）二次固化时间不可过久，否则会导致样件变脆。脆。第三章第三章 成型工艺过程的优化成型工艺过程的优化华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1313第四章第四章 样件的优化流程次序样件的优化流程次序 制作样件时，工程技术人员应当结合制作样件时，工程技术人员应当结合实际需求实际需求实际需求实际需求，对制作过程中各个工艺指标的重要程度要有所区别，对制作过程中各个工艺指标的重要程度要有所区别，从而确定最佳的优化流程。也就是说要解决先先

18、优从而确定最佳的优化流程。也就是说要解决先先优化什么，后优化什么的问题。化什么，后优化什么的问题。制作稳定性的优化 样件精度 的优化制作时间 的优化支撑结构和体积的优化后处理的优化加工参数和设备的优化样件的优样件的优化流程图化流程图第四章第四章 样件的优化流程次序样件的优化流程次序华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1414 第五章第五章 结论和展望结论和展望 在光固化快速成型技术的发展过程中，进一步提在光固化快速成型技术的发展过程中，进一步提高设备的加工精度、缩短加工时间并节约原材料始终高设备的加工精度、缩短加工时间并节约原材料始终为其追求的目标。为其追求的目标。 除了对光固化快速成型的各个工艺除了对光固化快速成型的各个工艺环节进行优化以外，还需对影响样件质量的各个因素环节进行优化以外，还需对影响样件质量的各个因素之间的关系进行分析，求解出最优的工艺参数组合，之间的关系进行分析，求解出最优的工艺参数组合，这也是笔者下一步的研究方向。这也是笔者下一步的研究方向。第四章第四章 样件的优化流程次序样件的优化流程次序华北水利水电大学硕士学位论文答辩华北水利水电大学硕士学位论文答辩1515