快速成型第2章快速成型制造工藝

1、第2章快速成型制造工藝 快速成型制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，從1988年世界上第一臺(tái)快速成型機(jī)問(wèn)世以來(lái)，快速成型制造技術(shù)的工藝方法目前已有十余種。根據(jù)所使用的材料和建造技術(shù)的不同，目前應(yīng)用比較廣泛的方法有：采用光敏樹(shù)脂材料通過(guò)激光照射逐層固化的光固化成型法、采用紙材等薄層材料通過(guò)逐層粘接和激光切割的疊層實(shí)體制造法、采用粉狀材料通過(guò)激光選擇性燒結(jié)逐層固化的選擇性激光燒結(jié)法和熔融材料加熱熔化技?jí)簢娚淅鋮s成型的熔融沉積制造法等。21快速成型工藝過(guò)程及分類(lèi) 快速成型的制造方式是基于離散堆積原理的累加式成型，從成型原理上提出了一種全新的思維模式，即將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的零件三維模型，

2、表面三角化處理，存儲(chǔ)成阿STL文件格式，對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化或燒結(jié)或切割一層層的成型材料，形成各個(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成原型，如圖2-1所示。各種快速成型制造工藝的基本原理都是基于離散的增長(zhǎng)方式成型原型或制品。快速成型技術(shù)從廣義上講可以分成兩類(lèi)：材料累積和材料去除。但是，目前人們談及的快速成型制造方法通常指的是累積式的成型方法，而累積式的快速成型制造方法通常是依據(jù)原型使用的材料及其構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)的，如圖22所示。22光固化成型工藝 光固化成型工藝，也常被稱(chēng)為

3、立體光刻成型，英文名稱(chēng)為StereolithograPhy，簡(jiǎn)稱(chēng) SL，也有時(shí)被簡(jiǎn)稱(chēng)為 SLA（Stereo lithigraphy Apparatus）。該工藝是由 Charles W.Hull于 1984年獲得美國(guó)專(zhuān)利，是最早發(fā)展起來(lái)的快速成型技術(shù)。自從1988年美國(guó) 3D Systems公司最早推出 SLA250商品化快速成型機(jī)以來(lái)，SLA已成為目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型工藝方法。它以光敏樹(shù)脂為原料，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外激光使其逐層凝固成型。這種方法能簡(jiǎn)捷、全自動(dòng)地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀較復(fù)雜的原型。221光固化成型工藝的基本原理和特點(diǎn) 1光

4、固化成型工藝的基本原理 光固化成型工藝的成型過(guò)程如圖2-3所示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹(shù)脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)出的紫外激光束，在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，以使在原先固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，刮板將粘度較大的樹(shù)脂液面刮平，然后進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘接在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體原型。當(dāng)實(shí)體原型完成后，首先將實(shí)體取出，并將多余的樹(shù)脂排凈。之后去掉支撐，進(jìn)行清洗，然后再將實(shí)體原型放在紫外

5、激光下整體后固化。 因?yàn)闃?shù)脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速流平，這將會(huì)影響實(shí)體的精度。采用刮板刮切后，所需數(shù)量的樹(shù)脂便會(huì)被十分均勻地涂敷在上一疊層上，這樣經(jīng)過(guò)激光固化后可以得到較好的精度，使產(chǎn)品表面更加光滑和平整。 采用刮板結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助涂層的另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以解決殘留體積的問(wèn)題，殘留的多余樹(shù)脂如圖24所示。最新推出的光固化快速成型系統(tǒng)多采用吸附式涂層機(jī)構(gòu)，如圖2-5所示。吸附式涂層機(jī)構(gòu)在刮板靜止時(shí)，液態(tài)樹(shù)脂在表面張力作用下，吸附槽中充滿樹(shù)脂。當(dāng)刮板進(jìn)行涂刮運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸附槽中的樹(shù)脂會(huì)均勻涂敷到已固化的樹(shù)脂表面。此外，涂敷機(jī)構(gòu)中的前刃和后刃可以很好地消除樹(shù)脂表面因?yàn)楣ぷ髋_(tái)

6、升降等產(chǎn)生的氣泡。 2光固化成型工藝的特點(diǎn) 在當(dāng)前應(yīng)用較多的幾種快速成型工藝方法中，由于光固化成型具有制作原型表面質(zhì)量好，尺寸精度高以及能夠制造比較精細(xì)的結(jié)構(gòu)特征，因而應(yīng)用最為廣泛。 （1）光固化成型的優(yōu)點(diǎn)： l）成型過(guò)程自動(dòng)化程度高。SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開(kāi)始后，成型過(guò)程可以完全自動(dòng)化，直至原型制作完成。 2）尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到+ 0lmm 。 3）優(yōu)良的表面質(zhì)量。雖然在每層固化時(shí)側(cè)面及曲面可能出現(xiàn)臺(tái)階，但上表面仍可得到玻璃狀的效果。 4）可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、尺寸比較精細(xì)的模型。尤其是對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、一般切削刀具難以進(jìn)入的模型，能輕松地一次成型。 5）可以直接

7、制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型。 6）制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。 （2）光固化成型的缺點(diǎn)： 1）成型過(guò)程中伴隨著物理和化學(xué)變化，制件較易彎曲，需要支撐，否則會(huì)引起制件變形。 2）液態(tài)樹(shù)脂固化后的性能尚木如常用的工業(yè)塑料，一般較脆，易斷裂。 3）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高。由于液態(tài)樹(shù)脂材料和激光器的價(jià)格較高，并且為了使光學(xué)元件處于理想的工作狀態(tài)，需要進(jìn)行定期的調(diào)整和嚴(yán)格的空間環(huán)境，其費(fèi)用也比較高。 4）使用的材料種類(lèi)較少。目前可用的材料主要為感光性的液態(tài)樹(shù)脂材料，并且在大多數(shù)情況下，木能進(jìn)行抗力和熱量的測(cè)試。 5）液態(tài)樹(shù)脂有一定的氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā)生聚

8、合反應(yīng)，選擇時(shí)有局限性。6）在很多情況下，經(jīng)快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹(shù)脂并未完全被激光固化，為提高模型的使用性能和尺寸穩(wěn)定性，通常需要二次固化。222光固化成型的工藝過(guò)程 光固化成型的制作一般可以分為前處理、原型制作和后處理三個(gè)階段。 1前處理 前處理階段主要是對(duì)原型的CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、確定擺放方位、施加支撐和切片分層，實(shí)際上就是為原型的制作準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。下面以某一小手柄為例來(lái)介紹光固化快速成型的前處理（圖2-6）。 （ 1） CAD三維造型。三維實(shí)體造型是 CAD模型的最好表示，也是快速成型制作必需的原始數(shù)據(jù)源。沒(méi)有CAD三維數(shù)字模型，就無(wú)法驅(qū)動(dòng)模型的快速成型制作。CAD模型的三維造型可

9、以在 UG、ProE、Chtia等大型 CAD軟件以及許多小型的CAD軟件上實(shí)現(xiàn)，圖 2-6a給出的是小手柄在 UGNX20上的三維原始模型。 （ 2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是對(duì)產(chǎn)品 CAD模型的近似處理，主要是生成STL格式的數(shù)據(jù)文件。STI。數(shù)據(jù)處理實(shí)際上就是采用若干小三角形片來(lái)逼近模型的外表面，STI。數(shù)據(jù)模型如圖26b所示。這一階段需要注意的是STI。文件生成的精度控制。目前，通用的 CAD三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)都有 STI一數(shù)據(jù)的輸出。 （3）確定擺放方位。擺放方位的處理是十分重要的，不但影響著制作時(shí)間和效率，更影響著后續(xù)支撐的施加以及原型的表面質(zhì)量等，因此，擺放方位的確定需要綜合考慮上述各種

10、因素。一般情況下，從縮短原型制作時(shí)間和提高制作效率來(lái)看，應(yīng)該選擇尺寸最小的方向作為疊層方向。但是，有時(shí)為了提高原型制作質(zhì)量以及提高某些關(guān)鍵尺寸和形狀的精度，需要將較大的尺寸方向作為疊層方向擺放。有時(shí)為了減少支撐量，以節(jié)省材料及方便后處理，也經(jīng)常采用傾斜擺放。確定擺放方位以及后續(xù)的施加支撐和切片處理等都是在分層軟件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的。 對(duì)于小手柄，由于其尺寸較小，為了保證軸部外徑尺寸以及軸部?jī)?nèi)孔尺寸的精度，選擇直立擺放，如圖26C所示。同時(shí)考慮到盡可能減小支撐的批次，大端朝下擺放。 （4）施加支撐。擺放方位確定后，便可以施加支撐了。施加支撐是光固化快速成型制作前處理階段的重要工作。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)模

11、型，施加支撐是費(fèi)時(shí)而精細(xì)的。支撐施加得好壞直接影響著原型制作的成功與否及制作的質(zhì)量。施加支撐可以手工進(jìn)行，也可以軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。軟件自動(dòng)施加支撐一般都要經(jīng)過(guò)人工的核查，進(jìn)行必要的修改和刪減。為了便于在后續(xù)處理中支撐的去除及獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，目前，比較先進(jìn)的支撐類(lèi)型為點(diǎn)支撐，即支撐與需要支撐的模型面是點(diǎn)接觸。圖26d示意的支撐結(jié)構(gòu)就是點(diǎn)支撐。 （5）切片分層。支撐施加完畢后，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)定的分層厚度沿著高度方向進(jìn)行切片，生成RP系統(tǒng)需要的SI。C格式的層片數(shù)據(jù)文件，提供給光固化快速成型制作系統(tǒng)，進(jìn)行原型制作。圖27給出的是該手柄的光固化原型。 2原型制作 光固化成型過(guò)程是在專(zhuān)用的光固化快速成型

12、設(shè)備系統(tǒng)上進(jìn)行。在原型制作前，需要提前啟動(dòng)光固化快速成型設(shè)備系統(tǒng)，使得樹(shù)脂材料的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的合理溫度，激光器點(diǎn)燃后也需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，啟動(dòng)原型制作控制軟件，讀入前處理生成的層片數(shù)據(jù)文件。一般來(lái)說(shuō)，疊層制作控制軟件對(duì)成型工藝參數(shù)都有默認(rèn)的設(shè)置，不需要每次在原型制作時(shí)都進(jìn)行調(diào)整，只是在固化特殊的結(jié)構(gòu)以及激光能量有較大變化時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，在模型制作之前，要注意調(diào)整工作臺(tái)網(wǎng)板的零位與樹(shù)脂液面的位置關(guān)系，以確保支撐與工作臺(tái)網(wǎng)板的穩(wěn)固連接。當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后，就可以啟動(dòng)疊層制作了。整個(gè)疊層的光固化過(guò)程都是在軟件系統(tǒng)的控制下自動(dòng)完成的所有疊層制作完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)停止。圖28給出的

13、是SPS600光固化成型設(shè)備在進(jìn)行光固化疊層制作時(shí)的控制軟件界面。界面顯示了激光能源的某些信息、激光掃描速度、原型幾何尺寸、總的疊層數(shù)、目前正在固化的疊層、工作臺(tái)升降速度等有關(guān)信息。 3后處理 光固化成型的后處理主要包括原型的清理、去除支撐、后固化以及必要的打磨等工作。下面以某一SLA 原型為例給出其后處理過(guò)程（圖2-9）。 1）原型疊層制作結(jié)束后，工作臺(tái)升出液面，停留 510min，以晾干滯留在原型表面的樹(shù)脂和排除包裹在原型內(nèi)部多余的樹(shù)脂，如圖29a所示。 2）將原型和工作臺(tái)網(wǎng)板起斜放晾干，并將其浸入雨酮、酒精等清洗液體中，攪動(dòng)并刷掉殘留的氣泡，如圖29b所示。如果網(wǎng)板是固定于設(shè)備工作臺(tái)上的

14、，直接用鏟刀將原型從網(wǎng)板上取下進(jìn)行清洗，如圖2干C所示。 3）原型清洗完畢后，去除支撐結(jié)構(gòu)，即將圖29C中原型底部及中空部分的支撐去除干凈。去除支撐時(shí)，應(yīng)注意不要到傷原型表面和精細(xì)結(jié)構(gòu)。 4）再次清洗后置于紫外烘箱中進(jìn)行整體后固化，如圖29d所示。對(duì)于有些性能要求不高的原型，可以不做后固化處理。223光固化成型的激光掃描方法 由于激光束的照射使得液態(tài)光敏樹(shù)脂的聚合反應(yīng)發(fā)生在液體的表面，其固化的區(qū)域可以用水平方向上的線寬和垂直方向上的已成型深度來(lái)表示。目前，激光束固化光敏樹(shù)脂常用的三種方法是 ACESTM、 STARWEAVETM和 QuickCastTM。 當(dāng)采用ACESTM方法時(shí)，實(shí)體的內(nèi)部

15、在激光束的作用下將完全固化，如圖2-9d所示。發(fā)生反應(yīng)的樹(shù)脂相當(dāng)于一半線寬的間距。由于間距都相等，所以所固化的樹(shù)脂將受到同等累積的紫外激光束的照射并向下形成平直的表面。這種方法只適用于聚合時(shí)不收縮的環(huán)氧樹(shù)脂，否則在成型時(shí)將會(huì)發(fā)生變形。 和其他兩種常用的方法相比，ACESTM方法是低變形樹(shù)脂材料固化成型中精度最高的。盡管其掃描時(shí)間是三種方法中最長(zhǎng)的，但該方法廣泛應(yīng)用于高精度原型的制作。 STARWEAVETM方法則依據(jù)一系列在原型內(nèi)部的柵格為所固化的原型提供了較高的尺寸穩(wěn)定性，這些柵格是在每隔一層成型時(shí)在每半個(gè)間距中產(chǎn)生的，如圖211所示。柵格的末端并不接觸到實(shí)體的邊緣，這樣可以減少實(shí)體的完全變

16、形。而且，為了便變形更小，棚路線不能相交；但是為了提高實(shí)體的強(qiáng)度，柵格線將盡可能地接近。這種方法適用于聚合時(shí)收縮率較高的丙烯酸樹(shù)脂，同時(shí)由于它的掃描時(shí)間較短，也適用于環(huán)氧樹(shù)脂材料。 QuickCastTM方法主要用于中空的鑄件模型制造中。在成型過(guò)程中，每層的外輪廓在內(nèi)部固化之前先被掃描，并且正方形（ QuickCastTM Versionl1）或等邊三角形（QuickCastTM Versionl0）填充在實(shí)體中，它們?cè)诖怪狈较蛏弦砸欢ǖ木嚯x子行，以便于多余樹(shù)脂的排出。三角形的平移如圖2刁2所示，應(yīng)確保每個(gè)三角形面的頂點(diǎn)位于前一層三角形質(zhì)心的上方而正方形的平移則按間距的一半距離進(jìn)行偏離。 由于

17、正方形的內(nèi)角比三角形大，樹(shù)脂的月形液面更小，便于排出多余的樹(shù)脂。因?yàn)镼uckCastTM方法生成的原型具有較大的表面，以及樹(shù)脂是吸濕性的，所以為了避免因吸濕而產(chǎn)生變形，原型應(yīng)該盡可能快地移到可以控制濕度的地方。224光固化成型的支撐結(jié)構(gòu) 在成型過(guò)程中，由于未被激光束照射的部分材料仍為液態(tài)，它不能使制件截面上的孤立輪廓和懸臂輪廓定位。囚此必須設(shè)計(jì)一些細(xì)往狀或肋狀支撐結(jié)構(gòu)（如圖2-13所示），并在成型過(guò)程中制作這些支撐結(jié)構(gòu)，以便確保制件的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠固定，同時(shí)也有助于減少制件的翹曲變形。從圖213還可見(jiàn)，在模型的底部也設(shè)計(jì)和制作了支撐結(jié)構(gòu)，這是為了成型完畢后能方便地從工作臺(tái)上取下模型，而不

18、會(huì)使模型損壞。成型過(guò)程完成后，應(yīng)小心地除去上述支撐結(jié)構(gòu)，從而得到最終所需的模型。圖214所示為常見(jiàn)的支撐結(jié)構(gòu)。其中，斜支撐（圖214a）主要用于支撐懸臂結(jié)構(gòu)部分，它在成型過(guò)程中為懸臂提供支承，同時(shí)也約束懸臂的翹曲變形；直支撐（圖214b）主要用于支承腿部結(jié)構(gòu)；腹板（圖214C）主要用于大面積的內(nèi)部支承；十字壁板（圖2-14d）主要用于孤立結(jié)構(gòu)部分的支撐。 在常用的幾種快速成型方法中，熔融沉積成型方法也需要在原型的制作過(guò)程中施加支撐結(jié)構(gòu)。225光固化成型的收縮變形 1樹(shù)脂收縮原因 樹(shù)脂在固化過(guò)程中都會(huì)發(fā)生收縮，通常其體收縮率約為10，錢(qián)收縮率約為3。從分子學(xué)角度講，光敏樹(shù)脂的固化過(guò)程是從短的小分

19、子體向長(zhǎng)鏈大分子聚合體轉(zhuǎn)變的過(guò)程，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，因此，固化過(guò)程中的收縮是必然的。樹(shù)脂的收縮主要由兩部分組成，一部分是固化收縮；另外一部分是當(dāng)激光掃描到液體樹(shù)脂表面時(shí)，由于溫度變化引起的熱脹冷縮。常用樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)為10-4左右，同時(shí)，溫度升高的區(qū)域面積很小，因此溫度變化引起的收縮量極小，可以忽略不計(jì)。而光固化樹(shù)脂在光固化過(guò)程所產(chǎn)生的體積收縮對(duì)零件精度（包括形狀精度和尺寸精度）的影響是不可忽視的。從高分子物理學(xué)方面來(lái)解釋?zhuān)a(chǎn)生這種體積收縮的一個(gè)重要原因是，處于液體狀態(tài)的小分子之間為范德華作用力距離，而固體態(tài)的聚合物，其結(jié)構(gòu)單元之間處于共價(jià)鍵距離，共價(jià)鍵距離遠(yuǎn)小于范德華力的距離，所以液

20、態(tài)須聚物固化變成固態(tài)聚合物時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致零件的體積收縮。由上所述，無(wú)論從高分子物理還是從高分子化學(xué)角度分析，樹(shù)脂收縮都是由于聚合反應(yīng)時(shí)分子結(jié)構(gòu)的變化而引起，是一個(gè)內(nèi)部過(guò)程。 2零件成型過(guò)程中樹(shù)脂收縮產(chǎn)生的變形 在零件成型過(guò)程中，被激光掃描到的樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為固體，分子間距縮小，必然發(fā)生收縮，這種收縮由樹(shù)脂的固有特性決定，有時(shí)是非常明顯的。按照某一給定長(zhǎng)度掃描一條線，其最終固化長(zhǎng)度必小于給定長(zhǎng)度。在收縮率不變的情況下，掃描線越長(zhǎng)，絕對(duì)收縮量越大。這種材料累加成型方式要求零件層與層之間必須固化連接，當(dāng)掃描至某一層時(shí)，該層產(chǎn)生固化收縮，此時(shí)這一層與其下已固化層之間的連接，導(dǎo)致前一固化層受到一

21、向上拉的力矩作用，極易發(fā)生高出該層所在平面的翹曲變形現(xiàn)象。典型的有懸臂梁翹曲，其發(fā)生翹曲變形過(guò)程時(shí)，零件的懸臂端最初生于液體樹(shù)脂之上，因其底部沒(méi)有支撐，故在固化過(guò)程中不受約束力作用，不表現(xiàn)出翹曲現(xiàn)象，當(dāng)掃描速度比較高時(shí)，這一層反而有輕微下彎趨勢(shì)。隨后當(dāng)累加層累加于其上時(shí)，開(kāi)始受到前面固化層的約束作用，在收縮時(shí)對(duì)前一固化層產(chǎn)生一向上的拉應(yīng)力作用，從而表現(xiàn)為翹曲變形。在一般情況下，不管成型件中有無(wú)懸臂梁存在，導(dǎo)致翹曲變形的翹曲力都會(huì)存在，最終表現(xiàn)為翹曲行為。零件幾何形狀不同，樹(shù)脂固化時(shí)的絕對(duì)收縮量和零件內(nèi)部各部分的應(yīng)力分布不同，由此引起的變形也各不相同。此外，還有可能出現(xiàn)與輔助動(dòng)作（如刮平）和樹(shù)脂

22、性能有關(guān)的表面不平（凸出或凹陷）現(xiàn)象，影響零件表面精度。 3零件后固化時(shí)收縮產(chǎn)生的變形 盡管樹(shù)脂在激光掃描過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生聚合反應(yīng)，但只是完成部分聚合作用，零件中還有部分處于液態(tài)的殘余樹(shù)脂未固化或未完全固化，零件的部分強(qiáng)度也是在后固化過(guò)程中獲得的，因此，后固化處理對(duì)完成零件內(nèi)部樹(shù)脂的聚合，提高零件最終力學(xué)性能是必不可少的。后固化時(shí)，零件內(nèi)未固化樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng)，體積收縮也引起均勻或不均勻形變。與掃描過(guò)程中變形不同的是，由于完成掃描之后的零件是由一定間距的層內(nèi)掃描線相互粘接的薄層疊加而成，線與線之間、面與面之間既有未固化的樹(shù)脂，相互之間又存在收縮應(yīng)力和約束，以及從加工溫度（一般高于室溫）冷卻到室溫

23、引起的溫度應(yīng)力，這些因素都使固化部分對(duì)未固化樹(shù)脂的后固化產(chǎn)生約束，因此，零件在后固化過(guò)程中也要產(chǎn)生變形。后固化的變形特點(diǎn)如下： 1）后固化收縮非常不均勻，且隨著掃描長(zhǎng)度增加而增加，其原因是隨著掃描長(zhǎng)度增加，其內(nèi)部包含的本固化樹(shù)脂量增加，放收縮量增加。 2）后固化收縮隨掃描路徑的不同而有極大差異，其差異主要取決于末固化樹(shù)脂在零件中存在的數(shù)量和方式，當(dāng)然與樹(shù)脂本身的收縮特性也有很大關(guān)系。所以零件成型時(shí)掃描路徑的選擇是非常重要的。 3）后固化收縮量占總收縮量的2540左右，所以為保持零件最終尺寸穩(wěn)定性，后固化是非常必要的。2. 2 6光固化成型的精度及控制 光固化快速成型技術(shù)發(fā)展到今天，光固化原型的

24、精度一直是人們持續(xù)需要解決的難題。原型的精度一般包括形位精度、尺寸精度和表面精度。形狀誤差主要有：翹曲變形、扭曲變形、圓度誤差及局部缺陷等；尺寸誤差是指成型件與CAD模型相比，在 X、y、Z三個(gè)方向上的尺寸相差值；表面精度主要包括由疊層累加產(chǎn)生的臺(tái)階誤差及表面粗糙度等。 影響光固化成型精度的因素很多，包括成型前和成型過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理、成型過(guò)程中光敏樹(shù)脂的固化收縮、光學(xué)系統(tǒng)及激光掃描方式等。按照成型機(jī)的成型工藝過(guò)程，可以將產(chǎn)生成型誤差的因素按圖2-15所示分類(lèi)。下面對(duì)各主要影響因素及相對(duì)應(yīng)的控制措施敘述如下： 1幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差 在成型過(guò)程開(kāi)始前，必須對(duì)實(shí)體的三維CAD模型進(jìn)行STLI 格

25、式化及切片分層處理，以便得到加工所需的一系列的截面輪廓信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)帶來(lái)誤差。 STL 文件的數(shù)據(jù)格式是“棋盤(pán)狀”的數(shù)據(jù)格式，它采用大量小三角形面片來(lái)近似逼近實(shí)際模型的表面。圖2-16為一圓柱體和圓球的STL 格式。從本質(zhì)上講，小三角形面片不可能完全表達(dá)實(shí)際表面信息，不可避免地會(huì)產(chǎn)生弦差，導(dǎo)致截面輪廓線誤差，如圖217 所示?？梢?jiàn)，如果小三角形面片過(guò)少，就會(huì)造成成型件的形狀、尺寸精度無(wú)法滿足要求。但如果減小弦差值以增加小三角形面片的數(shù)量，STI。文件占用的空間量又太大，可能會(huì)超出快速成型系統(tǒng)所能接受的范圍，所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)整STL格式的轉(zhuǎn)化精度。 3D Systems公司于 1992年開(kāi)

26、發(fā)了SLC數(shù)據(jù)格式，有效消除了由原始數(shù)據(jù)模型進(jìn)行STL 格式轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的問(wèn)題，減小了STL 格式化帶來(lái)的誤差。為減小幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差，較好的辦法是開(kāi)發(fā)對(duì)CAD實(shí)體模型進(jìn)行直接分層的方法。在商用軟件中， ProE具有對(duì)實(shí)體的三維 CAD模型直接分層的功能，如圖218所示。 在進(jìn)行切片處理時(shí)，因?yàn)榍衅穸炔豢赡芴?，因而在成型工件表面?huì)形成“臺(tái)階效應(yīng)”，還可能遺失切片層間的微小特征結(jié)構(gòu)（如凹坑等），形成誤差。切片層厚度越小，誤差越小，但層厚過(guò)小會(huì)增加切片層的數(shù)量，如圖219所示，致使數(shù)據(jù)處理龐大，增加了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。 切層的厚度直接影響成型件的表面粗糙度，軸向切片的精度及成型時(shí)間，是光固化

27、成型工藝中最主要的控制參數(shù)之一，因此，必須仔細(xì)選擇切層厚度。有關(guān)學(xué)者采用不同算法進(jìn)行了自適應(yīng)分層方法的研究，即在分層方向上，根據(jù)零件輪廓的表面形狀，自動(dòng)地改變分層厚度，以滿足零件表面精度的要求，當(dāng)零件表面傾斜度較大時(shí)，選取較小的分層厚度，以提高原型的成型精度；反之則選取較大的分層厚度，以提高加工效率。自適應(yīng)分層如圖2-20所示。 2成型過(guò)程中材料的固化收縮引起的翹曲變形 光固化成型工藝中，液態(tài)光敏樹(shù)脂在固化過(guò)程中都會(huì)發(fā)生收縮。這是因?yàn)橐簯B(tài)光敏樹(shù)脂在激光束的照射下發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，聚合后的結(jié)構(gòu)單元的共價(jià)鍵距離小于液態(tài)時(shí)的范德華力作用距離，導(dǎo)致聚合過(guò)程產(chǎn)生體積收縮。收縮會(huì)在工件

28、內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。沿層厚從正在固化的層表面向下，隨固化程度不同，層內(nèi)應(yīng)力呈梯度分布。在層與層之間，新固化層收縮時(shí)要受到層間粘合力限制。層內(nèi)應(yīng)力和層間應(yīng)力的合力作用，致使工件產(chǎn)生翹曲變形。 對(duì)于因材料固化收縮而帶來(lái)的翹曲變形，可以通過(guò)改進(jìn)材料配方的方法（如在收縮性樹(shù)脂中加入適量的膨脹型單體），來(lái)控制光固化過(guò)程中產(chǎn)生的體積收縮。現(xiàn)在越來(lái)越多的 SLA工藝應(yīng)用商使用陽(yáng)離子型光固化樹(shù)脂（目前常用的陽(yáng)離子型齊聚物是環(huán)氧化合物和乙烯基醚），它與自由基型光固化樹(shù)脂（主要以環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙稀酸酯和乙氧化-雙酚A丙稀酸酯作為齊聚物）相比，固化收縮率小，從而提高了成型精度。此外，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)體積收縮進(jìn)行補(bǔ)償也

29、是有效的方法。 3樹(shù)脂涂層厚度對(duì)精度的影響 光固化成型是一種逐層累加的加工方法，一層液態(tài)樹(shù)脂固化后，需要在已固化層表面涂上一層均勻厚度的液態(tài)樹(shù)脂，使成型過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。樹(shù)脂涂層厚度是影響光固化成型精度的關(guān)鍵因素之一。 在成型過(guò)程中要保證每一層鋪涂的樹(shù)脂厚度一致。當(dāng)聚合深度小于層厚時(shí)，層與層之間將粘合不好，甚至?xí)l(fā)生分層；如果聚合深度大于層厚時(shí)，將引起過(guò)固化而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，引起翹曲變形，影響成型精度。在掃描面積相等的條件下，固化層越厚，則固化的體積越大，層間產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，敢為了減小層間應(yīng)力，就應(yīng)該盡可能地減小單層固化深度，以減小固化體積。為了達(dá)到這個(gè)目的，Jacobs等人提出了“二次曝光

30、潔”?！岸纹毓夥ā笔歉鶕?jù)曝光等效原理提出的：多次反復(fù)曝光后的固化深度與以多次曝光量之和進(jìn)行一次曝光的固化深度是等效的。針對(duì)二次曝光法存在的層間漂移缺陷，進(jìn)一步提出了“改進(jìn)的二次曝光法”。 減小涂層厚度，提高Z向運(yùn)動(dòng)精度，也可以提高成型精度?，F(xiàn)有的成型機(jī)，層厚的選擇范圍受涂層系統(tǒng)的限制，一般采用浸沒(méi)式和真空吸附式涂層系統(tǒng)。浸沒(méi)式和真空吸附式涂層系統(tǒng)均為自由液面式涂層系統(tǒng)，受液體樹(shù)脂粘度的影響較大，很難獲得很薄的涂層。近期研究提出的約束液面方式，可獲得均勻一致的小涂層厚度，節(jié)省等待樹(shù)脂流平時(shí)間，且不需要刻意降低樹(shù)脂粘度。 4光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成型精度的影響 在光固化成型過(guò)程中，成型用的光點(diǎn)是一個(gè)具有一定

31、直徑的光斑，因此實(shí)際得到的制件是光斑運(yùn)行路徑上一系列團(tuán)化點(diǎn)的包絡(luò)線形狀。如果光斑直徑過(guò)大，有時(shí)會(huì)丟失較小尺寸的零件細(xì)微特征，如在進(jìn)行輪廓拐角掃描時(shí)，拐角特征很難成型出來(lái)，如圖 221所示。聚焦到液面的光斑直徑大小以及光斑形狀會(huì)才直接影響加工分辨率和成型精度。目前SLA系統(tǒng)的光源大多采用多模激光器，一般為HeCd激光器和固體激光器，其光斑直徑和發(fā)散角都較大，直接導(dǎo)致了成型精度的降低。為此，可采用單模激光圖221輪廓拐角處的掃描器取代多模激光器。單模激光器光束成像質(zhì)量好、邊界清晰，光斑直徑小，可聚焦到隊(duì)0.01mm之內(nèi)。 在 SLA系統(tǒng)中，掃描器件采用雙振鏡模塊（圖222中 A和 B）。設(shè)置在激光

32、束的匯聚光路中，由于雙振鏡在光路中前后布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成掃描軌跡在X軸向的“枕形”畸變。當(dāng)掃描正方形圖形時(shí)，掃描軌跡并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正方形，而是出現(xiàn)圖223中所示的“枕形”畸變?！罢硇巍被兛梢酝ㄟ^(guò)軟件校正。 雙振鏡掃描的另一個(gè)缺陷是，光斑掃描軌跡構(gòu)成的像場(chǎng)是球面，與工作面不重合，產(chǎn)生聚焦誤差或Z細(xì)誤差。掃描范圍越大，上述現(xiàn)象越嚴(yán)重，對(duì)加工質(zhì)量的影響也越大。聚焦誤差可以通過(guò)動(dòng)態(tài)聚焦模塊得到校正。動(dòng)態(tài)聚焦模塊可在振鏡掃描過(guò)程中同步改變模塊焦距，調(diào)整焦距位置，實(shí)現(xiàn)Z輪方向掃描，與漢振鏡構(gòu)成一個(gè)三維掃描系統(tǒng)。聚焦誤差也可以用透鏡前掃描和則透鏡（其結(jié)構(gòu)形式常有單塊非球面透鏡和雙透鏡兩種形式）進(jìn)行校正。

33、掃描器位于透鏡之前，激光束掃描后射在聚焦透鏡的木同部位，并在其焦平面上形成直線軌跡與工作平面重合，如圖224所示。這樣可以保證激光聚焦焦點(diǎn)在光敏樹(shù)脂液面上，使達(dá)到光敏樹(shù)脂液面的激光光斑直徑小，五光斑大小不變。 5激光掃描方式對(duì)成型精度的影響 掃描方式與成型工件的內(nèi)應(yīng)力有密切關(guān)系，合適的掃描方式可減少零件的收縮量，避免翹曲和扭曲變形，提高成型精度。 SLA工藝 型時(shí)多采用方向平行路徑進(jìn)行實(shí)體填充，即每一段填充路徑均互相平行，在邊界線內(nèi)順序往復(fù)掃描進(jìn)行填充（也稱(chēng)為Z字形（Zig-Zag）或光柵式掃描方式），如圖225a所示。但在掃描一行的過(guò)程中，掃描線經(jīng)過(guò)型腔時(shí)，掃描器以跨越速度快速跨過(guò)。這種掃描

34、方式，需頻繁跨越型腔部分，一方面空行程太多，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“拉絲”現(xiàn)象（空行程中樹(shù)脂感光固化成絲狀）；另一方面掃描系統(tǒng)頻繁地在填充速度和快進(jìn)速度之間變換，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，激光器要頻繁進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，降低了加工效率。 圖225b中采用分區(qū)掃描方式，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)采用連貫的Zig-Zag掃描方式，激光器掃描至邊界即回折反向填充同一區(qū)域，并不跨越型腔部分；只有從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)區(qū)域時(shí)，才快速跨越。這種掃描方式可以省去激光開(kāi)關(guān)，提高成型效率，并且由于采用分區(qū)后分散了收縮應(yīng)力，減小了收縮變形，提高了成型精度。 跳躍光柵式掃描又可分為長(zhǎng)光柵式掃描和短光柵式掃描（圖2-26）。應(yīng)用模擬和試驗(yàn)的方法掃

35、描加工懸臂粱，結(jié)果表明，與長(zhǎng)光柵式掃描相比較，采用短光柵式掃描更能減小扭曲變形。采用跳躍光柵式掃描方式能有效地提高成型精度，因?yàn)樘S光柵式掃描方式可以使已固化區(qū)域有更多的冷卻時(shí)間，從而減小了熱應(yīng)力。 對(duì)掃描方式的研究表明，在對(duì)平板類(lèi)零件進(jìn)行掃描時(shí)宜采用螺旋式掃描方式，如圖227所示，且從外向內(nèi)的掃描方式比從內(nèi)向外的掃描方式加工生產(chǎn)的零件精度高。 光固化快速成型工藝有著自身的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景，精度問(wèn)題是衡量光固化成型工藝的一個(gè)重要指標(biāo)，也是人們極為關(guān)注的問(wèn)題。光固化成型工藝涉及許多學(xué)科的知識(shí)，影響其精度的因素很多，為了進(jìn)一步提高精度，不能片面地只針對(duì)某一因素而忽略其池的影響因素，要綜合考慮各因素的

36、共同影響。光固化過(guò)程行為十分復(fù)雜，要對(duì)激光固化過(guò)程有一個(gè)本質(zhì)認(rèn)識(shí)。為提高其精度，可通過(guò)提高數(shù)據(jù)處理精度，研究開(kāi)發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片方法，減少數(shù)據(jù)處理量以及由STI。格式轉(zhuǎn)換過(guò)程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真。光敏材料固化收縮是影響其精度的一個(gè)主要因素，要加大對(duì)材料的研制開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)材料的改性處理來(lái)提高制件的物理性能、力學(xué)性能和精度。在制件加工之前，可通過(guò)模擬系統(tǒng)，建立過(guò)程模型，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，找到最優(yōu)的工藝參數(shù)以提高零件精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)深入研究成型工藝，使成型工藝過(guò)程不斷成熟，工藝參數(shù)得到優(yōu)化，并從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到提高零件精度的目的。在光固化成型工藝中，成型精度固

37、然重要，但是在重視精度的同時(shí)不能忽略制造周期、成型效率、制件性能、成本等一系列至關(guān)重要的問(wèn)題，只有在不斷減少成型時(shí)間和生產(chǎn)成本的同時(shí)，制造出高精度的優(yōu)質(zhì)零件，才能使光固化成型工藝的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性更具有吸引力，以達(dá)到發(fā)揮光固化成型工藝快速、高效、高精度、低成本的優(yōu)勢(shì)。 6光斑直徑大小對(duì)成型尺寸的影響 在光固化成型中，圓形光斑有一定直徑，固化的線寬等于在該掃描速度下實(shí)際光斑的直徑大小。如果不采用補(bǔ)償，光斑尺寸反掃描路徑對(duì)制件輪廓尺寸的影響如圖228所示。成型的零件實(shí)體部分外輪廓周邊尺寸大了一個(gè)光斑半徑，而內(nèi)輪廓周邊尺寸小了一個(gè)光斑半徑，結(jié)果導(dǎo)致零件的實(shí)體尺寸大了一個(gè)光斑直徑，使零件出現(xiàn)正偏差。為了

38、減小或消除實(shí)體尺寸的正偏差，通常采用光斑補(bǔ)償方法，使光斑掃描路徑向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個(gè)光斑半徑。從理論上說(shuō)，光斑掃描按照向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個(gè)光斑半徑的路徑掃描，所得零件的長(zhǎng)度尺寸誤差為零。 設(shè)零件理論長(zhǎng)度為L(zhǎng)，零件誤差為，光斑補(bǔ)償直徑為D1， 實(shí)際光斑直徑為D0，則有：L十= LD0D1，即D0= 十D1?？梢?jiàn)，實(shí)際光斑直徑大小等于所設(shè)定的補(bǔ)償直徑加上誤差值。也就是說(shuō)，若制件尺寸誤差為正偏差，需要光斑補(bǔ)償直徑加上偏差值，光斑補(bǔ)償直徑變大；若誤差為負(fù)偏差，要將光斑補(bǔ)償直徑減去偏差的絕對(duì)值，光斑補(bǔ)償直徑變小。 可以通過(guò)調(diào)整光斑補(bǔ)償值的大小，修正制件的誤差大小。光斑補(bǔ)償值可根據(jù)尺寸誤差情況設(shè)置，范圍在01

39、03mm之間。制件尺寸誤差為正偏差，光斑補(bǔ)償直徑設(shè)置大一些；誤差為負(fù)偏差，光斑補(bǔ)償直徑設(shè)置小一些。 7激光功率、掃描速度、掃描間距產(chǎn)生的誤差 光固化快速成型過(guò)程是一個(gè)“線一面一體”的材料累積過(guò)程，為了分析掃描過(guò)程工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描間距）產(chǎn)生的誤差，首先對(duì)掃描固化過(guò)程進(jìn)行理論分析，進(jìn)而找出各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)掃描過(guò)程的影響。 (1）單線掃描固化理論分析。單線的掃描固化是成型的基本單位，所以研究單線掃描固化特性對(duì)于成型零件的特性具有重要的意義。經(jīng)測(cè)試表明，激光光束能量徑向分布為高斯分布。式中 PL-紫外光束的功率； W0光斑半徑； VS掃描速度。 掃描固化線條的輪廓線為拋物線，用公式表示

40、為 依據(jù)式（22），在掃描參數(shù)已知的條件下，可以得知掃描固化線條的理論輪廓線。例如，當(dāng) Wn=005mm、 Dp=016mm、 PL=300mW、 VS=3500mms時(shí)，光固化線條如圖229所示。 在光斑的中心處具有最大的固化深度，此時(shí)，h0，得到由上式可知，PL/Vs的比值決定了最大固化深度Zmax。 圖2-30所示為美國(guó)DSM公司開(kāi)發(fā)的面向光固化快速原型制作的SO-MOS111120樹(shù)脂PL/Vs的比值與最大固化深度的關(guān)系曲線（樹(shù)脂臨界曝光量Ec= 115mJCm2 、透射深度Dp= 016mm、光斑半徑W0=0 05mm）。在樹(shù)脂的液面上，具有最大的固化寬度，此時(shí)，Z=0，得到 圖23

41、1所示為美國(guó)DSM公司開(kāi)發(fā)的面向光固化快速原型制作的SOMOS1ll20樹(shù)脂PLVS的比值與最大固化寬度的關(guān)系曲線（樹(shù)脂臨界曝光量EC=11smjcm2 、透射深度Dp= 016mm、光斑半徑W。= 005mm）。 單線掃描固化主要針對(duì)的是制件的輪廓線，通過(guò)單線掃描固化分析，可知： 1）單線掃描時(shí)的固化深度同激光功率與掃描速度的比值（ PL Vs）成正比。 2）在激光能量、掃描速度、光斑直徑、材料參數(shù)已知的條件下，可以計(jì)算出固化線條截面的贓物線形狀，以及固化線條的最大固化深度和最大固化寬度。 固化成型線條截面形狀，與理論掃描線條的截面形狀相比較，存在一定差別，主要原因?yàn)椋旱谝?，光斑束的照射方?/p>

42、并非垂直于樹(shù)脂表面，而是以光錐形式投射的；第二，經(jīng)光纖耦合柔性傳輸并聚焦于樹(shù)脂表面的光斑能量分布并非均勻，而是呈高斯型或準(zhǔn)高斯型；第三，理想聚焦光斑不可能剛好與液面相重合，由于光斑瞄準(zhǔn)是手動(dòng)的，這一離散對(duì)準(zhǔn)誤差相對(duì)較大，使得光斑的投射方向或是聚焦投射，或是發(fā)散投射。由此，造成了理論截面與實(shí)際截面在形狀上的一定差別。 (2）平面掃描特性理論分析。平面掃描就是用多條掃描線對(duì)一個(gè)截面進(jìn)行掃描固化，當(dāng)掃描線的間距HS小于一定的數(shù)值時(shí)，各掃描線之間就會(huì)有能量的疊加，這種能量的疊加遵從曝光等效原理。 對(duì)于能量分布為高斯分布的光束，當(dāng)掃描線之間的距離Hs小于43W。時(shí)，相互之間有能量的疊加。但僅有這樣的能量

43、疊加是不夠的，因?yàn)楦鳁l掃描線之間還有許多的樹(shù)脂沒(méi)有固化，造成一個(gè)固化層的固化厚度不均勻，如圖232所示，這是由于在垂直于掃描線方向的能量分布不均造成的。 對(duì)于平面掃描固化，在工藝參數(shù)一定的條件下，需要得知平面的固化深度。平面掃描固化深度與激光功率掃描速度的比值（PL/Vs）有關(guān)，固化深度Cd的計(jì)算方法為 平面掃描固化深度C的確定對(duì)實(shí)際加工具有重要指導(dǎo)意義，因此需要確定固化深度Cd與工藝參數(shù)的關(guān)系曲線。由式（25）得知，平面掃描固化深度與掃描速度、激光功率和掃描間距有關(guān)。227光固化成型的制作時(shí)間 光固化成型中的光源通常采用激光器，運(yùn)行成本較高，而采用其他替代光源的光固化成型設(shè)備，受光源功率等因

44、素的影響，成型速度較低。因此，成型過(guò)程要求零件的制作時(shí)間盡量減少，以滿足快速獲得零件原型的目的，并且減少制作成本。 1影響制作時(shí)間的因素 光固化成型零件是由固化層逐層累加形成的，成型所需要的總時(shí)間由掃描固化時(shí)間及輔助時(shí)間組成，可表示為式中t-成型一個(gè)零件所需要的總時(shí)間； tci-第i層固化所需要的時(shí)間，tci與零件的體積V及制作零件的層數(shù)N 有關(guān)，可以表示為tci=kVN，k表示掃描單位體積所需要的時(shí)間； tp -層輔助時(shí)間，一般情況下，tp可以近似認(rèn)為是常數(shù)，輔助時(shí)間主要包括工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、每層零件的涂覆時(shí)間和層間等待時(shí)間； N-零件的總層數(shù)。 成型過(guò)程中，每層零件的輔助時(shí)間tp與固化時(shí)間

45、tci的比值反映了成型設(shè)備的利用率，可以通過(guò)如下公式表示 可以看出，當(dāng)實(shí)體體積越小，分層數(shù)越多時(shí)，輔助時(shí)間所占的比例就越大，如制作大尺寸的薄殼零件，這時(shí)成型設(shè)備的有效利用很低。因此在這種情況下，減少輔助時(shí)間對(duì)提高成型效率是非常有利的。 2減少制作時(shí)間的方法 針對(duì)成型零件的時(shí)間構(gòu)成，在成型過(guò)程中，可以通過(guò)改進(jìn)加工工藝、優(yōu)化掃描參數(shù)等方法，減少零件成型時(shí)間，提高加工效率，實(shí)際使用中通常采用以下幾種措施。 （l）減少輔助成型時(shí)間。輔助時(shí)間與成型方法有關(guān)，一般可通過(guò)如下公式表示為式中tp1工作臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間； tp2完成樹(shù)脂涂覆所需要的時(shí)間； tp3。等待液面平穩(wěn)所需要的時(shí)間。 可見(jiàn)減少升降時(shí)

46、間、樹(shù)脂涂覆時(shí)間及等待時(shí)間，可以減少成型中的輔助時(shí)間。通過(guò)改進(jìn)樹(shù)脂涂覆系統(tǒng)，可以使得在每層零件固化完成后，工作臺(tái)只需要下降一個(gè)層厚的距離，這種工作臺(tái)的微距離運(yùn)動(dòng)可以減少樹(shù)脂的波動(dòng)，相應(yīng)減少了保證涂覆樹(shù)脂表面平穩(wěn)的層間等待時(shí)間，特別是對(duì)于大尺寸的零件，成型層數(shù)較多（通常幾百層，甚至上千層），這時(shí)減少輔助時(shí)間尤為必要。 （2）層數(shù)較少的制作方向。從式（26）可以看出，零件的層數(shù)對(duì)成型時(shí)間的影響很大。對(duì)于同一個(gè)成型零件，在不同的制作方向的條件下，成型時(shí)間差別較大?？焖俪尚头椒ㄖ谱髁慵r(shí)，在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量減少制作層數(shù)。制作方向的選擇通常要考慮成型質(zhì)量和成型效率兩方面問(wèn)題。有一些零件，無(wú)論是從

47、制作的精度還是制作效率，以及制作的方便性等方面考慮，只有一個(gè)方向是最優(yōu)的。但是大多數(shù)情況下，零件的制作方向可以有多種選擇，如手機(jī)外殼原型，它的制作方向可以多種多樣，如果直立制作，減小了成型的階梯效應(yīng)引起的表面誤差，提高了零件的表面質(zhì)量，同時(shí)由于在這個(gè)制作方向上，零件的固化截面較小，樹(shù)脂涂層過(guò)程中避免了涂不滿、中部凸起、涂層不均勻等涂層問(wèn)題，但是由于制作層數(shù)較多，制作時(shí)間較長(zhǎng)；如果采用平臥的方向，這一方向的制作層數(shù)最少，因此制作時(shí)間最短，但是固化時(shí)存在較大的截面，容易出現(xiàn)涂層質(zhì)量問(wèn)題。 對(duì)零件制作方向進(jìn)行優(yōu)化選擇可以降低成型時(shí)間。對(duì)比不同制造方向時(shí)的成型時(shí)間（見(jiàn)表2l），可以看出，選擇制作層數(shù)較

48、少的制作方向，零件制作時(shí)間木同程度地減少，甚至減少了近70。 3掃描參數(shù)對(duì)成型效率的影響 式（26）表明減小每一層的掃描時(shí)間可以降低零件的總成型時(shí)間，提高成型效率。每一層的掃描時(shí)間t。；與掃描速度、掃描間距、掃描方式及分層厚度有關(guān)，通常掃描方式和分層厚度是根據(jù)工藝要求確定的，每層的掃描時(shí)間取決于掃描速度及掃描間距的大小，其中掃描速度決定了單位長(zhǎng)度的固化時(shí)間，而掃描間距的大小決定單位面積上掃描路徑的長(zhǎng)短。 光固化快速成型中，光源的能量不是均勻分布的，光束的能量分布符合高斯分布曲線，光敏樹(shù)脂團(tuán)化時(shí)，對(duì)紫外光的吸收一般符合Beer- Lanber規(guī)則，樹(shù)脂吸收紫外光引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，這一光化學(xué)反應(yīng)主要

49、由GrottusDraper和Einstein定律支配，反應(yīng)后樹(shù)脂固化，輪廓曲線近似為高斯曲線，其固化截面理論形狀如圖233所示。 光束固化一個(gè)平面時(shí)，固化面是由一系列相鄰的固化線相互粘接而組成。由于樹(shù)脂固化線的寬度大于掃描間距（通常0lmm），成型中相鄰掃描線之間產(chǎn)生部分重疊。相鄰固化線之間的重疊（圖234），其重疊部分的大小決定于光斑的直徑和掃描間距的大小。實(shí)際成型中相鄰固化線之間有較大的重疊，因此可以采用較大的掃描間距，相鄰固化線之間仍然可以有效地相互粘接。 掃描間距的提高縮短了紫外光在固化平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的掃描距離。表22為不同的掃描間距下零件的制作時(shí)間。當(dāng)掃描間距提高到 02mm時(shí)，這

50、時(shí)零件的制作時(shí)間只有間距為0lmm時(shí)的5262，成型時(shí)間減少接近一半；而當(dāng)掃描間距提高到03mm時(shí)，制作時(shí)間只有間距為0lmm時(shí)的40左右。即在同樣的制作條件下，適當(dāng)提高固化成型中的掃描間距，可以有效地減少零件制作時(shí)間，提高制作效率。 光固化成型制作時(shí)間影響制作效率及制作成本，零件的制作時(shí)間主要由固化成型時(shí)間和輔助時(shí)間兩部分組成，通過(guò)改進(jìn)樹(shù)脂涂覆系統(tǒng)，減少了工作臺(tái)升降距離，同時(shí)減少了涂覆樹(shù)脂的波動(dòng)，從而有效地降低零件制作的輔助時(shí)間。同一零件在成型過(guò)程中可以選擇不同的制作方向，制作方向的選擇直接影響制作層數(shù)的多少，采用制作層數(shù)較少的制作方向，是減少制作時(shí)間的另一個(gè)措施。樹(shù)脂固化線的寬度通常大于零

51、件的掃描間距，掃描一層樹(shù)脂時(shí)，增大掃描間距可以減小掃描路徑，從而減少了掃描時(shí)間，提高了成型效率，通過(guò)增大掃描間距，可以將成型時(shí)間減少60左右。 228微細(xì)結(jié)構(gòu)光固化成型數(shù)據(jù)處理及成型工藝 光固化快速成型技術(shù)能夠成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件，但在實(shí)際加工中，如果數(shù)據(jù)處理不當(dāng)及成型工藝參數(shù)選擇及匹配不適當(dāng)，便會(huì)導(dǎo)致一些微細(xì)結(jié)構(gòu)的丟失。 1.微細(xì)結(jié)構(gòu)光固化快速成型數(shù)據(jù)處理 在實(shí)際加工中的數(shù)據(jù)處理階段，有時(shí)需要對(duì)制件的STI。模型進(jìn)行Z軸補(bǔ)償，以提高高度方向上制件的成型精度，而Z軸補(bǔ)償是對(duì)整個(gè)STI。數(shù)據(jù)模型的補(bǔ)償，這樣必然會(huì)影響到模型上的微細(xì)結(jié)構(gòu)。如圖2七5所示，采用較大的Z軸補(bǔ)償值時(shí)，字體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。對(duì)此

52、，必須采取有效的措施來(lái)降低Z軸補(bǔ)償對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的影響。 為避免Z軸補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理引起的微細(xì)結(jié)構(gòu)的畸變，采用STI。文件數(shù)據(jù)模型“分割一Z軸補(bǔ)償一縫合”的方法，可以有效降低Z軸補(bǔ)償對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的影響。其思路是把微細(xì)結(jié)構(gòu)分割出去，對(duì)剩余部分進(jìn)行補(bǔ)償算法，然后再縫合為一體。 2微細(xì)結(jié)構(gòu)光固化快速成型工藝 光固化快速成型中的微細(xì)結(jié)構(gòu)，在成型中主要應(yīng)注意成型方位的設(shè)置。微細(xì)結(jié)構(gòu)一般附著在制件的表面上，模型不同制作方位對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的成型及其精度產(chǎn)生重要影響。 影響微細(xì)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的主要因素是臺(tái)階紋。為了降低臺(tái)階紋的影響，必須調(diào)整微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工方位，使微細(xì)結(jié)構(gòu)所處表面的法線方向與加工方向的夾角盡量減小。下面以模型表

53、面文字制作為例，說(shuō)明如何選取正確的擺放方位。 1）文字凹陷于零件表面。表面上的凹形文字一般不用額外施加支撐，凹形文字的成型效果好于凸形文字。所以建議在不影響使用效果的前提下，應(yīng)盡可能將模型表面的文字設(shè)計(jì)成內(nèi)凹。 2）如果模型表面的文字為外凸的，且通過(guò)擺放設(shè)置后無(wú)法置于上表面時(shí)，應(yīng)盡可能使其所在平面的法線方向與加工方向的角度小于45o，以避免文字處的特征需要施加支撐而影響文字表面的制作效果。同時(shí)隨著夾角變小，文字例表面的臺(tái)階紋現(xiàn)象也隨之減小，進(jìn)而也提高了文字表面的質(zhì)量。23疊層實(shí)體制造工藝 疊層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated Object Manufacturing， LOM是幾種最成熟的快速

54、成型制造技術(shù)之一。這種制造方法和設(shè)備自1991年問(wèn)世以來(lái)，得到迅速發(fā)展。由于疊層實(shí)體制造技術(shù)多使用紙材，成本低廉，制件精度高，而且制造出來(lái)的木質(zhì)原型具有外在的美感性和一些特殊的品質(zhì)，因此受到了較為廣泛的關(guān)注，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可視化、造型設(shè)計(jì)評(píng)估、裝配檢驗(yàn)、熔模鑄造型芯、砂型鑄造本模、快速模具母模以及直接制模等方面得到了迅速應(yīng)用23.1疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn) 1疊層實(shí)體快速成型工藝的基本原理 圖249為疊層實(shí)體快速成型制造技術(shù)的原理簡(jiǎn)圖，它由計(jì)算機(jī)、原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱粘壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)架等組成。其中，計(jì)算機(jī)用于接收和存儲(chǔ)工件的三維模型，沿模型的高度方

55、向提取一系列的橫截面輪廓線，發(fā)出控制指令。原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)將存于其中的原材料（如底面有熱熔膠和添加劑的紙），逐步送至工作臺(tái)的上方。熱料壓機(jī)構(gòu)將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線，逐一在工作臺(tái)上方的材料上切割出輪廓線，并將無(wú)輪廓區(qū)切割成小方網(wǎng)格，以便在成型之后能剔除廢料，如圖250所示。網(wǎng)格的大小根據(jù)被成型件的形狀復(fù)雜程度選定，網(wǎng)格越小，越容易剔除廢料，但切割網(wǎng)格花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，否則反之?？缮倒ぷ髋_(tái)支撐成型的工件，并在每層成型之后，降低一個(gè)材料厚度（通常為外l隊(duì)Zmm），以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，控制材料的送進(jìn)，然后粘和、切割，最終形成三維工件原型。 2疊層實(shí)體快速成型技術(shù)的特點(diǎn) LOM原型制作設(shè)備工作時(shí)，CO2激光器掃描頭接指令做x-y切割運(yùn)動(dòng)，逐層將鋪在工作臺(tái)上的薄材切成所要求輪廓的切片，并用熱壓輥將新鋪上的薄材牢固地粘在已成型的下層切片上，隨著工作臺(tái)按要求逐層下降，薄材進(jìn)給機(jī)構(gòu)的反復(fù)進(jìn)給薄材，最終制成三維層壓工件。其主要特點(diǎn)如下： （1）原材料價(jià)格便宜，原型制作成本低。 （2）制件尺寸大。 （3）無(wú)需后固化處理。 （4）無(wú)需設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)。 （5）廢料易剝離。 （6）制件能承受高達(dá)200”C的溫度，有較高的硬度和較好的力學(xué)性能，可進(jìn)行各種切削加工。 （