3D打印增材制造技術(shù) 課件 第3、4章 材料擠出打印技術(shù)、光固化增材制造技術(shù)

第三章材料擠出打印技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01熔融沉積制造技術(shù)PARTONE熔融沉積成型(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)也稱熔融沉積制造、熔融堆積成型熔融擠出成型、熔絲堆積成型及熔融噴絲成型等，是增材制造領(lǐng)域中應(yīng)用較廣的快速成型工藝方式，該工藝思想由美國學(xué)者ScottCrump于1988年首次提出，并在1991年開發(fā)了首臺商業(yè)機(jī)型。FDM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、通信、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，如產(chǎn)品外觀評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗(yàn)設(shè)計(jì)及少量產(chǎn)品制造等，也應(yīng)用于政府、大學(xué)及研究所等機(jī)構(gòu)。3.1熔融沉積制造技術(shù)3.1熔融沉積制造技術(shù)FDM技術(shù)的原理如圖3-1所示，首先將原材料預(yù)先加工成特定直徑(通常有1.75mm和3mm兩種規(guī)格)的圓形線材，然后通過送絲結(jié)構(gòu)驅(qū)動圓形線材，經(jīng)導(dǎo)向管進(jìn)入噴頭，在噴頭內(nèi)加熱融化后由尖端噴嘴擠出。噴頭沿XY平面以一定路徑掃描填充層片輪廓，完成一次平面掃描后，工作平臺沿2軸向下移動一個層厚的距離，繼續(xù)沉積下一層片輪廓，逐層堆積構(gòu)建三維實(shí)體。打印過程中相鄰絲材的黏結(jié)在熱能和表面勢能的作用下完成，并在一定環(huán)境源度下冷卻成型。噴嘴直徑一般為0.2~0.8mm，其他條件相同的情況下，噴嘴直徑越小，打印模型的表面精度越高?；驹砑疤攸c(diǎn)13.1熔融沉積制造技術(shù)基本原理及特點(diǎn)1在FDM技術(shù)中，用于模型制作或者零部件的直接成型制造的材料主要有石蠟、PLA、ABS、聚碳酸酷、尼龍、低熔點(diǎn)金屬、陶瓷等低熔點(diǎn)材料，以及應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的復(fù)合材料，打印原材料的多樣性是其他增材制造技術(shù)不具備的。此外，F(xiàn)DM技術(shù)可以沉積多種顏色的材料，而且所用的原材料基本是盤卷形式的絲束，便于搬運(yùn)、更換和存放。FDM技術(shù)的一個關(guān)鍵點(diǎn)是保持從噴嘴中噴出的熔融狀態(tài)下的原材料溫度稍高于凝固點(diǎn)一般是控制在比凝固點(diǎn)高5~10C之間。如果溫度太高，那么會導(dǎo)致材料凝固不及時，會出現(xiàn)模型變形、表面精度低等問題，但如果溫度太低或者不穩(wěn)定，那么容易造成噴頭堵塞，導(dǎo)致打印失敗。FDM系統(tǒng)價格和技術(shù)成本低、體積小、無污染，能直接做出ABS制件，但生產(chǎn)效率低精度不高，成型件表面有較明顯的條紋或者臺階效應(yīng)，成型件存在各向異性的力學(xué)特點(diǎn)，沿豎直疊加方向的黏結(jié)強(qiáng)度相對較弱。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(1)計(jì)算機(jī)一般采用上位機(jī)和下位機(jī)兩級控制。其中，上位機(jī)一般采用配置高、運(yùn)行速度快的PC機(jī):下位機(jī)采用嵌入式系統(tǒng)DSP(數(shù)字信號處理器)，驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)。上位機(jī)和下位機(jī)通過特定的通信協(xié)議進(jìn)行雙向通信，構(gòu)成控制的雙層結(jié)構(gòu)。為提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和日靠性，上位機(jī)和下位機(jī)的接口可選用通信速率高、數(shù)據(jù)傳輸量大的PCI接口，實(shí)現(xiàn)多重復(fù)雜控制任務(wù)的高效性與協(xié)調(diào)運(yùn)動。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(1)計(jì)算機(jī)一般采用上位機(jī)和下位機(jī)兩級控制。①從CAD模型生成符合快速打印成型工藝特點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。②設(shè)置打印參數(shù)信息。③對打印成型情況進(jìn)行監(jiān)控并接收運(yùn)動參數(shù)的反饋，必要時通過上位機(jī)對成型設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行干涉。④實(shí)現(xiàn)人機(jī)交瓦，提供打印成型進(jìn)度的實(shí)時顯示。⑤提供可選加工參數(shù)詢問，滿足不同材料和加工工藝的要求。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(2)應(yīng)用軟件主要包括下列模塊處理部分。①D切片模塊:基于STL文件切片模塊。②數(shù)據(jù)處理模塊具有切片模塊到打印位圖數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，打印區(qū)域的位圖排版功能:對于彩色打印還需要對彩色圖像進(jìn)行分色處理。③工藝規(guī)劃模塊:具有打印控制方式、打印方向控制等模塊。④安全監(jiān)控模塊:設(shè)備和打印過程故障自診斷，故障自動停機(jī)保護(hù)。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備21.軟件部分軟件部分主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動單元組成。(3)底層控制軟件：主要用于下位機(jī)控制各個電機(jī)，以完成鋪粉輯的平移和自轉(zhuǎn)、粉缸升降、打印小車系統(tǒng)的XY平面運(yùn)動。(4)接口驅(qū)動單元:主要完成上位機(jī)與下位機(jī)接口部分的驅(qū)動。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備22.機(jī)械部分機(jī)械部分是執(zhí)行打印命令的定位部分，其XYZ空間軸由電機(jī)、支架、同步輪、傳送帶等組成，軟件部分生成的打印坐標(biāo)就由此定位。擠出機(jī)主要分為齒輪擠出機(jī)、直接擠出機(jī)和液體擠出機(jī)三種類型。下面介紹常用的齒輪擠出機(jī)和直接擠出機(jī)兩種類型。(1)齒輪擠出機(jī):步進(jìn)電機(jī)用小齒輪帶動大齒輪進(jìn)行擠絲。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于對于步講申機(jī)的電流和參數(shù)要求并不是太高，同時由于采用齒輪減速加力，擠絲力量會較好。缺點(diǎn)就是這種裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，維護(hù)起來麻煩。(2)直接擠出機(jī):步進(jìn)電機(jī)直接連接擠絲輪進(jìn)行擠絲。這需要用較大扭矩的步進(jìn)電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、好維護(hù)，但是不適合長距離擠絲(噴頭和擠出機(jī)之間的距離比較長，有些打印機(jī)為提高精度，會盡量減小噴頭的質(zhì)量，需要將擠出機(jī)放在機(jī)身上，在噴頭到擠出機(jī)之間將聚四氟乙烯管用作導(dǎo)管)。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備23.電子部分電子部分可以理解為軟件和機(jī)械部分的橋梁，主要對軟件生成的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制、溫度的控制等。軟件生成的坐標(biāo)指令就由電子部分控制、機(jī)械部分執(zhí)行以達(dá)到精準(zhǔn)打印的目的。電子部分包括系統(tǒng)板、主板、電機(jī)驅(qū)動板、溫度控制板(如果采用熱敏電阻測溫，那么一般不需要用到溫控板)、加熱管、熱電偶(或者是熱敏電阻)、熱床。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程33D打印工藝過程可分為前處理、打印及后處理三個階段。前處理階段包括成型件三維模型的構(gòu)造、三維模型的近似處理、模型成型方向的選擇、三維模型的切片處理和生成支撐結(jié)構(gòu)。打印階段一般都是設(shè)備根據(jù)設(shè)定的制作參數(shù)自動進(jìn)行的。后處理階段主要包括清洗、去除支撐、打磨及改性處理等?？h體細(xì)分的話，整個打印討程可劃分為以下5個步驟。1.建模(1)直接下載模型。(2)通過3D掃描儀逆向工程建模。3D掃描儀逆向工程建模就是通過掃描儀先對實(shí)物進(jìn)行掃描，得到三維數(shù)據(jù)，然后加工修復(fù)。它能夠精確描述物體三維結(jié)構(gòu)的一系列坐標(biāo)數(shù)據(jù)將這些數(shù)據(jù)輸入3D軟件中即可完整地還原出物體的3D模型。(3)用建模軟件建模目前，市場上有很多3D建模軟件如SolidWorks、Pro/ENGINEERUG等軟件都可以用來進(jìn)行3D建模，另外一些3D打印機(jī)廠商也提供3D建模軟。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程32.切片處理切片處理是根據(jù)STL文件判斷成型過程所需的支撐，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出支撐結(jié)構(gòu)，對STI文件進(jìn)行分層切片，設(shè)置合適的打印參數(shù)，如打印層厚、打印速度、打印溫度、填充類型等.按照各層截面形狀進(jìn)行堆積制造，逐層累加而成。為打印出合格的模型，必須對STL格式二維模型進(jìn)行切片。切片實(shí)際上就是把3D模型切成一片一片的，首先，設(shè)計(jì)好打印的路徑(填充密度、角度、外殼等)，并將切片后的文件儲存成G-Code格式(一種3D打印機(jī)能直接讀取并使用的文件格式)。然后，通過3D打印機(jī)控制軟件，把G-Code文件發(fā)送給打印機(jī)并控制3D打印機(jī)的參數(shù)，運(yùn)行使其完成打印。G-Code的作用是和3D打印機(jī)通信。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程33.打印過程首先，啟動3D打印機(jī)，通過數(shù)據(jù)線、SD卡等方式把STL格式的模型切片所得到的GCode文件傳送給3D打印機(jī)，同時，裝入3D打印材料，調(diào)試打印平臺，設(shè)定打印參數(shù)，然后，打印機(jī)開始工作，材料會一層一層地打印出來，層與層之間通過特殊的膠水進(jìn)行黏合，并按照橫截面將圖案固定住，最后一層一層疊加起來。4.完成打印將打印好的產(chǎn)品從機(jī)器里取出來。這時要采取相應(yīng)的保護(hù)措施以避免對人身造成傷害例如，戴上手套來防止高溫表面或者有毒的化學(xué)物質(zhì)的傷害。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型工藝過程35.后處理(1)去除支撐結(jié)構(gòu)是FDM技術(shù)的必要后處理工藝，復(fù)雜模型一般采用雙噴頭打印，其中一個噴頭擠出的材料就是支撐材料，F(xiàn)DM技術(shù)的支撐材料有較好的水溶性，也可以在超聲波清洗機(jī)中用堿性(NaOH溶液)溫水浸泡后將其溶解剝落。一般情況下，水溫越高，支撐材料溶解得越快，但超過70C時成型件容易受熱變形，因此，采用超聲波清洗機(jī)去除支撐結(jié)構(gòu)時，需要將溶液溫度控制在40~60C之間。(2)打磨處理主要是去除成型件的“臺階效應(yīng)”，以滿足表面光潔度和裝配尺寸的精度要求，可采用水砂紙直接手工打磨的方法，但由于成型材料ABS較硬，會花費(fèi)較長時間。(3)拋光的方法有物理拋光和化學(xué)拋光。通常使用的是砂紙打磨、珠光處理和蒸汽平滑這三種技術(shù)。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析41.材料性能的影響凝固過程中，由材料的收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力變形會影響。成型件精度，其主要的原因是熱收縮和分子取向的收縮?？刹扇〉拇胧孩俑倪M(jìn)材料的配方。②設(shè)計(jì)時考慮收縮量進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。2.噴頭溫度和成型室溫度的影響噴頭溫度決定了材料的黏結(jié)性能、堆積性能、絲材流量及擠出絲寬度。成型室的溫度會影響成型件的熱應(yīng)力大小。可采取的措施：①噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇，以保證擠出的絲呈熔融流動狀態(tài)。②一般將成型室的溫度設(shè)定為比擠出絲的熔點(diǎn)溫度低1~2C。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析43.填充速度與擠出速度的交互影響單位時間內(nèi)擠出絲體積與擠出速度成正比，當(dāng)填充速度一定時，隨著擠出速度的提高,擠出絲的截面寬度逐漸增加，當(dāng)擠出速度提高到一定值時，擠出的絲黏附于噴嘴外圓錐面就不能正常加工。若填充速度比擠出速度快，則材料填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，難以成型?？刹扇〉拇胧簲D出速度應(yīng)與填充速度相匹配。4.分層厚度的影響一般來說，分層厚度越小，實(shí)體表面產(chǎn)生的臺階越小，表面質(zhì)量也越高，但所需的分層處理和成型時間會變長，降低了加工效率，反之，分層厚度越大，實(shí)體表面產(chǎn)生的臺階也就越大，表面質(zhì)量越差，不過加工效率相對較高?？刹扇〉拇胧杭骖櫺屎途却_定分層厚度，必要時可通過打磨提高表面質(zhì)量與精度。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析45.成型時間的影響每層的成型時間與填充速度、該層的面積大小及形狀的復(fù)雜度有關(guān)。若層的面積小，形狀簡單，填充速度快，則該層成型的時間就短;反之，時間就長。可采取的措施:加工時控制好噴嘴的工作溫度和每層的成型時間，以獲得精度較高的成型件。6.掃描方式的影響FDM掃描方式有平行掃描、螺旋掃描、偏置掃描及回轉(zhuǎn)掃描等。螺旋掃描是指掃描路徑從制件的幾何中心向外一次擴(kuò)展，偏置掃描是指按輪廓形狀逐層向內(nèi)偏置進(jìn)行掃描回轉(zhuǎn)掃描是指按了、Y軸方向掃描、回轉(zhuǎn)。合適的掃描方式可降低原型內(nèi)應(yīng)力的積累，有效防止零件的翹曲變形可采取的措施:可采用復(fù)合掃描方式，即外部輪廓用偏置掃描，而內(nèi)部區(qū)域填充用回轉(zhuǎn)掃描，這樣既可以提高表面精度，也可以簡化掃描過程，提高掃描效率。3.1熔融沉積制造技術(shù)成型質(zhì)量的因素分析45.成型時間的影響每層的成型時間與填充速度、該層的面積大小及形狀的復(fù)雜度有關(guān)。若層的面積小，形狀簡單，填充速度快，則該層成型的時間就短;反之，時間就長?？刹扇〉拇胧?加工時控制好噴嘴的工作溫度和每層的成型時間，以獲得精度較高的成型件。6.掃描方式的影響FDM掃描方式有平行掃描、螺旋掃描、偏置掃描及回轉(zhuǎn)掃描等。螺旋掃描是指掃描路徑從制件的幾何中心向外一次擴(kuò)展，偏置掃描是指按輪廓形狀逐層向內(nèi)偏置進(jìn)行掃描回轉(zhuǎn)掃描是指按了、Y軸方向掃描、回轉(zhuǎn)。合適的掃描方式可降低原型內(nèi)應(yīng)力的積累，有效防止零件的翹曲變形可采取的措施:可采用復(fù)合掃描方式，即外部輪廓用偏置掃描，而內(nèi)部區(qū)域填充用回轉(zhuǎn)掃描，這樣既可以提高表面精度，也可以簡化掃描過程，提高掃描效率。02碳纖維復(fù)合材料3D打印PARTTWO目前，只有熱塑性線材被用作FDM的原料，包括丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)聚碳酸酷(PC)、聚乳酸(PLA、尼龍(PA)，或者是其中任意兩種的混合物。經(jīng)由FDM制造的純的熱塑性塑料存在強(qiáng)度不足、功能不全及承載能力弱的缺點(diǎn)，這嚴(yán)重限制了熔融沉積制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用。一種有效的方法就是添加增強(qiáng)材料(如碳纖維)于熱塑性材料中，形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維能用來支持負(fù)載，同時，熱塑性塑料基質(zhì)可以用于結(jié)合、保護(hù)纖維并轉(zhuǎn)移負(fù)載到增強(qiáng)纖維上。塑料材料作為3D打印最為成熟的材料，目前仍存在較多問題，受塑料強(qiáng)度的影響，塑料材料適應(yīng)領(lǐng)域有限，成品的物理機(jī)械特性較差、需要高溫加工、低溫流動性差、固化速率低、易變形、精密度低。這些問題都限制了塑料在新材料領(lǐng)域的發(fā)展。3.2碳纖維復(fù)合材料3D打印1基本原理及特點(diǎn)3.2碳纖維復(fù)合材料3D打印1成型工藝1.短切碳纖維打印法短切碳纖維基本上是標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料的增強(qiáng)材料。短切碳纖維打印法允許以更高的強(qiáng)度打印性能較弱的材料?？梢詫⒃摬牧吓c熱塑性塑料混合，并將所得混合物擠壓成用于熔融長絲制造(FFF)技術(shù)的線軸。短切碳纖維打印法是將短切纖維(通常是碳纖維)與尼龍、ABS或PLA等傳統(tǒng)熱塑性塑料混合，通過FDM的方式打印碳纖維需要將碳纖維與熱熔塑料一起打印。3.2碳纖維復(fù)合材料3D打印1成型工藝2.連續(xù)碳纖維打印法連續(xù)碳纖維打印法的優(yōu)勢是可以用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件，它可以使用連續(xù)長絲制造(CFF)技術(shù)把材料鑲嵌在熱塑性塑料中。.材料特點(diǎn)：長纖增強(qiáng)PLA、尼龍、PEEK等絲材。工藝特點(diǎn)：通過FDM技術(shù)將長纖維填充進(jìn)常規(guī)絲材中，起到增強(qiáng)作用。增強(qiáng)方法:同心和各向同性。①同心填充加強(qiáng)了每層(內(nèi)部和外部)的外邊界，并通過用戶定義的循環(huán)數(shù)延伸到零件中。②各向同性填充在每層上形成單向復(fù)合增強(qiáng)，并且可以通過改變層上的加固方向來模擬碳纖維編織。連續(xù)碳纖維3D打印設(shè)備原理如圖3-2所示。03螺桿擠出3D打印技術(shù)PARTTHREE該噴頭結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)為微型螺桿的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)螺桿的尺寸較大，設(shè)計(jì)時采用無限平板理論，而微型螺桿的設(shè)計(jì)主要采用有限槽寬理論，更接近于真實(shí)的邊界調(diào)節(jié)情況，更能反映熔體擠出的真實(shí)情況。為解決傳統(tǒng)噴頭結(jié)構(gòu)帶來的問題以擴(kuò)展FDM技術(shù)的應(yīng)用范圍與應(yīng)用價值，研究者提出一種顆粒體進(jìn)料的微型螺旋擠壓堆積噴頭結(jié)構(gòu)，利用微型擠壓螺桿通過實(shí)時送料裝置將顆粒料從料斗送進(jìn)，靠螺桿的螺旋擠壓作用將成型材料向噴嘴方向輸送，材料前進(jìn)過程中，被螺桿擠出，實(shí)現(xiàn)材料的堆積成型。3.3螺桿擠出3D打印技術(shù)基本原理1打印機(jī)控制系統(tǒng)作為打印機(jī)的重要組成部分，主要包括上位機(jī)、下位機(jī)、擠出控制模塊.運(yùn)動控制模塊及手動控制模塊。(1)上位機(jī)由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，需要完成成型零件模型的建立、模型的處理、切片代碼生成及人機(jī)交互等操作，上位機(jī)能夠生成切片代碼，通過USB線或者SD卡將代碼傳輸給下位機(jī)，以實(shí)時控制打印機(jī)的運(yùn)行。(2)下位機(jī)由拓展板和主控板連接，拓展板通過插針無縫插在對應(yīng)的主板上的孔中，其他硬件通過接口與主控板相連，這樣能夠更好地保護(hù)主控板。進(jìn)行打印時，需要上傳打印機(jī)固件，用上傳工具配置打印機(jī)固件相關(guān)參數(shù)，通過USB線將打印機(jī)固件上傳至主控板。3.3螺桿擠出3D打印技術(shù)成型設(shè)備2(3)擠出控制模塊包含步進(jìn)電機(jī)控制、溫度控制及風(fēng)扇控制。在基于顆粒體材料成型的打印機(jī)中，步進(jìn)電機(jī)通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對材料的擠出控制。溫度控制是通過加熱棒與熱敏電阻結(jié)合(加熱棒接入主控板24V接線端，熱敏電阻用于對溫度穩(wěn)定的控制)實(shí)現(xiàn)對出絲材料熔融擠出的。風(fēng)扇用于冷卻擠出機(jī)加熱部件的溫度，以防倒流。(4)運(yùn)動控制模塊主要實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動的起停、打印速度及方向的調(diào)節(jié)，將步進(jìn)電機(jī)接口接入Ramps1.4拓展板對應(yīng)接口，通過上位機(jī)的指令，最終實(shí)現(xiàn)噴頭沿著成型零件二維截面掃描成型。(5)手動控制模塊包含人機(jī)交瓦LCD顯示屏、SD卡讀取和操作控制按鈕，其中，LCD顯示屏幕能夠顯示打印機(jī)位置參數(shù)、打印機(jī)進(jìn)度及打印機(jī)實(shí)時溫度。3.3螺桿擠出3D打印技術(shù)成型設(shè)備204氣動擠出打印技術(shù)PARTFOUR3.4氣動擠出打印技術(shù)氣動擠出打印技術(shù)及與之相關(guān)的生物材料領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、打印裝備領(lǐng)域，仍有較大發(fā)展空間，相關(guān)研究停留在對生物打印平臺的打印性能的驗(yàn)證，相關(guān)打印產(chǎn)品處于體外試驗(yàn)觀察階段，目前并沒有具有完備功能的復(fù)雜組織器官被打印出來。由于打印產(chǎn)品的不成熟，也沒有大量的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)及體內(nèi)環(huán)境的生物學(xué)評價，更達(dá)不到器官移植的水準(zhǔn)。1.成型材料水凝膠材料作為細(xì)胞載體具有機(jī)械強(qiáng)度差的缺陷，單純凝膠材料的力學(xué)性能不支持構(gòu)建大尺寸且復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度好的聚合物材料因其熔點(diǎn)高，不適合細(xì)胞打印。而多材料復(fù)合打印存在因材料屬性差異導(dǎo)致界面分層或相互侵入的現(xiàn)象，成為生物3D打印發(fā)展的瓶頸。若生物材料學(xué)領(lǐng)域能夠發(fā)現(xiàn)或研制出具有綜合優(yōu)點(diǎn)的材料，則會直接提升現(xiàn)有的生物3D打印水平，構(gòu)建出復(fù)雜組織器官將變?yōu)榭赡堋?.4氣動擠出打印技術(shù)2.成型工藝將熱熔性或熱融性的生物材料放入料筒升溫，使材料形成半流動狀態(tài)，受力擠出并冷卻成型于底板上，材料按指定軌跡逐層成型并層層堆積。其中，氣動擠出是指料筒預(yù)先裝料，氣動驅(qū)動活塞使材料擠出。擠壓式生物打印裝置由流體供給系統(tǒng)和自動壓出打印系統(tǒng)兩部分組成。由計(jì)算機(jī)控制的沉積系統(tǒng)將“生物墨水”打印成型，細(xì)胞被精確地封裝在三維結(jié)構(gòu)中。這種技術(shù)制造的產(chǎn)品具有很好的結(jié)構(gòu)完整性。第四章光固化增材制造技術(shù)高等學(xué)校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01光固化成型技術(shù)PARTONE光固化成型，也常被稱為立體光刻成型，英文名稱為StereoLithography，簡稱SL，有時也被簡稱為SLA(StereoLithographyApparatus)。該技術(shù)由CharlesWHull于1984年提出并獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的3D打印技術(shù)之一。自從1988年美國3DSystems公司最早推出SLA-250商品化3D打印設(shè)備以來，SLA技術(shù)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3D打印工藝方法。它以光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制紫外光使其逐層凝固成型。這種工藝方法能簡捷全自動地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀較復(fù)雜的模型。SLA技術(shù)在概念設(shè)計(jì)的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工裝模具直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用，在航空、汽車、模具制造、電器、鑄造及醫(yī)療等領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。4.1光固化成型技術(shù)基本原理1通常的光固化成型系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)、控制軟件、光學(xué)系統(tǒng)、樹脂容器及后固化裝置等部分組成。4.1光固化成型技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2數(shù)控系統(tǒng)及控制軟件:數(shù)控系統(tǒng)和控制軟件主要由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)及CAD接口軟件和控制軟件組成。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)主要是先對CAD模型進(jìn)行離散化處理，使之變成適合于光固化成型的文件格式(STL格式)，然后對模型定向切片。控制計(jì)算機(jī)主要用于XY掃描系統(tǒng)、Z向工作平臺上下運(yùn)動和重涂層系統(tǒng)的控制。CAD接口軟件的工作內(nèi)容包括對CAD數(shù)據(jù)模型的通信格式設(shè)定、接受CAD文件的曲面表示格式、設(shè)定過程參數(shù)等?？刂栖浖墓ぷ鲀?nèi)容包括對激光器光束反射鏡掃描驅(qū)動器、X-Y掃描系統(tǒng)、升降臺和重涂層裝置等的控制。用于造型的紫外激光器通常有兩種類型，一種是傳統(tǒng)的氣體激光器如氨-鍋(He-Cd)激光器輸出功率為15~50mW,輸出波長為523nm;(Ar)激光器的輸出功率為100~500mW輸出波長為351~365nm。激光束的光斑直徑為0.05~3mm，激光的位移精度可達(dá)0.008mm。4.1光固化成型技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備2另一種是固體激光器，輸出功率可達(dá)500mW或更高，壽命可達(dá)5000h，且激光二極管(LaserDiode)更換后可繼續(xù)使用。該激光器光斑模式好，有利于聚焦，但由于固體激光器的輸出是脈沖式的，為了在高速掃描時不出現(xiàn)斷線現(xiàn)象，必須盡量提高脈沖頻率。一般激光束的光斑尺寸為0.05~3.00mm，激光位置精度可達(dá)0.008mm，重復(fù)精度可達(dá)0.13mm。1.紫外激光器激光束掃描裝置有兩種形式，圖4-1所示為兩種典型的光學(xué)掃描系統(tǒng)。其中，一種是振鏡掃描系統(tǒng)，其最高掃描速度可達(dá)15m/s，它適合于制造尺寸較小的高精度的成型件，另一種是XY軸掃描儀系統(tǒng)，激光束在整個掃描的過程中與樹脂表面垂直，適合于制造大尺寸、高精度的成型件。4.1光固化成型技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備22.激光束掃描裝置由于激光束斜射造成的激光點(diǎn)尺寸變化會極大地影響該點(diǎn)激光功率的分布，即影響激光功率的單位供給量，為此需要一個微定位器控制的聚焦透鏡進(jìn)行變焦。聚焦透鏡的移動控制必須與調(diào)節(jié)軸的檢流計(jì)保持同步，以使激光束焦點(diǎn)保持在樹脂液面上。透鏡對改變掃描線寬或填充大的區(qū)域也有重要作用。同時，需要調(diào)整掃描速度或激光功率，以補(bǔ)償變焦引起的功率、密度變化。即使是反射鏡偏轉(zhuǎn)角的一個很小的誤差，也會造成掃描光點(diǎn)在液面上一個較大的位移誤差，因而掃描器應(yīng)采用閉環(huán)控制。4.1光固化成型技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備22.激光束掃描裝置在刮板靜止時，由于液態(tài)樹脂的表面張力作用，吸附槽中充滿樹脂。當(dāng)刮板進(jìn)行涂刮運(yùn)動時，吸附槽中的樹脂會均勻涂敷到已固化的樹脂表面。此外，涂敷結(jié)構(gòu)中的前刃和后刃可以很好地消除樹脂表面因?yàn)楣ぷ髋_升降等原因產(chǎn)生的氣泡。當(dāng)所有的層都制作好后，模型的固化程度已達(dá)95%，但模型的強(qiáng)度還很低，需要經(jīng)過進(jìn)一步固化處理，以達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。后固化裝置用很強(qiáng)的紫外光源使模型充分固化。固化時間依據(jù)制件的幾何形狀、尺寸和樹脂特性而定，大多數(shù)成型件的固化時間不少干30min.4.1光固化成型技術(shù)成型系統(tǒng)與設(shè)備23.樹脂容器系統(tǒng)和重涂層系統(tǒng)4.1光固化成型技術(shù)成型工藝及分析3然后，成型設(shè)備控制一個特殊的涂敷板，按照設(shè)定的層厚沿XY平面平行移動使已固化的斷面層樹脂覆上一層薄薄的液態(tài)樹脂，該層液態(tài)樹脂保持一定的厚度精度。

最后，用激光束對該層液態(tài)樹脂進(jìn)行掃描固化，形成第二層固態(tài)斷面層。新固化的這一層黏結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直到完成整個制件。圖4-3所示為傳統(tǒng)SLA技術(shù)原理。增材制造系統(tǒng)可以根據(jù)切片處理得到需要的斷面形狀。首先，在計(jì)算機(jī)的控制下，增材制造設(shè)備的可升降工作臺的上表面處于下一個截面層厚的高度(0.025~03m將激光束在X-Y平面內(nèi)按斷面形狀進(jìn)行掃描，掃描過的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合固化，形成第一層固態(tài)斷面形狀之后，工作臺再下降一層高度，使液槽中的液態(tài)光敏樹脂流入并覆蓋已固化的斷面層。4.1光固化成型技術(shù)成型工藝及分析34.1光固化成型技術(shù)成型工藝及分析31.SLA的后處理(1)樹脂固化成型為完整制件后，從增材制造設(shè)備上取下的制品需要去除支撐結(jié)構(gòu)，并將制件置于大功率紫外燈箱中做進(jìn)一步的內(nèi)腔固化。(2)制件的曲面上存在因分層制造引起的階梯效應(yīng)，以及因STL格式的三角形化而可能造成的小缺陷。(3)制件的薄壁和某些小特征結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度不足。(4)制件的某些形狀尺寸精度還不夠，表面硬度不夠，或者制件表面的顏色不符合要求等。對于制件表面有明顯的小缺陷而需要修補(bǔ)時，可先用熱熔塑料、乳膠以及細(xì)粉料調(diào)和而成的填泥，或濕石膏予以填補(bǔ)，然后用砂紙打磨、拋光和噴漆打磨。拋光的常用工具有各種粒度的砂紙、小型電動或氣動打磨機(jī)及噴砂打磨機(jī)。4.1光固化成型技術(shù)成型工藝及分析32.SLA的后固化盡管樹脂在激光掃描過程中已經(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)的殘余樹脂未固化或未完全固化(掃描過程中完成部分固化，避免完全固化引起變形)，零件的部分強(qiáng)度也是在后固化過程中獲得的，因此，后固化處理對完成零件內(nèi)部樹脂的聚合，提高零件最終力學(xué)強(qiáng)度是必不可少的。后固化時，零件內(nèi)未固化的樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)，體積收縮產(chǎn)生均勻或不均勻形變。(1)從高分子物理學(xué)方面來解釋，處于液體狀態(tài)的小分子之間的距離為范德瓦耳斯力距離，而固體狀態(tài)的聚合物，其結(jié)構(gòu)單元之間處于共價鍵距離，共價鍵距離遠(yuǎn)小于范德瓦耳斯力距離，所以樹脂在固化過程中會發(fā)生收縮，通常其體收縮率約為10%，線收縮率約為3%,(2)從分子學(xué)角度講，光敏樹脂的固化過程是從短的小分子體向長鏈大分子聚合體轉(zhuǎn)變的過程，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，固化過程中的收縮是必然的。4.1光固化成型技術(shù)與掃描過程中的變形不同的是，由于完成掃描之后的零件是由一定間距的層內(nèi)掃描線相互黏結(jié)的薄層疊加而成，線與線之間、面與面之間既有未固化的樹脂，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)冷卻到室溫引起的溫度應(yīng)力，這些因素都會產(chǎn)生后固化變形。但已經(jīng)固化的部分對后固化變形有約束作用，減緩了后固化變形。零件在后固化過程中也要產(chǎn)生變形，實(shí)驗(yàn)測得零件后固化收縮量占總收縮量的30%~40%。成型工藝及分析32.SLA的后固化4.1光固化成型技術(shù)光固化成型精度4成型精度一般包括形狀精度、尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形狀、尺寸和表面相互位置三個方面與設(shè)計(jì)要求的符合程度。影響形狀精度的因素主要有翹曲、扭曲變形、橢圓度誤差及局部缺陷等;尺寸精度是指成型件與CAD模型相比，在YZ三個方向上的尺寸相差值:影響表面精度的因素主要包括由疊層累加產(chǎn)生的臺階誤差及表面粗糙度等。影響光固化成型精度的因素有很多，包括成型前和成型過程中的數(shù)據(jù)處理、成型過程中光敏樹脂的固化收縮、光學(xué)系統(tǒng)及激光掃描方式等。根據(jù)成型工藝過程，可以將影響光固化成型精度的因素進(jìn)行分類。圖4-4所示為影響光固化成型精度的因素。4.1光固化成型技術(shù)光固化成型精度41.幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差在光固化成型過程開始前，必須對實(shí)體的三維CAD模型進(jìn)行STL格式化及切片分層處理，以便得到加工所需的一系列截面輪廓信息，防止在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時帶來誤差。圖4-5所示為弦差導(dǎo)致的截面輪廓線誤差。可采取的措施:(1)直接切片。為減小幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差，較好的辦法是開發(fā)對CAD實(shí)體模型進(jìn)行直接分層的方法，在商用軟件中，Pro/ENGIEER具有直接分層的功能。(2)自適應(yīng)分層。切層的厚度直接影響成型件的表面光潔度。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選取較小的分層厚度，以提高模型的成型精度:反之則選取較大的分層厚度，以提高加工效率。4.1光固化成型技術(shù)光固化成型精度42.成型過程中材料的固化收縮引起的翹曲變形內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力方向從正在固化的層表面向下，隨固化程度的變化，層內(nèi)應(yīng)力呈梯度分布。在層與層之間，新固化層收縮時要受到層間黏合力的限制。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。可采取的措施：①成型工藝的改進(jìn)。②樹脂配方的改進(jìn)。3.樹脂涂層厚度對光固化成型精度的影響在光固化成型過程中要保證每一層鋪涂的樹脂厚度一致，當(dāng)聚合深度小于層厚時，層與層之間將黏合不好，甚至?xí)l(fā)生分層:如果聚合深度大于層厚，那么將引起過固化，而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，引起翹曲變形，影響光固化成型精度。在掃描面積相等的條件下，固化層越厚，固化的體積越大，層間產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，故而為了減小層間應(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?？刹扇〉拇胧憾纹毓夥?。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。4.1光固化成型技術(shù)光固化成型精度44.光學(xué)系統(tǒng)對光固化成型精度的影響在光固化成型過程中，成型用的光點(diǎn)是一個具有一定直徑的光斑，因此實(shí)際得到的制件形狀是光斑運(yùn)行路徑上一系列固化點(diǎn)的包絡(luò)線形狀。如果光斑直徑過大，那么有時會丟失較小尺寸的零件細(xì)微特征，如在輪廓拐角進(jìn)行掃描時，拐角特征很難成型出來。聚焦到液面的光斑直徑大小及光斑形狀會直接影響加工分辨率和光固化成型精度?？刹扇〉拇胧?1)光路校正。圖4-6所示為振鏡掃描系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。在SLA系統(tǒng)中，掃描器件采用雙振鏡模塊(見圖4-6中的a和b)，設(shè)置在激光束的匯聚光路中，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)掃描一個方形圖形時，掃描軌跡并非一個標(biāo)準(zhǔn)的方形，而是出現(xiàn)“枕形”畸變，“枕形”畸變可以通過軟件校正。圖4-7所示為“枕形”畸變示意圖。(2)光斑校正。光斑掃描軌跡構(gòu)成的像場是球面，Z軸誤差。聚焦誤差可以通過動態(tài)聚焦模塊得到校正，動態(tài)聚焦模塊可在振鏡掃描過程中同步改變模塊焦距，調(diào)整焦距位置，實(shí)現(xiàn)Z軸方向掃描，與雙振鏡構(gòu)成一個三維掃描系統(tǒng)。4.1光固化成型技術(shù)可采取的措施：(1)光路校正。圖4-6所示為振鏡掃描系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。在SLA系統(tǒng)中，掃描器件采用雙振鏡模塊(見圖4-6中的a和b)，設(shè)置在激光束的匯聚光路中，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)掃描一個方形圖形時，掃描軌跡并非一個標(biāo)準(zhǔn)的方形，而是出現(xiàn)“枕形”畸變，“枕形”畸變可以通過軟件校正。圖4-7所示為“枕形”畸變示意圖。(2)光斑校正。光斑掃描軌跡構(gòu)成的像場是球面，Z軸誤差。聚焦誤差可以通過動態(tài)聚焦模塊得到校正，動態(tài)聚焦模塊可在振鏡掃描過程中同步改變模塊焦距，調(diào)整焦距位置，實(shí)現(xiàn)Z軸方向掃描，與雙振鏡構(gòu)成一個三維掃描系統(tǒng)。光固化成型精度44.光學(xué)系統(tǒng)對光固化成型精度的影響4.1光固化成型技術(shù)可采取的措施：聚焦誤差也可以用透鏡前掃描和F-0鏡進(jìn)行校正，掃描器位于透鏡之前，激光束掃描后射在聚焦透鏡的不同部位，并在其焦平面上形成直線軌跡與工作平面重合。這樣可以保證激光聚焦焦點(diǎn)在光敏樹脂液面上，使達(dá)到光敏樹脂液面的激光光斑直徑小，且光斑大小不變。圖4-8所示為F0鏡掃描。光固化成型精度44.光學(xué)系統(tǒng)對光固化成型精度的影響4.1光固化成型技術(shù)掃描方式與成型工件的內(nèi)應(yīng)力有密切關(guān)系，合適的掃描方式可以減少零件的收縮量，避免翹曲和扭曲變形，提高光固化成型精度。SLA技術(shù)成型時多采用方向平行路進(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)往復(fù)掃描進(jìn)行填充，也稱為Z字形(Zig-Zag)或光柵式掃描方式。但在掃描一行的過程中，掃描線經(jīng)過型腔時，掃描器以跨越速度快速跨過。這種掃描方式，需頻繁跨越型腔部分，一方面空行程太多，會出現(xiàn)嚴(yán)重的“拉絲”現(xiàn)象空行程中樹脂感光固化成絲狀)另一方面掃描系統(tǒng)頻繁地在填充速度和快進(jìn)速度之間變換會產(chǎn)生嚴(yán)重的振動和噪聲，激光器要頻繁進(jìn)行開關(guān)切換，降低了加工效率。光固化成型精度45.激光掃描方式對光固化成型精度的影響4.1光固化成型技術(shù)在光固化成型過程中，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)際的光斑直徑大小。成型的零件實(shí)體部分外輪廓周邊尺寸大了一個光斑半徑，而內(nèi)輪廓周邊尺寸小了一個光斑半徑，導(dǎo)致零件的實(shí)體尺寸大了一個光斑直徑，使零件出現(xiàn)正偏差。為了減小或消除實(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)一個光斑半徑。從理論上說，光斑掃描按照向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個光斑半徑的路徑掃描所得零件的長度尺寸誤差為零。光固化成型精度46.光斑直徑大小對成型尺寸的影響光固化成型過程是一個“線一面一體”的材料累積過程，為了分析掃描過程中工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、掃描間距》產(chǎn)生的誤差，需要對掃描固化過程進(jìn)行理論分析，進(jìn)而找出各個工藝參數(shù)對掃描過程的影響。7.激光功率、掃描速度、掃描間距產(chǎn)生的誤差4.1光固化成型技術(shù)工藝特點(diǎn)51.光固化成型的優(yōu)點(diǎn)(1)成型過程自動化程度高，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無須切削工具與模具。SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)加工開始后，成型過程可以完全自動化，直至模型制作完成。(2)尺寸精度高。SLA模型的尺寸精度可以達(dá)到士0.1mm。(3)優(yōu)良的表面質(zhì)量。雖然在每層固化時側(cè)面及曲面可能出現(xiàn)臺階，但上表面仍可達(dá)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。(5)可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型模型。4.1光固化成型技術(shù)工藝特點(diǎn)52光固化成型的缺點(diǎn)(1)可用的材料較少。目前可用的材料主要為感光性的液態(tài)樹脂材料。(2)成型件多為樹脂類，強(qiáng)度、剛度、耐熱性有限，不利于長時間保存，許多還會被濕氣侵蝕，導(dǎo)致工件膨脹，抗化學(xué)腐蝕的能力不夠好:制件易變形，主要是成型過程中材料發(fā)生物理和化學(xué)變化導(dǎo)致的。(3)液態(tài)樹脂有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，所以選擇時有局限性;固化過程中會產(chǎn)生刺激性氣體，有污染，因此機(jī)器運(yùn)行時成型腔室部分應(yīng)密閉。(4)液態(tài)光敏聚合物固化后的性能尚不如常用的工業(yè)塑料，一般較脆、易斷裂，不便進(jìn)行切削加工，工作溫度通常不能超過100C。(5)需要二次固化，原因是光固化后的模型樹脂并未完全被激光固化?？刹扇〉拇胧?研究針對CAD模型直接分層及針對STL模型分層的各種優(yōu)化方法，以獲得精確的截面輪廓:優(yōu)化截面輪廓的填充掃描方式，更加精確地表示數(shù)據(jù)模型。02數(shù)字光處理技術(shù)PARTTWO數(shù)字光處理(DigitalLightProcessing，DLP)術(shù)，是把影像信號經(jīng)過數(shù)字處理后光投影出來，是基于美國德州儀器公司開發(fā)的數(shù)字微鏡器件——DMD來完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)。DLP技術(shù)的基本原理是數(shù)字光源以面光的形式在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行層層投影，層層固化成型。4.2數(shù)字光處理技術(shù)1基本原理通過CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)照射形狀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制光源和升降臺的運(yùn)動。其次，激光器根據(jù)切片形狀，發(fā)出相應(yīng)形狀的光斑，該層樹脂固化后，就完成了該片層的加工;升降臺下降一定距離，固化層上先覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層照射，第二固化層牢固地黏結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加形成三維工件模型。最后，將模型從樹脂中取出，進(jìn)行最終固化，經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。4.2數(shù)字光處理技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備DMD芯片是由很多個微米級的微鏡片組成的，透鏡和濾光板將自然光分解成紅綠藍(lán)二色，三種基色光通過濾色板輪流照射到DMD芯片上，通過電壓控制微鏡片在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，控制各像素點(diǎn)光路的通斷，從而將圖像投影到顯示屏上。近年來，DMD技術(shù)不斷取得突破。DMD微鏡片向著更高像素、更大面積的方向發(fā)展，極大地提高了圖像顯示的分辨率，鏡面翻轉(zhuǎn)角更大，相應(yīng)顯著地提高了圖像的對比度和清晰度。面曝光3D打印系統(tǒng)中主要采用基于數(shù)字微鏡器件(DigitalMicromirrorDevices，DMD)技術(shù)的DLP技術(shù)。DLP投影設(shè)備主要由光學(xué)投影設(shè)備、DMD芯片及光源三個基本部分組成。DMD器件是DLP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心器件，其性能直接關(guān)系到3D打印的效率和質(zhì)量。4.2數(shù)字光處理技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備DLP型3D打印機(jī)主要由光學(xué)模塊、Z軸模塊、涂覆模塊、樹脂槽升降模塊、補(bǔ)液模塊及機(jī)架等部分構(gòu)成。(1)光學(xué)模塊位于DLP打印機(jī)結(jié)構(gòu)的頂層位置，因此稱為上投影，與市場上常見的下投影DLP打印機(jī)相比，具有打印幅面更大、打印尺寸更大的優(yōu)點(diǎn)，光機(jī)的微調(diào)機(jī)構(gòu)，既能滿足光機(jī)在Z軸方向?qū)崿F(xiàn)0.01mm級別的微調(diào)，又能滿足光機(jī)投射的紫外光與XY平面之間的直關(guān)系。(2)Z軸模塊的作用是帶動托板上下運(yùn)動，行程為150mm，托板是零件生長成型的平臺是一塊沖有密集小孔的鋁板(120mmx210m)每固化一層，托板便要下降一個層厚，此過程采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件，通過滾珠絲杠和雙側(cè)直線導(dǎo)軌帶動托板上下運(yùn)動，以滿足打印分層運(yùn)動時的精度需求。4.2數(shù)字光處理技術(shù)2成型系統(tǒng)與設(shè)備(3)刮刀是涂覆模塊的重要結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件，帶動刮刀在F方向來回移動，打印過程中刮刀周而復(fù)始地刮平打印工件的表面，使其成為材料成型生長的新基面。(4)樹脂槽由不銹鋼板焊接而成，由主槽和液位檢測區(qū)兩部分組成，兩者之間是相互連通的，樹脂槽升降模塊除了樹脂槽，還包括激光液位傳感器、樹脂槽安裝平臺、樹脂槽升降裝置，驅(qū)動元件選用抱閘的伺服電機(jī)，以防止掉電后樹脂槽墜落。(5)補(bǔ)液模塊位于DLP打印機(jī)最下方，由步進(jìn)電機(jī)、補(bǔ)液槽及蠕動泵三部分組成，打印多次產(chǎn)品以后，樹脂槽內(nèi)液位必定不符合打印液位要求，可以通過補(bǔ)液系統(tǒng)將補(bǔ)液槽中的樹脂加到樹脂槽中，這樣可以增加做件次數(shù)。(6)機(jī)架是其他模塊的安裝載體，所有的功能模塊都安裝在機(jī)架上得以實(shí)現(xiàn)自身功能，其由高強(qiáng)度方型鋼管組成，機(jī)架下方安裝可調(diào)節(jié)的地腳，用于調(diào)整設(shè)備的水平狀態(tài)，使Z基板垂直于水平面，除此之外，還裝有4個萬向輪，便于運(yùn)輸打印機(jī)。4.2數(shù)字光處理技術(shù)3成型工藝過程(1)通過前處理軟件(如Magics)將三維模型STL文件按照打印要求進(jìn)行編輯、修復(fù)切片、生成且保存cli文件。(2)打開上位機(jī)，設(shè)置相應(yīng)的打印參數(shù)(例如，曝光時間、Z軸運(yùn)動速度)，加載cli切片文件。(3)單擊“開始打印”按鈕，整個打印任務(wù)便開始執(zhí)行。(4)光源透過聚光鏡，使光源均勻分布，菲涅爾鏡使光源垂直照射在液晶屏上。(5)圖像會通過液晶屏照射到光敏樹脂上，托板與底模之間固定高度的樹脂通過投影的光發(fā)生固化成型并附著在托板上。(6)托板將固化成型的部分拉起，讓液體再次補(bǔ)充進(jìn)來，托板在下降，從而使托板與底模之間的薄層樹脂再次發(fā)生固化并