光固化成型工藝原理和特點

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光固化成型技術

（一）

《快速成型技術與應用》本節(jié)知識點光固化成型工藝原理1光固化成型的工藝特點2光固化成型的工藝過程3光固化成型材料4光固化成型技術的精度與效率5光固化成型技術的應用6快速成型制造系統(tǒng)產(chǎn)品造型快速成型產(chǎn)品原型按制造工藝原理分以下幾種熔融沉積技術(FDM)激光固化成型（SLA）層合實體制造

(LOM)三維噴涂粘結(3DP)BasicRPTechnologies粉末激光燒結(SLS)右邊這組耳環(huán)、戒指、項鏈等穿戴飾品是不是很漂亮呢？想知道它們是怎么制作的嗎？課堂導入

光固化成型工藝，也常被稱為立體光刻成型，英文的名稱為StereoLithography，簡稱SL，也有時被簡稱為SLA（StereoLithographyApparatus），該工藝是由CharlesHull于1984年獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的快速成型技術。自從1988年3DSystems公司最早推出SLA商品化快速成型機以來，SLA已成為最為成熟而廣泛應用的RP典型技術之一。它以光敏樹脂為原料，通過計算機控制紫外激光使其凝固成型。這種方法能簡捷、全自動地制造出歷來各種加工方法難以制作的復雜立體形狀，在加工技術領域中具有劃時代的意義。

光固化成型（SL或SLA）概述1.根據(jù)光照的方式，當前光固化成型方式主要有兩種方式。(1)傳統(tǒng)型光固化成型技術：

光從上至下照射，成型平臺在下方。(2)下置式光固化成型技術：光從下面往上照射，成形件倒置于工作臺上。2.根據(jù)光源的類型，當前光固化成型方式主要有兩種方式。（1）掃描式光固化成型技術。激光線掃描-SLA成型機。（2）面成型光固化成型技術。LCD、DLP投影燈面掃描-DLP成型機。一、

光固化成型工藝的分類光固化成型工藝原理圖激光從上至下照射，成型平臺在下方，樹脂槽在下方。1.傳統(tǒng)型光固化成型技術的基本原理二、

光固化成型工藝的基本原理工藝原理

激光從上至下照射，成型平臺在下方，樹脂槽在下方。主液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，在計算機控制下，特定波長的激光沿分層截面逐點掃描，聚焦光斑掃描處的液態(tài)樹脂吸收能量，發(fā)生光聚合反應而固化，從而形成制件的一個截面薄層；

一層固化完畢后，工作臺下降一層高度，然后刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，使先固化好的樹脂表面覆蓋一層新的樹脂薄層，再進行下一層的掃描固化，新固化的一層牢固地粘結在前一層上。如此依次逐層堆積，最后形成物理原型。除去支撐，進行后處理，即獲得所需的實體原型。二、

光固化成型工藝的基本原理1.傳統(tǒng)型光固化成型技術的基本原理注意：因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短時間內(nèi)流動鋪平已固化的面，這將會影響實體的成型速度和精度。采用刮板刮切后，樹脂便會被快速、均勻地涂敷在上一疊層上，這樣經(jīng)過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。SLA加工的零件零件支撐工作臺Agoodsurfacequality2.下置式光固化成型技術基本原理

成型過程與傳統(tǒng)型的方法正好相反：光從下面往上照射，成形件倒置于工作臺上，即最先成形的層片位于最上方，每層加工完之后，Z軸向上移動一層距離，液態(tài)樹脂充盈于剛加工的層片與底板之間，光繼續(xù)從下方照射，最后完成加工過程。下置式可提高零件制作精度，不需使用刮平樹脂液面的機構，制作時間有較大縮短。1—Z運動軸2—液態(tài)光敏樹脂

3—已固化實體

4—光源5—405nm波長光線6—離型膜

7—樹脂槽8—成型平臺

起始狀態(tài)中，成型平臺位于樹脂槽底部且與離型膜緊貼，此時成型平臺和離型膜兩者之間存在厚度極小的部分液體樹脂。打印開始時，面光源發(fā)出405nm波長的光線，照射到離型膜和成型平臺之間的薄層液體樹脂，使其產(chǎn)生光固化反應成為實體。成型一層后，Z運動軸將成型平臺提升，由于成型平臺粘結力遠大于離型膜，所以生產(chǎn)的一層實體層從離型膜上剝離，粘在成型平臺上。此后Z運動軸下降，使成型平臺上打印的實體層與離型膜之間僅有一層的高度縫隙，液體樹脂流淌填充該縫隙，面光源再次照射，新的一層實體再次生產(chǎn)。如此反復，最終形成了樹脂實體制件。傳統(tǒng)型和下置式優(yōu)缺點比較

傳統(tǒng)型（光源在上）下置式（光源在下）

優(yōu)點（1）成型穩(wěn)定。（2）結構簡單。（3）可實現(xiàn)大零件加工。（1）固化層約束在加工平臺和防粘涂層間，解決了翹曲變形的問題，提高了制件精度。（2）去掉了涂覆樹脂將液面保持水平的裝置（刮板），使系統(tǒng)更加簡潔。（3）使用高精度Z軸滑臺，很容易實現(xiàn)較小層厚的成型，有效減小了Z方向上的階梯效應，提高了精度和質(zhì)量。缺點（1）樹脂槽空間大，材料不便保存。（2）對于高度較大的零件，樹脂槽高度隨之增大，樹脂增加，回收困難。（3）使用刮板刮平，增加了成型時間。（1）樹脂槽使用壽命短，長時間使用防粘涂層受拉力影響易變形，透光率下降，涂層表面容易產(chǎn)生劃痕。（2）制件截面面積較大時，加工平臺和Z軸滑臺受力較大容易變形，制件容易從加工平臺脫落，導致制件失敗。（3）DLP投影機分辨率限制，難以大面積制件。（4）投影面內(nèi)單位面源被照射的輻射通量分布不集中。（5）高壓汞燈壽命短，亮度衰減。

MIP－SLA快速制造工藝是在SLA的基礎上發(fā)展而來的，它用投影產(chǎn)生的動態(tài)掩膜圖像代替在X－Y方向移動的激光點來照射固化光敏樹脂，可以實現(xiàn)一次照射，整層成型，大大提高了加工效率。相對于SLA，MP－SLA系統(tǒng)省去了X－Y兩個方向的運動控制系統(tǒng)及復雜的激光系統(tǒng)，設備的制造成本也大大降低。1．DLP投影原理光源高壓汞燈泡、高亮LED燈光或者激光光源提供，由紅、綠、藍三原色濾波系統(tǒng)組成的色輪根據(jù)投影頻率來動，產(chǎn)生全彩色的投影圖像。經(jīng)過濾波產(chǎn)生的三原色光線照射到DMD鏡片上，通過控制對應像素的開關狀態(tài)實現(xiàn)不同色光線的開關，經(jīng)過鏡頭后在投影平面上形成所需的圖像。DLP投影機具有圖像亮度大、對比度高和可靠性高的優(yōu)點，在MIP－SLA系統(tǒng)中的投影圖像具有更高的清度和對比度，可以用于高精度的增材制造系統(tǒng)。3.面成型光固化成型技術——基于DLP投影機的光固化成型工藝2、MP－SLA成型工藝原理（1）將待加工三維模型按照加工厚度切片生成二維的圖像，每層零件對應一張二維的圖像，圖像中的白色像素與黑色像素分別代表零件實體部分與非實體部分。（2）DLP投影機投影產(chǎn)生的掩膜圖像聚焦在光敏樹脂的液面上，圖像中白色像素區(qū)域將樹脂固化，實現(xiàn)此層的實體成型。（3）由Z軸滑臺帯動固化基座和已成型的零件向下移動一層，待液面填充后再進行下層的照射，直到整個模型被固化成型。與傳統(tǒng)的SLA成型技術的比較，MIP－SLA成型工藝的優(yōu)勢在于：（1）相對于SLA成型系統(tǒng)的逐點逐線成型工藝，MIP－SLA成型系統(tǒng)單次照射即可完成一整層的成型，具有較高的加工效率。（2）相對于將激光點聚焦到較小的尺寸，DLP投影機可以更容易地將投影圖像聚焦到更小的尺寸，因而可以實現(xiàn)更高精度的加工。（3）由于DLP投影機市場成本較低，而目省去了SLA工藝中復雜的XY軸的運動控制部分及激光系統(tǒng)，因此基于MP－SLA工藝的快速制造系統(tǒng)具有更低的成本。1.優(yōu)點:(1)尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以達到±0.1mm。最高可達0.025mm。(2)成型過程自動化程度高。SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開始后，成型過程可以完全自動化，直至原型制作完成。(3)表面質(zhì)量較好。雖然在每層固化時側面及曲面可能出現(xiàn)臺階，但上表面仍可得到玻璃狀的效果。(4)可以制作結構十分復雜的模型。三、光固化成型技術的特點2.缺

點（1）制件易變形。成型過程中材料發(fā)生物理和化學變化。（2）需要設計工件的支撐結構，否則會引起成型件變形。（3）設備運轉及維護成本較高。液態(tài)樹脂材料和激光器的價格較高。（4）可使用的材料種類較少。（5）液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護，以防止提前發(fā)生聚合反應，選擇時有局限性（6）需要二次固化。經(jīng)快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完全被激光固化。（7）液態(tài)樹脂一般較脆、易斷裂，不便進行機加工。

1.傳統(tǒng)型光固化成型工藝原理。激光從上至下照射，成型平臺在下方，樹脂槽在下方。主液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，在計算機控制下，激光沿分層截面逐點掃描，形成制件的一個截面薄層。一層固化完畢后，工作臺下降一層高度，然后刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，使先固化好的樹脂表面覆蓋一層新的樹脂薄層，再進行下一層的掃描固化，新固化的一層牢固地粘結在前一層上。如此依次逐層堆積，最后形成物理原型。2.下置式光固化成型工藝原理。光從下面往上照射，成形件倒置于工作臺上，即最先成形的層片位于最上方，每層加工完之后，Z軸向上移動一層距離，液態(tài)樹脂充盈于剛加工的層片與底板之間，光繼續(xù)從下方照射，最后完成加工過程。3.光固化成型工藝中刮板的作用？因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短時間內(nèi)流動鋪平已固化的面，這將會影響實體的成型速度和精度。采用刮板刮切后，樹脂便會被快速、均勻地涂敷在上一疊層上，這樣經(jīng)過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。本節(jié)內(nèi)容回顧3.光固化成型工藝的特點？優(yōu)點:(1)尺寸精度高。(2)成型過程自動化程度高。(3)表面質(zhì)量較好。(4)可以制作結構十分復雜的模型。缺

點：（1）制件易變形。（2）需要設計工件的支撐結