固化快速成型技术的控制原理及应用

光固化快速成型技术的控制原理及应用摘要：光固化快速成型技术是一种新型加工方法，它集现代数控技术、CAD/CAM技术、激光技术和新材料技术于一体，突破了传统加工模式，大大缩短产品生产周期，在制模、直观分析测试制品及医学上有广泛的用途。本文概述了光固化快速成型技术的原理及应用。关键词：光固化快速成型；原理；控制；应用快速成型技术是当今世界飞速发展的制造技术之一。这种方法能简捷、全自动地制造出历来各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在加工技术领域具有划时代的作用[1，2]。光固化快速成型技术(StereoLithographyApparatus简称SLA)是80年代中期开发的先进制造手段，在快速成型方法中使用较为广泛。它的突破性在于将传统的“去除”加工法(由毛坯去除多余部分制成零件)改进为增加加工法(由材料逐层累积形成零件)。SLA以其方便、生产周期短而在铸造、模具与塑料加工行业得到了越来越广泛的应用[3～5]。1成型原理光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，它的成型原理[6～8]是：SLA将所设计零件的三维计算图像数据转换成一系列很薄的模型截面数据，然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓。下一层以同样的方法制造。该工艺从零件的最底薄层截面开始，一次一层连续进行，直到三维立体模型制成。一般每层厚度为0.076～0.381mm，最后将制品从树脂液中取出，进行最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色即可。图1所示为SLA控制原理示意图。图1SLA控制原理要实现光固化快速成型，感光树脂的选择也很关键。它必须具有合适的粘度，固化后达到一定的强度，在固化时和固化后要有较小的收缩及扭曲变形等性能。更重要的是，为了高速、精密地制造一个零件，感光树脂必须具有合适的光敏性能，不仅要在较低的光照能量下固化，且树脂的固化深度也应合适。2成型过程及控制光固化快速成型的过程分为前处理、分层叠加成型及后处理三个阶段，具体步骤如图2所示。图2SLA的工艺过程快速成型机只能接受计算机构造的三维模型，然后才能进行切片处理。因此，应在计算机上采用计算机三维辅助设计软件，根据产品的要求设计三维模型或将已有产品的二维三视图转换成三维模型。制品越复杂，构制三维模型越困难。用于构造模型的计算机辅助设计软件很关键，要求具有较强的三维造型功能。目前快速成型行业中常用的计算机辅助软件系统主要有Pro/ENGINEER、AutoCAD等。其中，Pro/ENGINEER软件因有较强的实体造型和表面造型功能，可构造非常复杂的模型，所以受到许多用户的好评，但其价格较贵，系统较庞大，使用界面不够友好，新用户使用常需一段熟悉和积累经验的过程。AutoCAD虽价格低，操作简单，但成型复杂制品困难，设计费工费时。近年推出的SolidWorks的价格比较便宜，能基本满足三维造型的要求，且界面友好，容易掌握，因此不少用户对此软件感兴趣。上述计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，基中常见的有IGES(InternationalGraphicsExchangeStandard)、HPGL(HPGraphicsLanguage)、STEP(StandardfortheExchangeofProduct)、DXF、STL(StereoLithographyInterfaceSpecification)等。STL格式是快速成型机常采用的一种模型文件输出格式。3应用要将一种新产品成功地投入到竞争激烈的市场中需要其产品开发的速度快及生产周期短。只有将快速与柔性制造工艺结合才能达到理想效果。SLA集现代控制技术、CAD/CAM技术、激光技术和新材料科学的成果与一体，突破了传统加工模式，大大缩短了产品的生产周期，提高了产品的市场竞争力。目前光固化快速成型技术的应用主要有:(1)用SLA制造模具用SLA工艺快速制成的立体树脂模可以代替蜡模进行结壳，型壳焙烧时去除树脂膜，得到中空型壳，即可浇注出具有高尺寸精度和几何形状、表面光洁度较好的合金铸件或直接用来制注射模的型腔，可以大大缩短制模过程，缩短制品开发周期，降低制造成本。(2)对样品形状及尺寸设计进行直观分析在新产品设计阶段，虽然可以借助设计图纸和计算模拟对产品进行评价，但不直观，特别是形状复杂产品，往往因难于想象其真实形貌而不能作出正确、及时的判断。采用SLA可以快速制造样品，供设计者和用户直观测量，并可迅速反复修改和制造，可大大缩短新产品的设计周期，使设计符合预期的形状和尺寸要求。(3)用SLA制件进行产品性能测试与分析在塑料制品加工企业，由于SLA制件有较好的机械性能，可用于制品的部分性能测试与分析，提高制品设计的可靠性。(4)进行单件或小批量产品的制造在一些特殊行业，有些制件只需单件或少于50的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。一般可用SLA直接进行成型，成本低，周期短。(5)在医学上的应用外科医生已利用CT与MRI所得数据，用SLA制造模型，以便策划头颅和面部手术。他们还用SLA制成模型进行复杂手术练习，为牙齿、骨移植等手术设计样板。4结语SLA技术是一种新型成型方法，虽然问世不久，但已广泛应用于国民经济的许多领域，给许多行业带来了巨大的经济效益。特别是随着科技不断进步，要求制品生产周期越来越短，这为光固化快速成型的生产与发展带来一个绝好机遇。且光固化体系是绿色新技术，符合国家环保政策，将为模具、塑料等行业带来丰厚回报，其自身也将获得更大的发展。目前SLA技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛。我国仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了光固化快速成型机，但不管是在质量及数量上，还是在应用领域方面，与国外相比都还有较大的差距。只有不断推广SLA技术，加以不断完善，才能在该领域赶上并超过发达国家。利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方法该发明提出了一种利用分层实体制造（ＬＯＭ）快速成型技术制造碳化硅陶瓷复合材料零件的工艺方法，其将快速成型技术易于制造形状复杂零件的特点和反应烧结碳化硅技术相结合，克服了传统工艺的缺陷，可以解决复杂形状的陶瓷结构件制造难题。主要方法为：根据分层实体制造原理，以卷筒纸作为制件成型材料，以酚醛树脂作为粘结剂，通过快速成型工艺制成原型，通过热解工艺转化为三维碳支架。然后进行高温渗硅，硅在碳支架上进行原位反应形成碳化硅陶瓷及其复合材料构件。该方法实现了复杂形状碳化硅陶瓷构件的无模制造。利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方法一种利用分层实体快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工艺方法，以纸和酚醛树脂为原料，其特征在于，具体包括下列步骤：１）根据实际要求，构造制件的三维数据模型，并将数据模型转化为ＳＴＬ格式文件；２）用快速成型机自身的分层软件做分层处理，并将处理数据导入制造程序中；３）选用醇溶性的酚醛树脂作为粘结剂，卷纸作为成型材料；４）用快速成型机制造出纸质前驱体快速原型；５）将纸质前驱体快速原型放入烘干箱中进行后期固化，烘干起始温度为６０℃，每１０小时将温度升高２０℃，直至温度升到１２０℃时停止，取出进行碳化，得到纸质前驱体快速原型制件；６）将得到的纸质前驱体快速原型制件放入氮气氛热解炉３中碳化，升温速度：每小时１００℃，碳化温度：８００℃～１０００℃，保温时间为：１～２ｈ，然后随炉冷却至室温取出，得到制件的三维碳支架；７）制件的三维碳支架放入石墨坩锅２并用Ｓｉ粉４包埋，硅与三维碳支架重量比为３∶１，然后放进真空高温炉５中加热，升温速度：每小时６００℃，反应温度：１４５０℃～１５５０℃，保温时间为：０．５～１ｈ，再升至１６５０℃，抽真空排Ｓｉ２０～３０ｍｉｎ，随炉冷却至室温取出，即可获得碳化硅陶瓷复合材料的成型制件。选择性激光烧结技术制造金属钢模具研究现状及应用前景1引言作为快速原型技术之一的选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)成型技术已被用来制造模型、制件、模具等工业用品和生活用品。作为快速模具制造技术的一种加工手段，它在模具制造业更是得到青睐，所制造的模具类型主要有：熔模、消失模、精铸模及型芯等铸造用模具，以及注射模、压铸模等金属钢质模具。制造的模具种类与它所采用的成型材料、成型设备等关键技术有关，如成型材料为石蜡粉、塑料(PS、ABS)粉，模具类型为熔模；成型材料为聚苯乙烯粉、聚碳酸脂粉，模具类型为消失模；成型材料为陶瓷粉，模具类型为精铸模；成型材料为覆膜钢粉、合金粉末，模具类型为注射模等。在应用SLS技术制造的模具中有一类为金属钢质模具，它的特点是材料为金属，具有很高的强度、硬度和使用寿命，在生产中被大量采用，此类诸如注射模、压铸模、冲压模等类型。由于这螳模具的成型对象和工作条件不同，模具的结构和性能要求相差也很大。如注射模的工作温度不高，对模具的强度要求也不太高，但对模具型腔表面的硬度和表面质量要求却很高，要光洁、耐磨、耐腐蚀；压铸模的工作温度高，瞬间压力大，要抗高温下的氧化与腐蚀、抗龟裂，对模具和模具型腔的强度、表面硬度和质量要求都很高；冲压模一般在常温下工作，但对模具的强度、硬度、耐磨性、韧性要求都很高。由此可以看出，不同的钢模具在应用SLS技术制造时很多方面都会有所不同，在这些钢模具中，以注射模等制造塑料制品的模具，工作温度为150～250℃，压力为40～150MPa，强度要求并不高，对材料自身的力学性能要求相对低些，降低了零件制造过程中的难度，最先有可能在应用SLS技术制作金属钢模具领域取得突破，获得成功。因此，国内外在该研究领域所采取的步骤策略一般为先易后难，先对注射模的制造获得成功取得经验后，再向其他金属模具扩展延伸。至目前为止，应用选择性激光烧结技术制造金属钢模具的研究已经有了注射模和压铸模。现将其的研究及应用情况作一介绍，以便更好地了解这一技术。2研究现状2.1SLS技术制造钢模具的主要方法应用SLS技术制造钢模具主要分为两种方法：一类为间接金属粉末激光烧结制模法。即用SLS工艺烧结用黏结剂包裹的金属粉末，黏结剂熔化后将金属粉末粘接在一起形成半成品，再将半成品升温烧结，黏结剂气化并被去除得到钢骨架半成品，再对黏结剂气化后留下的空隙进行金属熔渗处理得到成型模具型腔零件。这种制模方法的优点是对成型设备的激光器功率要求低，只要使黏结剂熔化就可，目前市面上大多数成型设备的激光器功率为50W，都可以满足此类方法的功率要求。其缺点是T艺过程相对复杂，用SLS工艺烧结出的半成品，还须在一定的条件下完成后面的工序烧结和渗金属等程序，成型后的模具零件力学性能也不是很好，表面硬度低，精度相对低，成型效果受到各工序的影响。可以用机械加工的方法来进行弥补，模具耐用度不高，寿命达几百件至几万件，只相当于用传统工艺加工的模具寿命的五十分之一。另一类为直接金属粉末激光烧结制模法。即用SLS工艺烧结纯金属粉末使其熔化粘接在一起形成模具型腔零件，再向其渗入适量树脂，以减少零件内部的孔隙，提高其的抗拉和弯曲强度。这种方法工艺简单，但对SLS技术提出了更高的要求，设备方面需要大功率的成型设备以使被烧结的金属粉末熔化，还须研制适宜烧结成型的金属粉末材料。用这种方法获得的模具零件力学性能好，表面硬度高，质量好，精度好，寿命达几百件至几千万件，接近用传统工艺制造的模具工作性能，而且适应范围广泛的各种金属钢质模具的制造，是公认的在金属制造领域SLS最有前途的一项技术，受到国内外许多研究单位的关注和重视，并因而对此展开了各项研究。2.2粉末材料的研究SLS技术可制作金属钢模具主要在于它的成型粉末材料可以用金属来制成，那么是不是把现有的金属模具类用材料制成粉末用在SLS技术中就可以制造金属钢模具了呢?回答是否定的。金属模具用材料大都为合金类钢材，熔化温度高，且熔化是在一个温度区间进行的，区间的大小对合金粉末的烧结带来不同的影响，一次烧结，只有部分合金粉末熔化，如果组元过多，烧结工艺就变得复杂，不能实现SLS工艺的烧结