快速成型技术-第二章 (2.1SLA)

,快速成形技术（,RPT,）,Rapid Prototyping Technology,第二章 常用快速成型工艺方法,本章目标,了解常用的快速成型方法种类,掌握常用的各种快速成型方法的技术原理和特点,掌握各种快速成型方法常用的材料种类及特点,熟悉各种常用快速成型方法的工艺过程,了解各种快速成型方法的应用领域,回顾,快速成型与传统成型制造的理念思路的同异,不同之处：切削材料还是生长材料,相似之处：注塑、压铸、粉末冶金的传承,回顾,快速成型与传统成型制造的理念思路的同异,不同之处：切削材料还是生长材料,相似之处：注塑、压铸、粉末冶金的传承,立体光固化成型,工作原理,使用材料,技术特点,工艺过程,应用领域,熔融沉积成型,选择性激光烧结成型,三维印刷工艺,分层实体制造,常用的快速成型工艺方法主要有以下几种：,下面主要从五个方面讲解着几种常用的快速成型方法：,光固化快速成型工艺,，也常被称为立体光刻成型，英文的名称为,S,tereo,L,ithography，简称,SL,，也有时被简称为,SLA（StereoLithography Apparatus），该工艺是由Charles Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。,自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA-250以来，SLA已成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。,2.1 立体光固化成型工艺（SLA）,立体光固化快速成型法工作原理如图：,2.1.1 工作原理,光固化成型工艺的成型过程如图所示。液槽中盛满,液态光敏树脂,，,氦镉激光器,或,氩离子激光器,发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。,光固化快速成型工艺原理,一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。,因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。,图2-,2,光固化成型制造过程中残留的多余树脂,图2-3 吸附式涂层结构,立体光固化快速成型,系统组成：,2.1.1 工作原理,1.光学部分,（,1,）紫外激光器：氦,-,镉激光器、固体激光器。,（,2,）激光束扫描装置：基于检流计驱动式的扫描镜方式、,X-Y,绘图仪的方式。,2.树脂容器系统,（,1,）树脂容器：材料、容积,（,2,）升降工作台：分布小孔，步进电机驱动，升降工作台沿,Z,轴方向往复运动，位置精度。,2.1.2 使用材料,成型材料及相关性能会直接影响成型制件的质量与精度，在材料的成型加工过程中，成型制件出现各种变形都与成型材料有着密切的关系。,SLA,技术,所使用的材料为,液态光固化树脂材料,，也成为,液态光敏树脂,，如：,光敏环氧树脂、光敏环氧丙烯酸酯、光敏丙烯树脂等，,这种材料能在一定波长的光源（,300nm400nm,）照射下引发光聚合反应，完成液态到固态的转变,。,光固化树脂材料具有特殊的一些性能，如收缩率小或无收缩，变形小，不用二次固化，强度高。,2.1.2 使用材料,1.,光敏树脂的组成、分类及光固化特性分析,用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂,是在光能作用下会敏感的产生物理变化或化学反应的树脂,，,，主要由,齐聚物、光引发剂、稀释剂,组成，,当光引发剂受到一定波长（300nm400nm）的紫外线光辐射下会吸收光能，引发树脂中的预聚物和活性单体产生聚合固化反应。,根据光引发剂的引发机理，,光固化树脂可以分为三类,：,自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。,其中混杂型光固化树脂材料为SLA工艺新研制出的新型材料。,2.1.2 使用材料,1.,光敏树脂的,组成,、分类及光固化特性分析,齐聚物,是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子质量上升极快，立刻就可成为固体。齐聚物决定了光固化成型材料的基本物理和化学性能，如液态树脂的黏度、固化后的强度和硬度、固化后收缩率和溶胀率等。,光引发剂,是激发光敏树脂材料,交联反应,的特殊基团，当受到特定波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物（齐聚物），使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。,光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度,。,稀释剂,是一种功能性单体，结构中含有不饱和双键，如乙烯基、烯丙基等，可以调节齐聚物的粘度，但不容易挥发，且可以参加聚合。稀释剂一般分为单官能度、双官能度和多官能度。,此外，常规的添加剂还有阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、天然色素等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中保持较长的存放时间。,1.,光敏树脂的,组成,、分类及光固化特性分析,光引发剂受到一定波长的紫外光辐射时，会吸收光能，引发齐聚物与活性单体产生聚合固化反应；稀释剂主要是起到稀释作用，保证光敏树脂在室温下有足够的流动性,；,光引发剂和稀释剂的用量对光敏树脂的固化速度和质量有着重要影响。在一定范围内，增加光引发剂的用量可以适当加快固化速度，但若超出一定范围人继续增加，固化速度就会降低；稀释剂用量对液面流平影响较大，加大用量可以使液体黏度降低，流平性好，但如果使用过量，各线性分子链间隔过大，导致彼此相遇发生交联的机会下降，势必影响固化速度和质量。,2.1.2 使用材料,根据光引发剂的引发机理，,光固化树脂可以分为三类,：,(1)阳离子光固化树脂,主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：,1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%7%。,2）产品精度高。,3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。,4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。,5）粘度低，生产成型制件的强度高。,6,）产品可以直接用于注塑模具。,1.,光敏树脂的组成、,分类,及光固化特性分析,2.1.2 使用材料,(2)自由基光固化树脂,目前用于光固化成型材料的自由基齐聚物主要有三类：,第一类为环氧树脂丙烯酸酯，该类材料聚合快、制件的强度高但脆性大，产品制件的外形易变色发黄；,第二类为聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性和固化质量较好，其成型制件的性能可调节范围较大；,第三类材料为聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。,1.,光敏树脂的组成、,分类,及光固化特性分析,(3)混杂型光固化树脂,最近，西安交通大学通过研究开发，以固化速度较快的自由基光固化树脂材料为骨架结构，再以收缩、变形小的阳离子光固化树脂材料为填充物，制成混杂型光固化树脂材料，并将其用于SLA技术。其优点主要有：,1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计成无收缩的聚合物。,2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。,3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。,1.,光敏树脂的组成、,分类,及光固化特性分析,2.1.2 使用材料,2.1.2 使用材料,2.,快速成型的光敏树脂材料需要具备以下性能特点：,首先，光固化成型材料需具备两个基本条件：能够固化成型；成型后制件的形状、尺寸稳定。此外，还应满足一下条件：,（,1,）,光敏性好，,对紫外光响应率要高，能迅速固化，并具有较小的临界曝光值和较大的固化穿透深度；,（,2,）,固化收缩小,，固化收缩会导致零件产生变形、翘曲、开裂等，从而影响成型制件的精度，收缩性低有利于高精度制件的成型；,（,3,）,黏度低,，分层固化，因此液体树脂黏度必须低，以便在前一层上迅速流平；,（,4,）,溶胀小，,由于在成型过程中固化产物一直浸润在液态树脂中，如果固化产物易发生溶胀，将会导致制件出现明显变形；,（,5,）,固化前性能稳定，,可见光照射下不发生化学反应；,（,6,）,固化产物机械强度较好，耐化学试剂，易于洗涤和干燥，并具有良好的热稳定性。,（,7,）,毒性小，,由于未来的3D打印过程可能需要在办公室等人员密集的环境中完成，因此对材料单体及齐聚物的毒性，大气污染程度都有严格要求。,下面分别介绍Vantico公司、3D Systems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、适用场合以及选择方案等。,（1）Vantico公司的SL系列,下表给出了Vantico公司提供的光固化树脂在各种3D Systems公司光固化快速成型系统和原型不同的使用性能和要求情况下的光固化成型材料的选择方案。,3.光固化成型材料介绍,（2）3D Systems 公司的Accura系列,3D Systems公司的ACCURA系列光固化成型材料主要有用于SLA Viper si2、SLA3500、SLA5000和SLA7000系统的ACCUGEN,TM,、ACCUDUR,TM,、SI10、SI20、SI30、SI40 Nd系列型号和用于SLA250、SLA500系统的SI40 Hc & AR型号等。,部分3D Systems 公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。,（3）3D Systems 公司的RenShape系列,3D Systems公司研制的,RenShape7800,树脂主要面向成型精确及耐久性要求较高的光固化快速原型，在潮湿环境中尺寸稳定性和强度持久性较好，粘度较低，易于层间涂覆及后处理时粘附的表层液态树脂的流干，适用于高质量的熔模铸造的母模、概念模型、功能模型及一般用途的制件等。,RenShape7810,树脂与RenShape7800树脂的用途类似，制作的模型性能类似于ABS，用于制作尺寸稳定性较好的高精度高强度模型，适于真空注型模具的母模、概念模型、功能模型及一般用途的制件等。,RenShape7820,树脂固化后的模型颜色为黑色，适于制作消费品包装、电子产品外壳及玩具等。,RenShape7840,树脂固化后的模型呈象牙白色，性能类PP塑料，具有较好的延展性及柔韧性，适于尺寸较大的概念模型。,RenShape7870,树脂制作的模型强度与耐久性都较好，透明性优异，适于高质量的熔模铸造的母模、大尺寸物理性能与力学性能都较好的透明模型或制件的制作等。,上述3D Systems 公司的RenShape系列材料的性能如下表所示。,（4）DSM公司的SOMOS系列,DSM公司的SOMOS系列环氧树脂主要是面向光固化快速成型开发的系列材料，部分型号的性能及主要指标如下表所示。,20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles Hull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。,同年，Charles Hull和UVP的股东们一起建立了,3D Systems,公司，并于1988年首次推出,SLA-250,机型，,如图所示。,3D Systems公司的SLA-250机型,3.光固化快速成型设备,目前，研究光固化成型（SLA）设备的单位有,美国的3D Systems公司、,Aaroflex公司，,德国的EOS公司,、F&S公司，法国的Laser 3D公司，,日本的SONY/D-MEC公司,、Teijin Seiki公司、Denken Engieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，,以色列的Cubital公司,以及国内的,西安交通大学、上海联泰科技有限公司、华中科技大学,等。,在上述研究SLA设备的众多公司中，美国3D Systems公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大。,3D Systems公司在继1988年推出第一台商品化设备SLA-250以来,，,又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足的进步。其中，SLA3500和SLA5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成层厚最小可达0.05mm。,此外，还采用了一种称之为Zephyer recoating system的新技术，该技术是在每一成型层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.050.1mm的待固化树脂，使成型时间平均缩短了20%。SLA3500和SLA5000两种型号设备如图2-6和图2-7所示。该公司于1999年推出SLA7000机型，如图2-8所示。SLA7000与SLA5000机型相比，成型体积虽然大致相同，但其扫描速度却达9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型层厚最小可达0.025mm，精度提高了一倍。3D Systems公司推出的较新的机型还有Vipersi2 SLA（如图2-9所示）及Viper Pro SLA系统。,3D Systems公司的,SLA-3500,机型,3D Systems公司的,SLA-5000,机型,3D Systems公司的,SLA-7000,机型,3D Systems公司的,Vipersi2SLA,机型,3D Systems公司的,Viper Pro SLA,机型,国内西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的研究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成型机如图所示。,图,2-,11,SPS600,成型机,图2-,12,LPS600,成型机,西安交通大学光固化成型机主要,性能指标与技术特征,:,该成型机激光器、扫描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度SPS最大可达7m/s、LPS可达2m/s，精度达0.1mm；全范围扫描分辨率达3.6m，整机控制精度达50m，高于国外同类机器水平，保证了可靠性；扫描光斑直径=0.2mm，SPS激光寿命5000h，LPS激光寿命2000h，与国外水平相同。,采用了快速排序分层法，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊断和修复功能。,国际上创新的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。优于美国3D Systems公司的工艺方法；拐角误差采用自适应延时控制，较少了轮廓误差的影响，此为国际首创。,零件成型精度达0.1mm(100mm)，与国外水平相同；样件测试尺寸合格率达到美国3D Systems公司SLA系列机器的水平，高于日本CMET公司Soup型机器的水平。,不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首创；且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和开放性。优于美国3D Systems公司、日本CMET公司的同类产品。,零件模型管理和成型数据生成软件在Windows95下自主开发、整机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且三维STL模型的检视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现了图视化操作；而成型控制软件是在DOS下开发，保证满足了控制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。,上海联泰科技有限公司开发的光固化成型设备主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等机型。,RS-600S,光固化成型机,2.1.3 技术特点,技术优势,技术局限,（,1,）成型过程自动化程度高,（,2,）成型速度快，效率高,（,3,）成型精度高,（,4,）成型表面质量优良,（,5,）成型材料利用率高，能耗少,（,6,）无噪音，无振动,（1）制件易变形，尺寸稳定性差,（2）需要设计支撑结构,（3）强度不高,（4）材料、设备运转和维护的成本都比较高,（5）可使用的材料较少,（6）工作环境要求高,（7）制件需要进行后处理,2.1.4 工艺过程,SLA,的工艺过程一般可分为前处理、原型制作和后处理三阶段，各阶段,的工艺流程如下图所示：,前期数据获取,点云转换和处理,制作,方向,设定,支撑设计,数据分层处理,快速成型机加工,样件的后处理,三维造型,前处理,主要包括以下过程：,数据获取,数据转换,设定制作方向,施加支撑,模型分层,原型制作,S,LA成型是在专用的SLA设备上进行的。制作前，提前启动SLA设备，使树脂材料达到预设合理温度。启动设备控制软件，读入前处理的分层数据文件，开始叠层制作，整个过程在设备软件的控制下自动完成。,后处理,制作完成后，需要进行一系列的后处理工作：,取出原型,清洗原型，去除残留树脂,去除支撑并修整原型,后固化处理,打磨原型,1.前处理,主要包括以下过程：数据获取、数据转换、设定制作方向、施加支撑和模型分层。,数据获取（,CAD,模型,）方法有两种：正向设计或逆向工程。,对原型的,CAD模型,进行,数据转换,、,设定制作方向,、,施加支撑,和,模型分层,，,实际上就是为,原型的制作准备数据,。,以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程：,（1）CAD三维造型（或逆向工程）,三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现。,1.前处理,（2）数据转换,数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的分层数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形面片来逼近模型的外表面。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。,（3）,设定制作方向,原型的制作方向,十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此是一个重要的环节，需要综合考虑各种因素。,一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择,尺寸最小的方向作为叠层方向,。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。,确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放，同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。,（4）施加支撑,制作方向,确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。,支撑在快速成型过程中是与原型同时制作的确保原型的每一部分都能被可靠的固定，并减少原型在制作过程中发生翘曲变形。,为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是点接触。,a) CAD三维原始模型,b) CAD模型的STL数据模型,光,固化快速原型前处理,c) 模型的摆放方位,d) 模型施加支撑,模型,支撑,工作台,模型,工作台,支撑在快速成型制作中是与原型同时制作的，支撑结构除了确保原型的每一结构部分都能可靠固定之外，还有助于减少原型在制作过程中发生的翘曲变形。在原型的底部也设计和制作了支撑结构，这是为了成型完毕后能方便地从工作台上取下原型，而不会使原型损坏。成型过程完成后，应小心地除去上述支撑结构，从而得到最终所需的原型。,支撑结构示意图,支撑结构的作用和类型：,作用：,支撑作用和减少翘曲变形。,类型：,斜支撑,主要用于支撑悬臂结构部分，在成型过程中为悬臂提供支承，同时也约束悬臂的翘曲变形。,主要用于支承腿部结构,直支撑,支撑结构的作用和类型：,作用：,支撑作用和减少翘曲变形。,类型：,腹板,十字壁板,主要用于孤立结构部分的支撑。,主要用于大面积的内部支承 。,（5）切片分层,支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图2-17给出的是该扳手的光固化原型。,某手柄的光固化快速原型,2.原型制作,光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使得树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。,在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。,界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。,SPS600,光固化成型设备控制软件界面,界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。,3.后处理,在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行,一系列的,后续处理工作，,如除废料、剥离支撑结构、进行后固化处理等等,。对于光固化成型方法成型的原型，,此时原型还留有部分未完全固化的树脂，,还需,用强紫外光,进行后固化处理等,；,SLA,原型制件由于是逐层硬化的，层与层之间可能会出现台阶，必须去除,。,主要包括以下过程：,取出原型,清洗原型，去除残留树脂,去除支撑并修整原型,后固化处理,打磨原型,原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留510min，以晾干多余的树脂。,将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。,1,2,，,下面以某一SLA原型为例给出其后续处理的步骤和过程,从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。,再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。,3,4,2.1.5 应用领域,S,LA,工艺由于具有成型过程自动化程度高、原型表面质量好、尺寸精度高以及成型效果较为精细等特点，在航天军工、汽车制造、家电制造等行业的概念设计交流、产品模型制造、快速模具制造等方面得到了广泛应用。,（,1,）航天军工,领域,使用SLA工艺制造的装有传感器的弹体外壳,雷神公司的战术导弹全尺寸SLA模型,（2）汽车制造领域,使用SLA工艺制造的仪表盘盖模型,使,用SLA工艺制造的实验用发动机管道模型,（3）模具制造领域,（a）SLA成型的树脂原型,（b）精铸件,使用SLA工艺制造的树脂原型和精铸件,