1、第2章 光固化快速成型工艺,快速成型与快速模具制造技术 及其应用,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StereoLithography，简称SL或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
2、高、几何形状较复杂的原型。,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,图2-1 光固化快速成型工艺原理,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。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
3、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。,2.1 光固化成型的基本原理,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,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,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,图2-3 吸附式涂层结构,吸附式涂层机构在刮板静止时，液态树脂在表面张力作用下，吸附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂
4、会均匀涂敷到已固化的树脂表面。此外，涂敷机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2.2 光固化成型技术的特点 优点： 成型过程自动化程度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。 尺寸精度高SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 优良的表面质量虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。 可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型 可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型 制作的原型可以一定程度地替代塑料件,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和
5、特点,缺点： 制件易变形成型过程中材料发生物理和化学变化 较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料 设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高 使用的材料较少目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料 液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性 需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。,2-1 光固化快速成型工艺的基本原理和特点,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,2.2.1
6、 光固化快速成型材料 1. 光固化材料优点及分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点：（1）固化快可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2）不需要加热这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3）可配成无溶剂产品使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。 （4）节省能量。各种光源的效率都高于烘箱。 （5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。 （6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。,2-2 光固化快速成型材料及设备,用于光固化快速成型的材料为液
7、态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。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。(1)自由基光固化树脂主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性较好，固化质量也较好，成型制件的性能可调范围较大；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。,2-2 光固化快速成型材料及设备,(2)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
8、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。6）生坯件强度高。7）产品可以直接用于注塑模具。,2-2 光固化快速成型材料及设备,(3)混杂型光固化树脂目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。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
9、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。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2. 光敏树脂的组成及其光固化特性分析（1）光敏树脂用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。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，分子量上升极快，很快就可成为固体。光引发剂是激发光敏树脂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
10、基团，作用于基料的高分子聚合物，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。,2-2 光固化快速成型材料及设备,3.光固化成型材料介绍SLA技术用材料根据其工艺原理和原型制件的使用要求，要求其具有粘度低、流平快、固化速度快且收缩小、溶胀小、无毒副作用等性能特点。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
11、用性能和要求情况下的光固化成型材料的选择方案。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,（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ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40 Nd系列型号和用于SLA250、SLA500系统的SI40 Hc & AR型号等。其中，ACCUGENTM材料在进行SLA技术光固化后，其原型制件具有较高的精度和强度、较好
12、的耐湿性等良好的综合性能。 ACCUGENTM材料的成型速度也较快，且原型制件的稳定性也好。部分3D Systems 公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,（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RenSh
13、ape7800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
14、。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,（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。,2-2 光固化快速成型材料及设备,2.2.2 光固化快速成型设备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UV
15、P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。,图2-5 3D Systems公司的SLA-250机型,2-2 光固化快速成型材料及设备,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C
16、ubital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。,2-2 光固化快速成型材料及设备,图2-6 3D Systems公司的 SLA-3
17、500机型,图2-7 3D Systems公司的SLA-5000机型,2-2 光固化快速成型材料及设备,图2-8 3D Systems公司的SLA-7000机型,图2-9 3D Systems公司的Vipersi2SLA机型,2-2 光固化快速成型材料及设备,图2-10 3D Systems公司的Viper Pro SLA机型,2-2 光固化快速成型材料及设备,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。,图2-11 SPS600成型机,图2-12 LPS
18、600成型机,2-2 光固化快速成型材料及设备,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。,图2-13 RS-600S光固化成型机,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,2-2 光固化快速成型材料及设备,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。 1.前处理前处理阶段主要是对原型的
19、CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面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。,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,（1）CAD三维造型 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，图2-14a给出的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。,a) CAD三维原始模型,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,（2）数据转换 数据转换是对产品CAD模型的近似处
20、理，主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图2-14b所示。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。,b) CAD模型的STL数据模型,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,（3）确定摆放方位摆放方位的处理是十分重要的，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，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。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
21、，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，如图2-14c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,（4）施加支撑摆放方位确定后，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
22、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。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，图2-14d示意的支撑结构就是点支撑。,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,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,图2-14,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。从图2-15
23、还可见，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。,图2-15 支撑结构示意图,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,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,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,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：,十字壁板,主要用于孤立结构部分的支撑。,腹板,主要用于大面积的内部支承。,2-3 光固化
24、成型工艺的工艺过程,（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 某手柄的光固化快速原型,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,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
25、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。,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,图2-18 SPS600光固化成型设备控制软件界面,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。,1,2,3.后处理,2-3 光固化成型工艺的工艺过程,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。,3,4,2-3 光固化
26、成型工艺的工艺过程,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,2.4.1 光固化成型中树脂收缩变形树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其体收缩率约为10%，线收缩率约为3%。树脂收缩主要有两部分组成：一部分是固化收缩，另外一部分是当激光扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀冷缩。（1）零件成型过程中树脂收缩产生的变形 （2）后固化时收缩产生的变形 后固化收缩量占总收缩量的25%40%左右。,2-4 光固化成型的精度及效率,2.4.2 光固化快速成
27、型的精度光固化成型的精度一直是设备研制和用户制作原型过程中密切关注的问题与持续需要解决的难题。控制原型的翘曲变形和提高原型的尺寸精度及表面精度一直是研究领域的核心问题之一。原型的精度一般包括形状精度、尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。,2-4 光固化成型的精度及效率,影响光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型过程中的数据处理、成型过程中光敏树脂的固化收缩、
28、光学系统及激光扫描方式等。按照成型机的成型工艺过程，可以将产生成型误差的因素按下图所示分类。,图2-20 光固化成型误差,2-4 光固化成型的精度及效率,1. 几何数据处理造成的误差在成型过程开始前，必须对实体的三维CAD模型进行STL格式化及切片分层处理，以便得到加工所需的一系列的截面轮廓信息，在进行数据处理时会带来误差。如图2-22所示。 措施（1）：直接切片为减小几何数据处理造成的误差，较好的办法是开发对CAD实体模型进行直接分层的方法，在商用软件中，Pro/Engineer具有直接分层的功能，如图2-23所示。,图2-22 弦差导致截面轮廓线误差,图2-23 Pro/E对实体的三维CA
29、D模型直接分层,2-4 光固化成型的精度及效率,措施（2）：自适应分层切层的厚度直接影响成型件的表面光洁度。因此，必须仔细选择切层厚度，有关学者采用不同算法进行了自适应分层方法的研究，即在分层方向上，根据零件轮廓的表面形状，自动地改变分层厚度，以满足零件表面精度的要求，当零件表面倾斜度较大时选取较小的分层厚度，以提高原型的成形精度；反之则选取较大的分层厚度，以提高加工效率，如图2-25所示。,图2-25 自适应分层,2-4 光固化成型的精度及效率,2. 成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形光固化成型工艺中，液态光敏树脂在固化过程中都会发生收缩，收缩会在工件内产生内应力，沿层厚从正在固化的层表
30、面向下，随固化程度不同，层内应力呈梯度分布。在层与层之间，新固化层收缩时要受到层间粘合力限制。层内应力和层间应力的合力作用致使工件产生翘曲变形。措施： （1）成型工艺的改进 （2）树脂配方的改进,2-4 光固化成型的精度及效率,3. 树脂涂层厚度对精度的影响在成型过程中要保证每一层铺涂的树脂厚度一致，当聚合深度小于层厚时，层与层之间将粘合不好，甚至会发生分层；如果聚合深度大于层厚时，将引起过固化，而产生较大的残余应力，引起翘曲变形，影响成型精度。在扫描面积相等的条件下，固化层越厚，则固化的体积越大，层间产生的应力就越大，故而为了减小层间应力，就应该尽可能地减小单层固化深度，以减小固化体积。 措
31、施：（1） 二次曝光法多次反复曝光后的固化深度与以多次曝光量之和进行一次曝光的固化深度是等效的。 （2）减小涂层厚度，提高Z向的运动精度。,第4节 光固化成型的精度及效率,4. 光学系统对成型精度的影响 在光固化成型过程中，成型用的光点是一个具有一定直径的光斑，因此实际得到的制件是光斑运行路径上一系列固化点的包络线形状。如果光斑直径过大，有时会丢失较小尺寸的零件细微特征，如在进行轮廓拐角扫描时，拐角特征很难成型出来，如图2-26所示。聚焦到液面的光斑直径大小以及光斑形状会直接影响加工分辨率和成型精度。,图2-26 轮廓拐角处的扫描,2-4 光固化成型的精度及效率,措施（1）：光路校正 在SLA
32、系统中，扫描器件采用双振镜模块(图2-27中a和b)，设置在激光束的汇聚光路中，由于双振镜在光路中前后布置的结构特点，造成扫描轨迹在x轴向的“枕形”畸变，当扫描一方形图形时，扫描轨迹并非一个标准的方形，而是出现图2-28中的“枕形”畸变。“枕形”畸变可以通过软件校正。,图2-28 枕形畸变示意图,图2-27 振镜扫描系统原理结构图,2-4 光固化成型的精度及效率,措施（2）：光斑校正双振镜扫描的另一个缺陷是，光斑扫描轨迹构成的像场是球面，与工作面不重合，产生聚焦误差或z轴误差。聚焦误差可以通过动态聚焦模块得到校正，动态聚焦模块可在振镜扫描过程中同步改变模块焦距，调整焦距位置，实现z轴方向扫描，
33、与双振镜构成一个三维扫描系统。聚焦误差也可以用透镜前扫描和透镜进行校正，扫描器位于透镜之前，激光束扫描后射在聚焦透镜的不同部位，并在其焦平面上形成直线轨迹与工作平面重合,如图2-29所示。这样可以保证激光聚焦焦点在光敏树脂液面上，使达到光敏树脂液面的激光光斑直径小，且光斑大小不变。,图2-29 f透镜扫描,2-4 光固化成型的精度及效率,5. 激光扫描方式对成型精度的影响扫描方式与成型工件的内应力有密切关系，合适的扫描方式可减少零件的收缩量，避免翘曲和扭曲变形，提高成型精度。SLA工艺成形时多采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径均互相平行，在边界线内往复扫描进行填充，也称为Z字形（Z
34、ig-Zag）或光栅式扫描方式，如图2-30a所示。,2-4 光固化成型的精度及效率,a) 顺序往复扫描 b)分区域往复扫描,图2-30 Z字形扫描方式,图2-30b中采用分区扫描方式，在各个区域内采用连贯的Zig-Zag扫描方式，激光器扫描至边界即回折反向填充同一区域，并不跨越型腔部分；只有从一个区域转移到另外一个区域时，才快速跨越。这种扫描方式可以省去激光开关，提高成型效率，并且由于采用分区后分散了收缩应力，减小了收缩变形，提高了成型精度。,光栅式扫描又可分为长光栅式扫描和短光栅式扫描。应用模拟和试验的方法扫描加工悬臂梁，结果表明与长光栅式扫描相比较采用短光栅式扫描更能减小扭曲变形。采用跳
35、跃光栅式扫描方式（如图2-31所示）能有效的提高成型精度，因为跳跃光栅式扫描方式可以使已固化区域有更多的冷却时间，从而减小了热应力。,a) 跳跃长光栅式扫描方式 b)跳跃短光栅式扫描方式,图2-31 跳跃光栅式扫描方式,2-4 光固化成型的精度及效率,对扫描方式的研究表明，在对平板类零件进行扫描时易采用螺旋式扫描方式（如图2-32所示），且从外向内的扫描方式比从内向外的扫描方式加工生产的零件精度高。,b)跳跃短光栅式扫描方式,图2-32 螺旋式扫描方式,a) 跳跃长光栅式扫描方式,2-4 光固化成型的精度及效率,6. 光斑直径大小对成型尺寸的影响在光固化成型中，圆形光斑有一定直径，固化的线宽等
36、于在该扫描速度下实际光斑直径大小。如果不采用补偿，光斑扫描路径如图2-33a所示。成型的零件实体部分外轮廓周边尺寸大了一个光斑半径，而内轮廓周边尺寸小了一个光斑半径，结果导致零件的实体尺寸大了一个光斑直径，使零件出现正偏差。为了减小或消除实体尺寸的正偏差，通常采用光斑补偿方法，使光斑扫描路径向实体内部缩进一个光斑半径，如图2-33b所示。从理论上说，光斑扫描按照向实体内部缩进一个光斑半径的路径扫描，所得零件的长度尺寸误差为零。,a)未采用光斑补偿时的扫描路径 b)采用光斑补偿时的扫描路径,图2-33 光斑尺寸及扫描路径对制件轮廓尺寸的影响,2-4 光固化成型的精度及效率,4.3 光固化成型的制
37、作效率 1. 影响制作时间的因素光固化成形零件是由固化层逐层累加形成的，成形所需要的总时间由扫描固化时间及辅助时间组成，可表示为：成形过程中，每层零件的辅助时间tp与固化时间tci的比值反映了成形设备的利用率，可以通过如下公式表示：可以看出，当实体体积越小，分层数越多时，辅助时间所占的比例就越大，如制作大尺寸的薄壳零件，这时成型设备的有效利用很低，因此在这种情况下，减少辅助时间对提高成型效率是非常有利的。,2-4 光固化成型的精度及效率,2. 减少制作时间的方法针对成形零件的时间构成，在成形过程中，可以通过改进加工工艺、优化扫描参数等方法，减少零件成形时间，提高加工效率，实际使用中通常采用以下
38、几种措施： （1）减少辅助成形时间 辅助时间与成型方法有关，一般可通过如下公式表示为：,式中 工作台升降运动所需要的时间；完成树脂涂覆所需要的时间；等待液面平稳所需的时间。可见减少升降时间、树脂涂覆时间及等待时间，可以减少成型中的辅助时间。,2-4 光固化成型的精度及效率,（2）层数较小的制作方向零件的层数对成型时间的影响很大，对于同一个成形零件，不同的制作方向的条件下，成型时间差别较大。快速成型方法制作零件时，在保证质量的前提下，应尽量减少制作层数。对零件制作方向进行优化选择可以降低成型时间，对比不同制造方向时的成型时间，可以看出，选择制作层数较少的制作方向，零件制作时间不同程度地减少，甚至
39、减少了近70%的制作时间。,2-4 光固化成型的精度及效率,3. 扫描参数对成型效率的影响每一层的扫描时间可以降低零件的总成型时间，提高成型效率。每一层的扫描时间与扫描速度、扫描间距、扫描方式及分层厚度有关，通常扫描方式和分层厚度是根据工艺要求确定的，每层的扫描时间取决于扫描速度及扫描间距的大小，其中扫描速度决定了单位长度的固化时间，而扫描间距的大小决定单位面积上扫描路径的长短。,图2-38 树脂固化截面理论形状,图2-39 相邻固化线的重合,2-4 光固化成型的精度及效率,扫描间距的提高缩短了紫外光在固化平面往复运动时的扫描距离，表2-8为不同的扫描间距下零件的制作时间，当扫描间距提高到0.
40、2mm时，这时零件的制作时间只有间距为0.1mm时的52%62%，成型时间减少接近一半，而当扫描间距提高到0.3mm时，制作时间只有间距0.1mm时的40%左右，即在同样的制作条件下，适当提高固化成型中的扫描间距，可以有效减少零件制作时间，提高制作效率。,2-4 光固化成型的精度及效率,1,光固化快速成型工艺的基本原理和特点,2,光固化快速成型材料及设备,3,光固化成型的工艺过程,4,光固化成型的精度及效率,5,微光固化快速成型制造技术,3,5,第2章 光固化快速成型工艺,在微电子和生物工程等领域，制件一般要求具有微米级或亚微米级的细微结构，而传统的SLA工艺技术无法满足这一领域的需求。尤其在
41、近年来，MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）和微电子领域的快速发展，使得微机械结构的制造成为具有极大研究价值和经济价值的热点。微光固化快速成型-SL（Micro Stereolithography）便是在传统的SLA技术方法基础上，面向微机械结构制造需求而提出的一种新型的快速成型技术。目前提出并实现的-SL技术主要包括基于单光子吸收效应的-SL技术和基于双光子吸收效应的-SL技术，可将传统的SLA技术成型精度提高到亚微米级，开拓了快速成型技术在微机械制造方面的应用。,2-5 微光固化快速成型制造技术,1. 基于单光子吸收效应的-SL技术光固化过程中，树脂
42、分子对光能的吸收是以单个光子为单位的，因此被称为“单光子吸收光聚合反应”，简称为SPA（Single-Photon Absorbed Photopolymerization）。以单光子吸收（SPA）效应为反应机理的SLA技术，其成型精度取决于光斑大小、固化时间、固化层厚度等工艺参数，目前可以达到0.1mm的精度。如果优化光路系统及机械传动系统，可以将SLA的精度提高到微米级，使光固化成型技术实现微米级的复杂三维结构的构建，即能够实现-SL技术。目前，以SPA效应为反应机理的-SL技术有两种主要的成型模式：扫描式-SL（Scanning Micro Stereolithography）和遮光板投
43、影式-SL（Mask Projection Micro Stereolithography）。,2-5 微光固化快速成型制造技术,（1）扫描式-SL扫描式-SL和传统的SLA技术原理相同，但采用的控制系统和传动控制更为精确。如图2-40所示，在扫描式-SL中，通常采用光源固定，而工作台相对运动的方式来进行扫描。这样就可以避免由于光源移动引起的光斑尺寸的变化，从而避免了因为固化区尺寸的不恒定因素而引起的尺寸精度的下降。扫描式-SL采用单层逐步扫描的成型方式，效率较低。为了克服这一技术缺陷，提出了遮光板投影式-SL（Mask Projection Micro Stereolithography）的
44、方案，利用具有制件截面形状的遮光板，通过一次曝光，一次性整体固化一个截面，然后通过逐层叠加形成实体形状。,图2-40 基于单光子吸收效应的-SL技术原理示意图,2-5 微光固化快速成型制造技术,（2）遮光板投影式-SL（MP-SL）遮光板投影式-SL（MP-SL）的概念，由德国卡尔斯鲁厄研究中心于上个世纪八十年代提出，又被称为LIGA（德语Lithographie Galvanoformung Abformung的简写）技术。如图2-41所示，LIGA技术采用X射线作为固化光源，通过具有一定形状的遮光板，将受控后的射线投影在树脂表面，使树脂受光照的部分发生固化，通过逐层叠加的方式最终形成复杂的
45、实体形状。这一工艺虽然相对于扫描式-SL效率较高，但在制作形状较为复杂的工件时，因为需要制备大量的遮光板，成本较高。,图2-41 遮光板投影式-SL技术 原理示意图,2-5 微光固化快速成型制造技术,为解决这一问题，一种新的制造理念被提了出来，即结合现有的比较成熟的计算机图像生成技术，以动态遮光板(Dynamic Mask)取代传统的遮光板。其原理如图2-42所示，根据计算机CAD造型的实体信息，获得制件每一层切片的具体信息，并由此生成具有制件截面形状的“动态遮光板”，以生成具有相应形状的固化层并逐层的叠加生成实体。其工作原理与扫描式-SL大体相同，只是不需要制备大量的遮光板，大大降低了成本。
46、,图2-42 动态遮光板式-SL技术原理示意图,2-5 微光固化快速成型制造技术,MP -SL的研究主要集中在提高动态遮光板的分辨率，以制作尺寸更小的三维像素，从而提高制件的制作精度。目前MP -SL技术按照生成动态遮光板的不同方法有如下三种：SLM (Spatial Light Modulators)技术，LCD（Liquid Crystal Display）技术以及DMD(Digital Micromirror Device)技术。SLM技术由贝尔实验室开发，目前已经投入商业应用，在芯片制造业发挥了巨大的作用，可以生成1280x1024的像素点阵，每个像素的尺寸为1730m。LCD技术生成
47、像素点的尺寸较大，并且无法使用市场上现有的光敏树脂，在一定程度上限制了这一技术的推广。,2-5 微光固化快速成型制造技术,DMD技术由Texas设备公司开发，是目前比较流行的一种动态遮光板生成方式。其原理如图2-43所示。DMD由许多的微镜面构成（Micro Mirror），每一个微镜面对应成型面上的一个像素点。通过控制微镜面的关闭与打开，可以控制光路的闭合，进而控制光敏树脂成型面上相应位置点的固化与否。首先将制件的形状通过CAD实体文件的形式表示出来，然后将实体切片并把每层的切片信息转化为点阵图的形式，以此为依据可以控制DMD中微镜面的闭合，从而达到生成动态遮光板的目的。,图2-43 基于动
48、态遮光板式的 DMD MP-SL技术原理,2-5 微光固化快速成型制造技术,DMD MP -SL与LCD MP -SL相比，可生成更小的像素点，并且由于DMD的响应速度更快，因此可以更为精确的控制曝光时间。图2-44所示为采用DMD MP -SL技术做作的三维微结构实例。图中，实例(a)为微矩阵结构，共110层，每层层厚为5m；(b)为微型柱组成的阵列，每根微型柱直径为30m，高1000m；(c)为螺旋微结构阵列，整体螺旋直径为100m，螺旋线轴径为25m；(d)为亚微米级微结构，直径为0.6m。,图2-44 基于动态遮光板方式的-SL技术制作的三维微结构,(a),(b),(c),(d),2-
49、5 微光固化快速成型制造技术,2. 基于双光子吸收效应的-SL技术双光子吸收理论虽然早在1931年便被提出，但一直到1960年才在实验室观测到了双光子吸收效应。此后，双光子吸收领域的研究取得了快速发展，其科研成果在许多方面投入实际应用。图2-45a所示为单光子吸收后发出荧光的过程。入射光为紫光，波长为400nm，当此能量正好等于基态与激发态之间的能量差时，此能量将被基态电子吸收，使基态电子跃迁至具有较高能量的激发态，经过了一定的生命期后，此电子返回基态时的能量差时将以光能的形式放出，这个现象就是单光子吸收激发荧光。图2-45b所示为双光子吸收效应激发的荧光。当入射光为波长800nm的近红外光时，由于其波长为紫光的两倍，光子能量相应为紫光的二分之一。单个近红外光光子没有足够的能量将图中处于基态的电子激发，但是两个近红外光光子可以达到一个紫光光子的作用，使处于基态的电子能够吸收两个光子的能量，跃迁至激发态。,2-5 微光固化快速成型制造技术,a) 单光子 b) 双光子,图2-45 光子吸收效应激发荧光示意图,
