㈠ 光固化快速成型的原理
光固化快速成型作为增材制造技术中的一种,主旨也是基于离散堆积的思想,以液态光敏树脂作为成型原料,其成型原理如图2-1所示。首先,在主液槽中填充适量的液态光敏树脂。然后,特定波长的激光在计算机的控制下沿分层切片所得的截面信息逐点进行扫描,当聚焦光斑扫描处的液态光敏树脂吸收的能量满足式2-1之后,便会发生聚合反应。一层截面完成固化之后,便形成制件的一个截面薄层。此时,工作台再下降一个层高的高度,使得先前固化的薄层表面被新的一层光敏树脂覆盖。之后,由于树脂黏度较大和先前已固化薄层表面张力的影响,新涂敷的光敏树脂实际上是不平整的,需要专用刮板将之刮平,以便进行下一层的扫描固化,使得新固化的层片牢固的粘结在前一层之上。反复上述步骤,层片即在计算机的控制下依次堆积,最终形成完整的成型制件,再去除支撑,进行相应的后处理,即可获得所需的产品。
从光固化快速成型的原理和它所使用的材料来看,光固化快速成型主要有如下一些特点:
(1)光固化快速成型技术是最早出现的快速成型制造工艺,成熟度最高,经过时间的检验;
(2)成型速度较快,系统工作相对稳定;
(3)可以打印的尺寸也比较大,有可以做到2m的大件,关于后期处理特别是上色都比较容易;
(4)尺寸精度高,可以做到微米级别;
(5)表面质量较好,比较适合做小件及较精细件。
光固化快速成型的不足之处在于:
(1)SLA设备造价高昂,使用和维护成本高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻;
(2)成型件多为树脂类,材料价格贵,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存;
(3)这种成型产品对贮藏环境有很高的要求,温度过高会熔化,工作温度不能超过HXTC。光敏树脂固化后较脆,易断裂,可加工性不好。成型件易吸湿膨胀,抗腐蚀能力弱;
(4)需要设计工件的支撑结构,以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位,支撑结构需在未完全固化时手工去除,容易破坏成型件。
㈡ 光固化成形原理
光固化成型 5.1 光固化成型工艺的基本原理和工艺特点 右边这组耳环、戒指、项链等穿戴饰品是不是很漂亮呢?想知道它们是怎么制作的吗? 课堂导入 想一想 你了解光固化成型技术吗?见过的光固化技术打印的模型有哪些?这些模型有什么特点? 学习导览图 光固化成型工艺的基本原理和工艺特点 01 模块5 光固化成型 光固化成型的工艺过程 02 光固化成型材料 03 光固化成型技术的应用 04 光固化成型技术的发展方向 05 本节 知识点 光固化成型技术概述 1 光固化成型工艺原理 2 光固化成型的工艺特点 3 光固化成型技术概述 1. 简称 2. 发展历史 3. 当前在我国的发展状况 工艺原理 光固化快速成型工艺,基于分层制造原理,以液态光敏树脂为原料。主液槽中盛满液态光敏树脂,在计算机控制下特定波长的激光沿分层截面逐点扫描,聚焦光斑扫描处的液态树脂吸收能量,发生光聚合反应而固化,从而形成制件的一个截面薄层。一层固化完毕后,工作台下降一层高度,然后刮板将粘度较大的树脂液面刮平,使先固化好的树脂表面覆盖一层新的树脂薄层,再进行下一层的扫描固化,新固化的一层牢固地粘结在前一层上。如此依次逐层堆积,最后形成物理原型。除去支撑,进行后处理,即获得所需的实体原型。 光固化成型工艺原理图 注意: 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流动铺平已固化的面,这将会影响实体的成型速度和精度。采用刮板刮切后,树脂便会被快速、均匀地涂敷在上一叠层上,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。 讨论:与其他增材技术相比,光固化成型技术具有哪些特点? 1.产品生产周期短; 2.制作过程智能化,成型速度快,自动化程度高; 3.尺寸精度高; 4.表面质量优良; 5.无噪音、无振动、无切削,可以实现生产办公室化操作; 6.可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的
㈢ 光固化3D打印运用的技术有哪些以及有哪些优缺点
3D打印有多种技术,但在这些技术中,光固化3D打印是最古老和成熟的技术。经过多年的发展,出现了很多基于光固化3D打印机的新技术,包括SLA、DLP、LCD、CLIP、MJP、双光子3D打印、全息3D打印等。今天纵维立方小方介绍其中的五种光固化3D打印技术。
1、SLA光固化3D打印。
SLA技术是最早的3D打印技术,是业界广泛使用的最成熟的3D打印技术。该技术于1986年获得专利,该技术是3D打印行业领导者3D system,Inc .的联合创始人CharlesHull。目前,大型工业光固化3D打印机主要基于SLA技术。
一般用于SLA机器的灯波长为355nm激光束,激光束在树脂罐上,曝光方向在顶部,液体树脂在扫描激光束时硬化。把平台降低到收支平衡。因此,平台的表面是树脂表面以下的厚度。然后激光束跟踪边界,填充模型的二维横截面。树脂一层固化后,平台在生成实体三维物体之前,一层一层的形成由激光束的移动控制。理论上,激光束可以在大空间内移动。因此,SLA打印技术可以打印大型模型。
优缺点:SLA是第一个快速成型技术,成熟度高,印刷工艺稳定,机器供应商多。到目前为止,SLA是唯一能够打印大型模型的光固化3D打印机技术。此外,对于阳离子光聚合的树脂也有限制。由于激光的尺寸不同,所以SLA的分辨率要低于其它光固化技术。尽管如此,SLA技术的准确性足以打印出结构复杂、尺寸细微的物体。到目前为止,SLA仍然是牙科、玩具、模具、汽车、航空航天等多个领域可用的重要打印技术。
2、DLP光固化3D打印。
DLP3D打印的核心技术是决定图像形成和打印精度的DLP技术。DLP技术的出现已经有20年了。DLP技术的核心部分是LarryHornback博士1977年发明的光学半导体或数字显微镜设备或DLP芯片,1996年被德克萨斯仪器商业化。DLP芯片可以说是当今世界上最先进的光开关设备,包括由200万个互转轴组成的微型显微镜。每台显微镜大约是人类头发大小的五分之一。因此,DLP3D打印具有较高的打印分辨率,可打印的最小尺寸为50m。
优点和缺点:精度是DLP3D打印的最大优点。但是,为了保证高精度,投影尺寸是有限的。因此,DLP3D打印只能打印小尺寸的物体。DLP3D打印技术只能打印精度高、尺寸小的模型,因此主要应用于宝石铸造和牙科领域。
3、LCD光固化3D打印
从激光扫描SLA到数字投影DLP再到最新的LCD打印技术,纵观所有光固化3D打印机技术,照明和成像系统差别很大,但控制和步进系统几乎没有差别。DLP和LCD3D打印技术最大的区别是成像系统。向液晶施加电场会改变分子排列,防止光线通过。由于先进的液晶屏显示技术,液晶屏的分辨率非常高。但是,在电场转换过程中,少量LCD分子无法重新排列,光线变弱。
优缺点:LCD机便宜,分辨率好。但是,液晶屏寿命短,需要定期更换。LCD 3D打印的亮度非常弱,只有10%的光穿透LCD,90%的光被LCD吸收。此外,如上所述,部分泄漏会导致地板的光敏树脂转换暴露,因此必须定期清理水槽。目前,LCD光固化3D打印机在牙科、珠宝、玩具等领域有应用。
4、剪辑光固化3D打印
2015年3月20日,Carbon3DCorp开发的CLIP技术登上了科学封面。该技术的核心是氧气渗透膜的发明,有助于氧气渗透的连续打印,从而抑制自由基聚合。CLIP技术是DLP的尖端技术。CLIP技术的基本原理并不复杂。底部的UV投影使光敏树脂硬化,坦克底部的液体树脂由于氧气堵塞而保持稳定的面值,从而保证硬化的连续性。下面的特殊窗户可以让光和氧气通过。这项技术最重要的优点是,可以颠覆性地生产比DLP光固化3D打印机快25 ~ 100倍的物体——,理论潜在打印速度可以达到DLP技术的1000倍,分层可以无限好。目前,3D打印需要将3D模型剪切到与幻灯片叠加类似的多个图层上,因此不会删除粗糙度。CLIP技术的图像投影可以连续变化,就像幻灯片进化成叠加视频一样。这是DLP投影技术的一大改进。
优点和缺点:CLIP技术是真正的3D打印。这是目前对3D打印技术的破坏性技术。毫无疑问,CLIP技术最大的优点是快速打印。尽管如此,仍有一些技术问题需要解决。到目前为止,通过CLIP技术,为了快速打印,需要低粘度树脂和空白模型。前两种方法可以使树脂迅速补充到印刷区,后一种可以减少每层的用量。所以,CLIP工艺对高粘树脂和实体模型的效果不佳。
5、MJP光固化3D打印
MJP技术也称为PolyJet,2000年以色列公司Objet申请了专利。MJP3D打印可以有效地打印模型,多组喷嘴协同工作。根据模型切片数据,工作时数百个喷嘴在平台上分层喷射液体光敏树脂,打印喷嘴沿XY平面移动。感光树脂喷涂到工作台上后,滚筒将喷涂树脂的表面处理平整,UVD灯将感光树脂固化。完成一层的印刷硬化后,设备内置的工作台非常准确地降低了一层的厚度,喷头继续喷出感光树脂,进行下一层的印刷硬化。重复此操作,直到打印完整个工件。
优点和缺点:对于MJP3D打印,喷嘴很多,可以喷涂多种材料。这使您可以同时打印多种材料、多色材料,以满足材料、颜色、刚度等要求。到目前为止,MJP3D打印是唯一能够打印多色模型的技术。MJP3D打印具有极高的加工精度,可打印的层厚度低到16微米。支撑材料容易熔化或溶解,所以去除支撑的过程是无损和容易的。因此,打印模型的表面是平滑的。最后,理论上印刷尺寸是无限的。但是MJP打印机机器很贵。这些材料也要贵,粘度低。MJP技术可应用于需要高加工精度的领域。现在经常用于宝石铸造、精密医学等。
㈣ SLA和SLS快速成型的区别是什么
SLA和SLS两种激光快速成型的区别SLA 的优势
1. 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验。
2. 由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具。
3.可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。
4. 使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本。
5. 为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。
6. 可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化。
SLA 的缺憾
1. SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高。
2. SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻。
3. 成型件多为树脂类,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存。
4. 预处理软件与驱动软件运算量大,与加工效果关联性太高。
5. 软件系统操作复杂,入门困难,使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。
6. 立体光固化成型技术被单一垄断。
㈤ 简述快速成型的原理
计算机控制下,基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料,最终完成零件的成形与制造。
从成形角度看,零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息,再与成形工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积零件。
从制造角度看,它根据CAD造型生成零件三维几何信息,控制多维系统,通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。
快速成形技术特点:
1、成型全过程的快速性,适合现代激烈的产品市场;
2、可以制造任意复杂形状的三维实体;
3、用CAD模型直接驱动,实现设计与制造高度一体化,其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境;
4、成型过程无需专用夹具、模具、刀具,既节省了费用,又缩短了制作周期。
5、技术的高度集成性,既是现代科学技术发展的必然产物,也是对它们的综合应用,带有鲜明的高新技术 特征。
以上内容参考 网络-快速成形技术;网络-快速成型
㈥ 常用快速成型的工艺方法
1、熔积成型法
在熔积成型法( FDM)的过程中,龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动,工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后,工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。FDM工艺的枢纽是保持半活动成型材料恰好在熔点之上,通常控制在比熔点高1℃左右。
2、光固化法
光固化法是目前应用最为广泛的一种快速成型制造工艺,它实际上比熔积法发展的还早。光固化采用的是将液态光敏树脂固化(硬化)到特定外形的原理。以光敏树脂为原料,在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。
3、激光选区烧结
激光选区烧结是一种将非金属(或普通金属)粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO:激光器作为能源,目前使用的在加工室的底部装备了两个圆筒:
1)一个是粉末补给筒,它内部的活塞被逐渐地晋升通过一个转念头构给零件造型筒供应粉末;
2)另一个是零件造形筒,它内部的活塞(工作台)被逐渐地降低到熔结部门形成的地方。
㈦ 常见的快速成型工艺有哪些
快速成型是上世纪80年代末及90年代初发展起来的高新制造技术,是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。
常见的快速成型工艺有:立体光固化成型法、选择性激光烧结法、熔融沉积成型法、分层实体制造法、三维印刷法。
常用快速成型基本方法简介
㈧ 光固化成型技术的材料包括哪些
用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.
在当前应用较多的几种快速成型工艺方法中,光固化成型由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点,使之得到最为广泛的应用。在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业。
1 SLA 在航空航天领域的应用
在航空航天领域,SLA 模型可直接用于风洞试验,进行可制造性、可装配性检验。航空航天零件往往是在有限空间内运行的复杂系统,在采用光固化成型技术以后,不但可以基于SLA 原型进行装配干涉检查,还可以进行可制造性讨论评估,确定最佳的合理制造工艺。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件(如涡轮、叶片、叶轮等)的单件、小批量生产,并进行发动机等部件的试制和试验。
航空领域中发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的,对于高精度的母模制作,传统工艺成本极高且制作时间也很长。采用SLA 工艺,可以直接由CAD 数字模型制作熔模铸造的母模,时间和成本可以得到显着的降低。数小时之内,就可以由CAD 数字模型得到成本较低、结构又十分复杂的用于熔模铸造的SLA快速原型母模。
利用光固化成型技术可以制作出多种弹体外壳,装上传感器后便可直接进行风洞试验。通过这样的方法避免了制作复杂曲面模的成本和时间,从而可以更快地从多种设计方案中筛选出最优的整流方案,在整个开发过程中大大缩短了验证周期和开发成本。此外,利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型,在模型表面表进行相应喷涂后,清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理,其展示和讲解效果远远超出了单纯的电脑图纸模拟方式,可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验。
2 SLA 在其他制造领域的应用
光固化快速成型技术除了在航空航天领域有较为重要的应用之外,在其他制造领域的应用也非常重要且广泛,如在汽车领域、模具制造、电器和铸造领域等。下面就光固化快速成型技术在汽车领域和铸造领域的应用作简要的介绍。
现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的生产需求,就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善,可以完成各种动力、强度、刚度分析,但研究开发中仍需要做成实物以验证其外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件,可以用光固化成型技术制作零件原型,以验证设计人员的设计思想,并利用零件原型做功能性和装配性检验。
光固化快速成型技术还可在发动机的试验研究中用于流动分析。流动分析技术是用来在复杂零件内确定液体或气体的流动模式。将透明的模型安装在一简单的试验台上,中间循环某种液体,在液体内加一些细小粒子或细气泡,以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功地用于发动机冷却系统(气缸盖、机体水箱)、进排气管等的研究。问题的关键是透明模型的制造,用传统方法时间长、花费大且不精确,而用SLA技术结合CAD 造型仅仅需要4~5 周的时间,且花费只为之前的1/3,制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD 数据要求,模型的表面质量也能满足要求。
光固化成型技术在汽车行业除了上述用途外,还可以与逆向工程技术、快速模具制造技术相结合,用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、内饰门板等结构样件/ 功能样件试制、赛车零件制作等。
在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是采用机加工方法,有时还需要钳工进行修整,费时耗资,而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的铸件(例如飞机发动机的叶片、船用螺旋桨、汽车、拖拉机的缸体、缸盖等),模具的制造更是一个巨大的难题。虽然一些大型企业的铸造厂也备有一些数控机床、仿型铣等高级设备,但除了设备价格昂贵外,模具加工的周期也很长,而且由于没有很好的软件系统支持,机床的编程也很困难。快速成型技术的出现,为铸造的铸模生产提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。
光固化成型技术的研究进展
光固化快速成型制造技术自问世以来在快速制造领域发挥了巨大作用,已成为工程界关注的焦点。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本,一直是该技术领域研究的热点。很多研究者通过对成型参数、成型方式、材料固化等方面分析各种影响成型精度的因素,提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法,如扫描线重叠区域固化工艺、改进的二次曝光法、研究开发用CAD 原始数据直接切片法、在制件加工之前对工艺参数进行优化等,这些工艺方法都可以减小零件的变形、降低残余应力,提高原型的制作精度。此外,SLA 所用的材料为液态光敏树脂,其性能的好坏直接影响到成型零件的强度、韧性等重要指标,进而影响到SLA 技术的应用前景。所以近年来在提高成型材料的性能降低成本方面也做了很多的研究,提出了很多有效的工艺方法,如将改性后的纳米SiO2 分散到自由基- 阳离子混杂型的光敏树脂中,可以使光敏树脂的临界曝光量增大而投射深度变小,其成型件的耐热性、硬度和弯曲强度有明显的提高;又如在树脂基中加入SiC晶须,可以提高其韧性和可靠性;开发新型的可见光固化树脂,这种新型树脂使用可见光便可固化且固化速度快,对人体危害小,提高生产效率的同时大幅度地降低了成本。
光固化快速成型技术发展到今天已经比较成熟,各种新的成型工艺不断涌现。下面从微光固化快速成型制造技术和生物医学两方面展望SLA 技术。
1 微光固化快速成型制造技术
传统的SLA 设备成型精度为±0.1mm,能够较好地满足一般的工程需求。但是在微电子和生物工程等领域,一般要求制件具有微米级或亚微米级的细微结构,而传统的SLA 工艺技术已无法满足这一领域的需求。尤其在近年来,MEMS(MicroElectro-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μ-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。该技术早在20 世纪80 年代就已经被提出,经过将近20 多年的努力研究,已经得到了一定的应用。提出并实现的μ-SL 技术主要包括基于单光子吸收效应的μ-SL 技术和基于双光子吸收效应的μ-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。但是,绝大多数的μ-SL 制造技术成本相当高,因此多数还处于试验室阶段,离实现大规模工业化生产还有一定的距离。因而今后该领域的研究方向为:开发低成本生产技术,降低设备的成本;开发新型的树脂材料;进一步提高光成型技术的精度;建立μ-SL 数学模型和物理模型,为解决工程中的实际问题提供理论依据;实现μ-SL与其他领域的结合,例如生物工程领域[8] 等。
2 生物医学领域
光固化快速成型技术为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的方法,基于CT图像的光固化成型技术是应用于假体制作、复杂外科手术的规划、口腔颌面修复的有效方法。在生命科学研究的前沿领域出现的一门新的交叉学科——组织工程是光固化成型技术非常有前景的一个应用领域。基于SLA技术可以制作具有生物活性的人工骨支架,该支架具有很好的机械性能和与细胞的生物相容性,且有利于成骨细胞的黏附和生长。如图5 所示为用SLA 技术制作的组织工程支架,在该支架中植入老鼠的预成骨细胞,细胞的植入和黏附效果都很好[9]。
㈨ 光固化快速成型工艺的前处理需要进行哪些工作
光固化快速成型工艺一般可以分为三个主要工艺步骤,分别为:前期数据处理过程、成型制造过程、后期处理过程。
一、数据处理
前期数据处理作为快速成型的第一步有着至关重要的作用,是能否获得优质成型件的基础。数据处理主要包括数据模型获取、模型格式转换、成型方向选择、支撑设计以及分层切片几个方。
(1)数据模型获取
数据模型获取通常有两种方式,一种是通过CAD设计软件自行设计所要成型物体的三维造型。由于CAD设计软件广泛普及,此种方式也是现今采用最多的数据模型获取手段。随着逆向工程技术的发展,反求所得的模型精度越来越高,并且该方式方便快捷,采用逆向工程反求模型也是一种可行的手段。
(2)模型格式转换
三维模型在进行切片操作前,通常需要进行格式转换。这是因为三维模型一般是由许多不规则自由曲面组成,直接对三维模型进行切片的技术受制于该技术的实现目前还高度依赖各三维造型软件内核的强大处理功能,所以普适性较差。目前常用的方法是转换为STL格式文件。该文件是用一系列小三角面片近似逼近自由曲面。其中,每个三角面片是由三个顶点坐标和一个与三个顶点满足右手螺旋法则的法向量组成。STL格式文件表述简单,实现方便,几乎所有三维造型软件都支持,已成为快速成型的实际行业标准。
㈩ 光固化成型的光固化成型的应用
在当前应用较多的几种快速成型工艺方法中,光固化成型由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点,使之得到最为广泛的应用。在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业。
1 SLA 在航空航天领域的应用
在航空航天领域,SLA 模型可直接用于风洞试验,进行可制造性、可装配性检验。航空航天零件往往是在有限空间内运行的复杂系统,在采用光固化成型技术以后,不但可以基于SLA 原型进行装配干涉检查,还可以进行可制造性讨论评估,确定最佳的合理制造工艺。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件(如涡轮、叶片、叶轮等)的单件、小批量生产,并进行发动机等部件的试制和试验。
航空领域中发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的,对于高精度的木模制作,传统工艺成本极高且制作时间也很长。采用SLA 工艺,可以直接由CAD 数字模型制作熔模铸造的母模,时间和成本可以得到显着的降低。数小时之内,就可以由CAD 数字模型得到成本较低、结构又十分复杂的用于熔模铸造的SLA 快速原型母模。
利用光固化成型技术可以制作出多种弹体外壳,装上传感器后便可直接进行风洞试验。通过这样的方法避免了制作复杂曲面模的成本和时间,从而可以更快地从多种设计方案中筛选出最优的整流方案,在整个开发过程中大大缩短了验证周期和开发成本。此外,利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型,在模型表面表进行相应喷涂后,清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理,其展示和讲解效果远远超出了单纯的电脑图纸模拟方式,可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验。
2 SLA 在其他制造领域的应用
光固化快速成型技术除了在航空航天领域有较为重要的应用之外,在其他制造领域的应用也非常重要且广泛,如在汽车领域、模具制造、电器和铸造领域等。下面就光固化快速成型技术在汽车领域和铸造领域的应用作简要的介绍。
现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的生产需求,就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善,可以完成各种动力、强度、刚度分析,但研究开发中仍需要做成实物以验证其外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件,可以用光固化成型技术制作零件原型,以验证设计人员的设计思想,并利用零件原型做功能性和装配性检验。
光固化快速成型技术还可在发动机的试验研究中用于流动分析。流动分析技术是用来在复杂零件内确定液体或气体的流动模式。将透明的模型安装在一简单的试验台上,中间循环某种液体,在液体内加一些细小粒子或细气泡,以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功地用于发动机冷却系统(气缸盖、机体水箱)、进排气管等的研究。问题的关键是透明模型的制造,用传统方法时间长、花费大且不精确,而用SLA技术结合CAD 造型仅仅需要4~5 周的时间,且花费只为之前的1/3,制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD 数据要求,模型的表面质量也能满足要求。
光固化成型技术在汽车行业除了上述用途外,还可以与逆向工程技术、快速模具制造技术相结合,用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、内饰门板等结构样件/ 功能样件试制、赛车零件制作等。
在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是采用机加工方法,有时还需要钳工进行修整,费时耗资,而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的铸件(例如飞机发动机的叶片、船用螺旋桨、汽车、拖拉机的缸体、缸盖等),模具的制造更是一个巨大的难题。虽然一些大型企业的铸造厂也备有一些数控机床、仿型铣等高级设备,但除了设备价格昂贵外,模具加工的周期也很长,而且由于没有很好的软件系统支持,机床的编程也很困难。快速成型技术的出现,为铸造的铸模生产提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。
光固化成型技术的研究进展
光固化快速成型制造技术自问世以来在快速制造领域发挥了巨大作用,已成为工程界关注的焦点。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本,一直是该技术领域研究的热点。目前,很多研究者通过对成型参数、成型方式、材料固化等方面分析各种影响成型精度的因素,提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法,如扫描线重叠区域固化工艺、改进的二次曝光法、研究开发用CAD 原始数据直接切片法、在制件加工之前对工艺参数进行优化等,这些工艺方法都可以减小零件的变形、降低残余应力,提高原型的制作精度。此外,SLA 所用的材料为液态光敏树脂,其性能的好坏直接影响到成型零件的强度、韧性等重要指标,进而影响到SLA 技术的应用前景。所以近年来在提高成型材料的性能降低成本方面也做了很多的研究,提出了很多有效的工艺方法,如将改性后的纳米SiO2 分散到自由基- 阳离子混杂型的光敏树脂中,可以使光敏树脂的临界曝光量增大而投射深度变小,其成型件的耐热性、硬度和弯曲强度有明显的提高;又如在树脂基中加入SiC 晶须,可以提高其韧性和可靠性;开发新型的可见光固化树脂,这种新型树脂使用可见光便可固化且固化速度快,对人体危害小,提高生产效率的同时大幅度地降低了成本。
光固化快速成型技术发展到今天已经比较成熟,各种新的成型工艺不断涌现。下面从微光固化快速成型制造技术和生物医学两方面展望SLA 技术。
1 微光固化快速成型制造技术
目前,传统的SLA 设备成型精度为±0.1mm,能够较好地满足一般的工程需求。但是在微电子和生物工程等领域,一般要求制件具有微米级或亚微米级的细微结构,而传统的SLA 工艺技术已无法满足这一领域的需求。尤其在近年来,MEMS(MicroElectro-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μ-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。该技术早在20 世纪80 年代就已经被提出,经过将近20 多年的努力研究,已经得到了一定的应用。目前提出并实现的μ-SL 技术主要包括基于单光子吸收效应的μ-SL 技术和基于双光子吸收效应的μ-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。但是,绝大多数的μ-SL 制造技术成本相当高,因此多数还处于试验室阶段,离实现大规模工业化生产还有一定的距离。因而今后该领域的研究方向为:开发低成本生产技术,降低设备的成本;开发新型的树脂材料;进一步提高光成型技术的精度;建立μ-SL 数学模型和物理模型,为解决工程中的实际问题提供理论依据;实现μ-SL与其他领域的结合,例如生物工程领域[8] 等。
2 生物医学领域
光固化快速成型技术为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的方法,基于CT图像的光固化成型技术是应用于假体制作、复杂外科手术的规划、口腔颌面修复的有效方法。目前在生命科学研究的前沿领域出现的一门新的交叉学科——组织工程是光固化成型技术非常有前景的一个应用领域。基于SLA技术可以制作具有生物活性的人工骨支架,该支架具有很好的机械性能和与细胞的生物相容性,且有利于成骨细胞的黏附和生长。如图5 所示为用SLA 技术制作的组织工程支架,在该支架中植入老鼠的预成骨细胞,细胞的植入和黏附效果都很好[9]。