光固化快速成型精度控制的研究与应用

王敬艳

(长春职业技术学院,吉林长春,130033)

摘要:本文具体阐述了光固化快速成型原理,分析和确定了影响光固化工艺精度的因素,给出了各因素对成型质量的影响规律,得出了一定范围内的最佳工艺参数组合。

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关键词 :快速成型、光固化成型、成型精度、工艺参数

一、前言

快速形型技术是20世纪80年代出现的一种全新概念的制造技术,被认为是近年来制造技术领域的一次重大创新,是先进制造技术的前沿科学。该技术能在短时间内得以发展,并在工程技术领域得到广泛应用,它具有制作效率高,材料利用率接近100%的优点,能成型空心零件等形状复杂,首饰工艺品等精细零件。另外,光固化成型技术也可以被利用于微小机械加工领域。用光固化方法制作的快速原型透明晶莹,表面光洁度好,强度和硬度都高,可以直接作为功能件。

二、固化成型原理

光固化快速成型是公认的精度最高的快速成型方法,在于打破了传统的去除材料的制造模式,利用离散-堆积的成型原理,无须任何工具,即通过计算机辅助设计、信息处理、数字控制、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体,依据计算机上构建的零件三维模型,对其进行分层次切片处理,得到各层截面的二维轮廓信息数据,通过伺服驱动控制快速形成机的成形头按照被处理的信息数据进行运动,选择性地固化或切割一层层的成形材料,形成各层与理论轮廓非常接近的截面轮廓,并逐步顺序叠加成三维实体零件,从而实现快速完成任意复杂形状的原型和零件。图1所示为SLA控制原理示意图。

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,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。

三、固化成型过程

光固化快速成型工艺过程一般包括:前期数据准备、成型加工和后处理。

(一)前期数据准备

1.模型前期设计

由于实现快速成型的系统只能接受计算机构造的产品三维模型,然后才能进行切片处理,因此,在研究过程中,首先应在计算机上实现设计思想的数字化,即将产品的形状、特性等数据输入到计算机中。目前快速成型机的数据输入主要有两种途径:一是设计人员利用计算机辅助设计软件(如UG、Catia、Pro/E等),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为三维模型,常被称为概念设计;另一种是对已有的实物进行数字化,这些实物可以是手工模型、工艺品或人体器官等。这些实物的形体信息可以通过三维数字化仪、CT和MRI等手段采集处理,然后通过相应的软件将获得的形体信息等数据转换为快速成型机能接受的输入数据,也就是我们常说的逆向造型。

2.模型近似处理

由于产品上往往有一些不规则的自由曲面,因此加工前必须对模型进行近似处理。在目前的快速成型系统中,最常见的近似处理方法是用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面,其中每一个三角形用三个顶点的坐标和一个法相量来描述,三角形的大小是可以选择的,从而能得到不同的曲面近似精度,经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件,许多CAD软件都提供了此项功能。

3.模型分层处理

由于快速成型是按一层层截面来进行加工,因此,加工前必须确定三维模型的成型方向、成型的高度方向进行切片分层处理,以便提取截面的轮廓及其有关的网格矢量数据,用于控制光束的扫描轨迹。分层的大小根据被成型件精度和生产率的要求选定,分层愈小,精度愈高,成型时间愈长;分层的范围一般为0.05~0.4mm,常用0.10mm左右,在此取值下,能得到相当光滑的成型曲面。各轴快速成型系统都带有切片处理软件,能自动提取模型的截面轮廓。

4.模型支撑设计

在光固化成型过程中,由于未被扫描固化的树脂仍为液念,它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位。因此必须设计一些支撑结构,支撑可以认为是与原型零件同时制作的工装夹具,以便保证原型零件在制作时相对于加工系统的精确定位,同时也有助于减少制件的翘曲变形。另外,为了使成型件易于从工作台上分离开来,不损坏制件,而在底层也添加支撑。支撑可分为十字支撑(是一种最普遍的支撑方法,适用于一般特征及区域内部填充)、多边形支撑(具有较好的稳定性及强度)、斜支撑(适用悬臂结构的悬臂支撑)、手绘支撑(根据需要生成任意形状支撑)等,在设计时可以根据制件形状采取不同的支撑。

(二)模型成型加工

通过数掘处理软件完成数据处理后,通过控制软件进行制作工艺参数设定。

主要制作工艺参数有:扫描速度、扫描问距、支撑扫描速度、跳跨速度、层间等待时间、涂铺控制及光斑补偿参数等。设置完成后,在工艺控制系统控制下进行固化成型。首先调整工作台的高度使其在液面下一个分层厚度,开始成型加工,计算机按照分层参数指令驱动镜头使光束沿着X—Y方向运动,扫描固化树脂,底层截面(支撑截面)粘附在工作台上,工作台下降一个层厚,光束按照新一层截面数据扫描、固化树脂,同时牢牢地粘结在底层上,依次逐层扫描固化,最终形成实体原型。

(三)成型的后处理

后处理是指整个零件成型完成后进行的辅助处理工艺,包括零件的清洗、支撑去除、打磨、表面涂覆以及后固化等。零件成型完成后,将零件从工作台上分离出来,用酒精清洗干净,用刀片等其它工具将支撑与零件剥离,之后进行打磨喷漆处理,为了获得良好的机械性能,可以在后固化箱内进行二次固化。

四、固化成型精度

在实践教学过程中通过反复实验我们得出影响光固化成型精度因素及控制主要从在以下几个方面着手:

(一)扫描速度和扫描时间的影响及控制

由于扫描镜头在扫描时,始终处于反复加减速的过程中,在换向阶段,存在一定的惯性,使得工作台在制件边缘部分将超出设计尺寸的范围,使得零件的尺寸有所增加。在不同扫描线长时,扫描速度变化曲线分为两种,一种是如图2(a)所示的三角形扫描方式,当扫描线长很小时,扫描速度未达到最大时,就要突然减速来完成扫描,造成过冲量过大,而产生较大的尺寸偏差;另一种是如图2(b)所示的梯形扫描方式,当扫描长度足够大时,扫描速度达到最大值,进入匀速扫描,而后再减速,完成扫描,虽然存在一定的惯性力,但未出现加速度的突然转向,不会产生较大的过冲,所以尺寸偏差较小。

(二)扫描线长和尺寸误差的影响及控制

从图3所示扫描长度与尺寸偏差曲线可以看出,扫描长度在3~6mm的区间时,随着扫描长度的增大,尺寸偏差值迅速减小,变化较大;当扫描长度大于6mm时,随着扫描长度的增加,尺寸偏差值减小较为缓慢,尺寸偏差值变化不大;在3-6mm之间基本呈现出线性减小规律性,在大于6mm时,尺寸偏差随扫描的增加而减小;当扫描长度大于8mm时尺寸偏差减小更为缓慢。

(三)运动方式及树脂收缩的影响及控制

由于树脂固化后,存在内应力,在内应力的作用下要发生线性收缩,其收缩率与扫描长度成线性关系,也会引起尺寸偏差变化,影响曲线如上图4所示。将两条曲线合成,得到二者共同作用引起的尺寸偏差曲线。

五、结论

确定了影响光固化快速成型精度的主要因素、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、光学系统及激光扫描方式等因素对成型精度影响最大,选择合理的分层厚度,使工程直径能被分层厚度整除,或余数最小。

通过分析成型工艺的主要故障,分别从光源及光路系统、液位检测系统、数脂涂层系统来研究故障产生的机理以及解决故障的方法,树脂的固化收缩及残余内应力导致制件产生较大的翘曲变型,严重影响制件的成型质量。

六、应用

从国家层面上讲,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。

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,图5所示为光固化快速成型方法制造的机械制件。

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。

总之,光固化快速成型技术发展至今已有了长足的进步,正继续向着工业化、产业化方向发展,它与其他先进设计和制造技术的结合越来越来紧密。

浏览次数:  更新时间:2015-09-14 12:40:17
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