鄭州白澤三維技術(shù)有限公司
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快速成型（Rapid Prototyping）技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的切削加工不同，RP采用逐層材料累加法加工實(shí)體模型，故也稱為增材制造（AdditiveManufacturing，AM）或分層制造技術(shù)（Layered Manufacturing Technonogy，LMT）。
快速成型（Rapid Prototyping）技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的切削加工不同，RP采用逐層材料累加法加工實(shí)體模型，故也稱為增材制造（AdditiveManufacturing，AM）或分層制造技術(shù)（Layered Manufacturing Technonogy，LMT）。RP是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)集成的結(jié)晶。RP概念可以追溯到1892年美國的一項(xiàng)采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術(shù)。1979年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法。SLA方法由Chuck Hull于1986年獲美國專利。1988年，美國3D Systems公司率先推出了世界上第一臺商用快速成型系統(tǒng)——光固化成型SLA-1，并以30%～40%的年銷售增長率在世界市場出售。
1. SLA工藝簡介
光固化成型技術(shù)又稱立體光刻造型技術(shù)（Stereo Lithography Appearance，SLA）。它主要采用液態(tài)光敏樹脂原料，通過3D設(shè)計(jì)軟件（CAD）設(shè)計(jì)出三維數(shù)字模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，分層掃描固化疊加成三維工件原型。
光固化成型技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度的紫外光（如入=325nm）的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏振鏡作用下在液態(tài)樹脂表面進(jìn)行掃描，光點(diǎn)照射到的地方，液體就固化。成型開始時(shí)，工作平臺在液面下一個(gè)確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂，然后升降臺帶動(dòng)平臺下降一層高度，刮板在已成型的層面上又涂滿一層樹脂并刮平，然后再進(jìn)行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型。
具體的工作步驟如下：
1）將液態(tài)的光敏樹脂材料注滿打印池。
2）打印平板升起，直到距離液體表面一個(gè)層厚的位置時(shí)停下。
3）水平刮板沿固定方向移動(dòng)，將液體表面刮成水平面。
4）激光器生成激光束，通過透鏡進(jìn)行聚焦后照射在偏振鏡上，此時(shí)偏振鏡根據(jù)切片截面路徑自動(dòng)產(chǎn)生偏移，這樣光束就會(huì)持續(xù)地依照模型數(shù)據(jù)有選擇性地掃描在液面，由于樹脂的光敏特性，被照射到的液態(tài)樹脂逐漸固化。
5）在固化完成后，打印平板自動(dòng)降低一個(gè)固定的高度（一個(gè)層厚），水平刮板再次將液面刮平，激光再次照射固化，如此反復(fù)，直至整個(gè)模型打印完成。
光固化成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以表現(xiàn)準(zhǔn)確的表面和平滑的效果，精度可以達(dá)到每層厚度0.05~0.15mm。其缺點(diǎn)則為可以使用的材料有限，并且不能多色成型。
2. SLA技術(shù)的最新進(jìn)展
當(dāng)前SLA技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）軟件技術(shù)
隨著越來越多的原型要在快速成型機(jī)上加工，RP數(shù)據(jù)處理軟件的性能在提高工作效率、保證加工精度等方面變得越來越重要。因?yàn)殡m然快速成型機(jī)的加工過程是自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)，但RP的數(shù)據(jù)處理卻要由人來完成，特別是由于目前通行的STL文件總存在這樣那樣的問題。當(dāng)操作員手中有大量的原型要在短時(shí)間內(nèi)加工出來時(shí)，數(shù)據(jù)處理就成了瓶頸，并且稍有疏漏，可能會(huì)導(dǎo)致一批零件的加工失敗。數(shù)據(jù)處理應(yīng)具備如下基本功能：①STL文件的修補(bǔ)：②多個(gè)加工文件的定位、定向；③支撐設(shè)計(jì)；④切片操作。成型機(jī)生產(chǎn)廠商自己開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件已很難滿足要求，一些通用的RP軟件應(yīng)運(yùn)而生，其中最著名的是比利時(shí)Materialise公司開發(fā)的Magics RP。
（2）激光技術(shù)的進(jìn)步使成型速度大幅度提升
RP技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室后，就必須不斷提高成型速度，才能逐步符合“快速”二字。從設(shè)備的角度而言，激光功率是影響成型速度的主要因素。光固化的成型速度一般用每小時(shí)成型的原型重量來衡量。初期采用325nm的氦鎘激光器的光固化成型設(shè)備激光功率較低（50mW左右），一般的成型速度在20- 30g/h之間。351nm的氯離子紫外激光器雖然能輸出較高功率的激光，但卻有體積大、對水、電需求嚴(yán)格等缺點(diǎn)。目前，工作波長為355nm的半導(dǎo)體泵浦固體激光器（DPSS）的發(fā)展迅速改變了這種狀況，成為光固化快速成型系統(tǒng)的理想光源。新型的半導(dǎo)體泵浦固體紫外激光器輸出功率在100mW以上，甚至超過1W，掃描速度接近了偏振鏡掃描系統(tǒng)的極限，從而使成型速度提高一倍以上，達(dá)到50～100g/h。固體激光器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是壽命大大增加，可接近或超過10000h，而且激光器的再生費(fèi)用也較低，從而大大降低了設(shè)備的使用成本。成本更低、穩(wěn)定性更高、使用壽命更長是對紫外固體激光器發(fā)展的要求。
（3）成型材料的進(jìn)展
對于光固化快速成型設(shè)備來說，光敏樹脂材料是至關(guān)重要的，目前進(jìn)口材料已解決了收縮變形的問題，朝性能多樣化、功能材料方向發(fā)展。目前，光固化材料供應(yīng)商主要有DSMSomos、 VANTICO、RPC等公司。以DSM Somos公司為例，該公司提供多種型號的光敏樹脂材料，能滿足多種需求。例如，Somos 11120是一種低黏度的光敏樹脂，固化后的性能類似于ABS塑料，并且燃燒后殘留灰分很少，特別適合于消失鑄造。而Somos 12120是一種耐高溫光敏樹脂，原型成型后呈淡紅色，經(jīng)熱固化后，熱變形溫度可達(dá)126℃（0.46MPa），適合耐高溫的要求。ProtoTool 20L是一種高強(qiáng)、高硬、高溫復(fù)合光敏樹脂，固化后的熱變形溫度可達(dá)259℃（0.46MPa），拉伸強(qiáng)度可達(dá)79MPa，可直接用于加工汽車零件、風(fēng)管測試件、車燈等功能零件，甚至可直接加工注塑模具。
（4）成型機(jī)、電、控制系統(tǒng)不斷完善，使穩(wěn)定性、加工質(zhì)量和效率不斷提高
立體光固化工藝過程恰似搭建空中樓閣，局部的加工缺陷會(huì)造成整個(gè)加工過程的失敗，具有天然的脆弱性，因而設(shè)備的穩(wěn)定性至關(guān)重要。提高設(shè)備的穩(wěn)定性要從光、機(jī)、電、軟件各部分著手。新的光固化成型設(shè)備采用先進(jìn)的真空吸附涂層系統(tǒng)，使得大平面的涂層可靠性大大提高，并且完全消除了氣泡，整個(gè)涂層時(shí)間也大大縮短；成型機(jī)的電氣系統(tǒng)采用PLC控制，穩(wěn)定性和可靠性得到保證；控制軟件可根據(jù)激光功率的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，因而整機(jī)性能得到大幅提升。
3. SLA技術(shù)的發(fā)展趨勢
因?yàn)榭焖俪尚头霞庸み^程數(shù)字化這一潮流，因此從長期來講，它必將從原型的加工轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品的加工，并可能成為未來一個(gè)主要的3D打印加工手段。在未來的幾年內(nèi)，3D打印設(shè)備技術(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對的平穩(wěn)階段，發(fā)展主要體現(xiàn)在生產(chǎn)效率的提高和材料的改進(jìn)上。隨著人們對RP的不斷了解，各種RP工藝將會(huì)在最適合自己的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮自己的作用。作為RP百花園中的一朵“奇葩”，光固化成型以其出色的精度，在非金屬材料的高端快速成型領(lǐng)域內(nèi)將繼續(xù)領(lǐng)先。
目前，光固化成型3D打印機(jī)占據(jù)著RP設(shè)備市場的較大份額。中國在20世紀(jì)90年代初就開始了對SLA快速成型的研究，經(jīng)過近十余年的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)展，國產(chǎn)快速成型機(jī)在國內(nèi)市場的擁有量已超過了進(jìn)口設(shè)備，并且其性價(jià)比和售后服務(wù)優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備。
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