快速成型(Rapid Prototyping)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)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(chēng)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(lái)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(chēng)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(guó)的一項(xiàng)采用層合方法制作三維地圖模型的專(zhuān)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(guó)專(zhuān)利。1988年,美國(guó)3D Systems公司率先推出了世界上第一臺(tái)商用快速成型系統(tǒng)——光固化成型SLA-1,并以30%~40%的年銷(xiāo)售增長(zhǎng)率在世界市場(chǎng)出售。
1. SLA工藝簡(jiǎn)介
光固化成型技術(shù)又稱(chēng)立體光刻造型技術(shù)(Stereo Lithography Appearance,SLA)。它主要采用液態(tài)光敏樹(shù)脂原料,通過(guò)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(shù)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(shù)脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)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(shù)脂,激光束在偏振鏡作用下在液態(tài)樹(shù)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(kāi)始時(shí),工作平臺(tái)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(shù)脂,然后升降臺(tái)帶動(dòng)平臺(tái)下降一層高度,刮板在已成型的層面上又涂滿一層樹(shù)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(shù)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(guò)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(shù)脂的光敏特性,被照射到的液態(tài)樹(shù)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(lái)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(lái)越重要。因?yàn)殡m然快速成型機(jī)的加工過(guò)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(lái)完成,特別是由于目前通行的STL文件總存在這樣那樣的問(wèn)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(duì)水、電需求嚴(yán)格等缺點(diǎn)。目前,工作波長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)是對(duì)紫外固體激光器發(fā)展的要求。
(3)成型材料的進(jìn)展
對(duì)于光固化快速成型設(shè)備來(lái)說(shuō),光敏樹(shù)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(wèn)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(hào)的光敏樹(shù)脂材料,能滿足多種需求。例如,Somos 11120是一種低黏度的光敏樹(shù)脂,固化后的性能類(lèi)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(shù)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(shù)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(chē)零件、風(fēng)管測(cè)試件、車(chē)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(guò)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(guò)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(shì)
因?yàn)榭焖俪尚头霞庸み^(guò)程數(shù)字化這一潮流,因此從長(zhǎng)期來(lái)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(lái)一個(gè)主要的3D打印加工手段。在未來(lái)的幾年內(nèi),3D打印設(shè)備技術(shù)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)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(duì)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(chǎng)的較大份額。中國(guó)在20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始了對(duì)SLA快速成型的研究,經(jīng)過(guò)近十余年的發(fā)展,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,國(guó)產(chǎn)快速成型機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的擁有量已超過(guò)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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