光固化快速成型技术的进展及应用

1、第41卷第12期2015年12月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.41No.12Dec.2015光固化快速成型技术的进展及应用李东方,陈继民,袁艳萍,黄 宽,方浩博(北京工业大学激光工程研究院,北京 100124摘 要:光固化快速成型是最早发展起来的一种快速成型技术,在制造业材料科学与工程医学文化艺术等领域有广阔的应用前景.介绍了传统光固化成型技术在数据格式光斑补偿等精度方面的研究.对喷射固化成型技术面曝光光固化成型技术光敏树脂的研究进行了阐述,并介绍了最新的CLIP 技术.对目前光固化技术的发展和应用现状对未来光固化

2、成型技术的发展进行了展望.关键词:光固化;3D 打印;喷射固化;数据格式中图分类号:U 461;TP 308文献标志码:A文章编号:0254-0037(201512-1769-06doi :10.11936/bjutxb2015070084Development and Application of Stereo Lithography ApparatusLI Dong-fang,CHEN Ji-min,YUAN Yan-ping,HUANG Kuan,FANG Hao-bo(Institute of Laser Engineering,Beijing University of Techno

3、logy,Beijing 100124,ChinaAbstract :Stereolithography is the first technology developed in rapid prototyping,which has beenbroadly applied in manufacturing,materials science,engineering,medicine,arts,culture and other fields.In this paper,the data exchange format,spot compensation which affects the a

4、ccuracy of traditional stereo lithography apparatus were discussed.And the research and development of polyjettechnology,Mask Projection Stereolithography,and the photosensitive resin were described,and the latest CLIP technology was introduced.The trend of future development and application of the

5、stereolithography technology was envisioned.Key words :stereo lithography;3D printing;polyjet;data exchange format 收稿日期:2015-07-21基金项目:北京市自然科学基金资助项目(Z140002;北京市科技创新项目(Z141100002814011作者简介:李东方(1990 ,男,硕士研究生,主要从事激光快速成型方面的研究,E-mail:lidongfangldf 通信作者:陈继民(1965 ,男,教授,主要从事激光微纳加工激光快速成型方面的研究,E-mail:jimin光固化

6、快速成型(stereo lithography apparatus,SLA,是最早发展起来的快速成型技术.利用材料累加成型的基本原理,以液态光敏树脂为原料,通过控制紫外光束扫描液态光敏树脂,使其有序固化成型,材料利用率接近100%1.激光照射液态光敏树脂固化分层进行三维物体成型的概念,最初是由美国的Charles W.Hull 在他的博士论文中提出,并获得了专利.同年,由3D Systems 公司推出第一台商品化的光固化快速成型设备.光固化快速成型作为一种多学科多技能高度交叉集成的技术,其整体性能的发展依赖于各部分单元技术的发展2-4.目前从事光固化成型技术研究的公司中,美国的3D Syste

7、ms 公司在国际市场上所占的份额最大,另有Stratasys 公司德国EOS 公司日本CMET 公司Denken Engineering 公司Autostrade 公司以及国内的西安交通大学等5.光固化快速成型技术以其卓越的成型性能,成型工件可作为功能件直接应用,并且具有较高的强度和硬度,对于特别复杂件特别精细件也可进行成型,因北 京 工 业 大 学 学 报2015年此被广泛应用于各个领域.1 传统光固化快速成型原理光固化快速成型原型机的系统结构如图1所示,基于液态光敏树脂的光固化原理.光固化开始后,在升降台表面首先附上一定厚度的液态树脂,振镜系统在计算机控制下,使聚焦后的紫外激光束按零件分层

8、后的扫描路径,在液态树脂表面进行扫描,完成第一个固化层,升降台下移一定距离,并由刮刀刮平固化层表面的树脂,再进行后续层的扫描,新的固化层在前一层的表面固化,计算机根据零件各层的分层信息重复整个工作流程,直至工件加工完成.将工件取出后或进行进一步固化或直接进行后续的表面处理,如喷砂打磨等. 图1 传统光固化快速成型技术原理Fig.1 Basic sketch of traditional stereolithography apparatus2 光固化成型技术的研究进展随着现代3D 打印技术的发展,光固化快速成型技术已由传统激光快速成型逐步向面曝光喷射固化成型等方向发展.超越了传统单材均质加工技

9、术的限制,在材料性质和种类制作层次制件功能等方面有了巨大进步6-8.国内外相关领域的学者为3D 打印技术的进步做出了大量的研究工作.21 传统光固化快速成型通过激光逐行扫描使光敏树脂固化的传统光固化成型方式,经过近几十年的发展,性能和工艺特性都得到了稳步的提升.目前传统光固化成型系统所用光源大多采用半导体泵浦的三倍频Nd:YVO 4固体激光器替代He-Cd 激光器,使激光器寿命更长,加之光学系统的改进,进一步满足了设备对成型速度和成型精度的要求.在提高传统光固化快速成型精度方面,为避免树脂涂层厚度对精度的影响,Jacobs 等提出了 二次曝光法 ,西安交大的学者还提出了 改进的二次曝光法 用以

10、避免层间漂移问题9.另外进行一定的光斑补偿,针对不同的工件运用不同扫描方式也可有效地提高扫描精度10.然而,面对逐步提升的制件标准,目前的3D 打印数据标准已不能满足高精度的制件要求.快速成型过程中,模型数据分层处理大都是基于STL 格式文件的切片,其根据三角形逼近的方式产生曲面,无论精度多高也会不可避免地产生误差.以直径100mm 的球体为例,如图2所示,利用Pro /E 导出的弦高分别为0.1和1.0时的STL 格式文件11.由Pro /E 直接存储为STL 文件后图形精度不能得到保证.图2 球体STL 格式Fig.2 STL format of sphere为避免原始模型在转化为STL

11、格式后精度降低的问题,美国3D Systems 公司于1992年推出了SLC 数据格式,它是对三维CAD 数据模型进行二维半的轮廓表述,即在z 轴方向上由一系列横截面组成,三维模型的每层截面信息由内外边界等多线表述.由切层导致的 台阶效应 在一定程度上导致了工件误差的产生,如图3所示12-13.图3 传统光固化快速成型中的台阶效应Fig.3 Staircase effect of traditionalstereolithography apparatus新的数据标准的出现,弥补了CAD 数据和现代的3D 打印技术之间的差距.2013年一款基于可扩展标记语言的增材制造格式标准(additive

12、 manufacturing file format,AMF被美国材料与试验协会(American society for testing and materials,ASTM和国际标准化组织采纳为新的3D 打印行业标准.对比仅能描述实体轮廓信息的STL 格式14,AMF771第12期李东方,等:光固化快速成型技术的进展及应用标准可根据模型各个顶点法线或切线方向确定曲率的曲面三角形,在切片后还可对曲面三角形进行细分.加之通过空间坐标实现材料成分线性变化的梯度材料,以及颜色元素微结构排列方位等高级概念的引入,AMF格式精度大幅提升,数据冗余降低,工艺信息更加全面,文件体积减小,数据读取速度也有效

13、得到提升8,15.紧随其后,微软Dassault SystemesFIT AG/netfabb GmbH和Autodesk等行业巨头,于2015年联合发布3D打印文件格式3MF格式文件,可用于CAD软件3D打印的硬件及软件,该格式文件可用于3D打印的整个过程16.22 喷射固化成型喷射固化成型(PolyJet技术作为光固化成型技术的一种延伸,由Object Geomatries公司于2007年发布(目前已被Stratasys公司收购.Stratasys最新推出基于PolyJet技术的Objet500Connex33D打印设备支持同一部件多种材料多种颜色打印17.如图4所示,使用阵列式喷头,在计

14、算机控制下,喷嘴工作腔内的液态光敏树脂瞬间形成液滴,在压力作用下液滴喷射到基底的指定位置,并立即使用紫外线将其固化,薄层聚集在托盘上,形成精确的3D模型或零件,其层分辨率可达16m,精度可达0.1 mm18.在悬垂部分或形状复杂需要支撑的部位,该3D打印设备还可喷射用手或水可轻松除去的凝胶状支撑材料.PolyJet3D技术打印彩色多材料的特点,使透明和着色的半透明材料刚性材料橡胶类韧性材料以及专业光聚合物材料均可实现打印,在牙科医疗以及消费产品行业有极广泛的应用.无独有偶,美国3D Systems公司推出的Projet5500X 3D打印机采用的是与PolyJet技术类似的原理,采用多喷头打印

15、(multijet printing,MJP技术.该技术可同时以多个色彩和明暗度(包括不透明透明黑色或白色以及多种灰度进行打印.23 面曝光快速成型随着快速成型设备对精度速度等方面性能要求的提升,以及微光学元件技术的进步,基于掩膜成型工艺的面曝光快速成型技术在近些年得到了快速的发展19-20.其成型原理是:零件的CAD模型经计算机切片处理后,生成可反映零件截面图形的切层数据,由该文件驱动动态视图生成器,特定波长的面光源照射动态视图生成器,经光路系统后,在光敏树脂表面形成指定的零件截面视图,可一次性实现整个零件层的固化.当该层零件截面生成后,工作台下移一个层厚,进行下一零件层的固化, 此过程往复

16、图4 喷射固化成型技术Fig.4 PolyJet technology进行,直至完成整个零件制作完成21.对比激光扫描式光固化成型技术,面曝光快速成型速度快精度高,设备成本低,工艺简单.因此,面曝光快速成型技术在用于微小零件制作的快速成型领域得到了迅速的发展22.在成型精度方面,面曝光成型核心技术之一的数字光处理技术(digital light procession,DLP对面曝光成型精度起到了决定性作用.据美国德州仪器公司介绍,该公司最新开发的DLP9000分辨率已由之前的1080P(19201080提升至WQXGA(2 5601600,像素远远超过400万,这意味着面曝光成型精度在理论上可

17、实现由目前的4050m向更高精度的飞跃23-24 .图5 CLIP技术Fig.5 CLIP technology在打印速度方面,面曝光快速成型方式于2015年初取得了突破性进展,美国一家公司发明了全新的3D打印技术,可实现比目前普通3D打印设备快25100倍的速度,打印东西如同科幻电影终结者2“中爬起来的T-100025.该技术被称作连续液面制造(continuous liquid interface production,CLIP技术,如图5所示,利用氧可以阻止光敏树脂固化的特性,通过使池底树脂溶解氧,如此池底树脂只能保持液态,产生固化盲区,通过小心控制光与氧作用的平衡,CLIP技术可以使制

18、件在树脂中连续地 生长 出来.该技术可使用的原料有硅氧树脂橡胶尼龙1771北京工业大学学报2015年陶瓷以及可降解生物材料等,极大地扩大了光固化成型的材料范围26.24 光敏树脂作为光固化成型不可或缺的材料,光敏树脂被广泛应用于立体光刻数字光学处理喷射固化成型等快速成型方式中.其性能直接影响到零件的精度机械性能和零件的收缩变形27.光敏树脂以自由基阳离子混杂固化的树脂体系较多,前者固化速度快黏度低韧性好成本低的特性与后者收缩率小的特性相结合,实现体积变化互补性能协同的效果,有助于对成型件精度的提升28-29.有研究表明,诱发光敏树脂聚合的波段可不仅限于紫外波段,在一定波长的红色激光下也可诱发,

19、并且不会对人体的细胞造成伤害30.基于该发现,日本Denken Engineering公司和Autostrade公司率先开发出一款以680nm左右波长半导体激光器为光源的光固化成型设备,使得SLA设备的成本大幅降低31.近年来传统型光敏树脂主要集中在提高成型材料的性能降低成本进行材料改性等方面以扩大应用范围.如将改性后的二氧化硅分散到自由基-阳离子混杂型的光敏树脂中,可使材料的临界曝光量增大,投射深度减小,进而使得制件硬度耐热性弯曲强度等得到明显提升;又如为提高制件韧性和可靠性,可在树脂中加入碳化硅晶须;开发可见光固化的光敏树脂,提升固化速度,减小人体危害,由此可极大地提高制件效率,也极大地降

20、低了制件成本和设备成本32.随着Objet500Connex3的推出,Stratasys在3D 打印材料上实现了变革性的突破,材料种类扩充到了1000多种33.该设备所用的数字材料能够模拟出透明柔软和坚硬的材料以及工程塑料,还可以将多种颜色和材料性质融入一个模型,甚至允许将最高强度的数字化ABS光聚合物与类橡胶材料混合,来实现各种邵氏A级别硬度值和高耐用性34.3 光固化快速成型应用及展望3D打印可以应用于各个领域,只要这些领域需要模型或原型,光固化快速成型亦是如此35-36.在航空航天领域光固化快速成型制件可用于可装配可制造性检验,进行可制造性讨论评估,确定最合理的制作工艺,可有效地缩短周期

21、提高精度提高制件成功率.在汽车制造领域,针对汽车制造领域产品多生产周期短等特点,可用于模型展示模具制造功能性和装配性检验管路流动性分析等.在铸造行业,光固化快速成型可以快速低成本制作压蜡模具,制作树脂熔模以替代蜡型.在砂型铸造中用树脂模具代替木模,可有效提升复杂薄壁曲面等结构铸件的质量和成型效率.光固化成型技术在铸造业的应用为快速铸造小批量铸造复杂件铸造等问题提供了有效的解决方法37-38.在医学方面,可用于假体的制作复杂外科手术的术前规划模拟牙齿种植导板制作肿瘤内放疗的精确定位,以及口腔颌面修复等,有力促进了医疗手段的进步.在生命科学研究前沿领域,利用光固化快速成型技术可以制作具有生物活性的

22、人工骨支架,使用特定树脂材料制作的支架拥有良好的机械性能和生物相容性,对骨细胞在其表面的黏附和生长有很大帮助.另外,通过与冷冻干燥技术相结合,光固化成型技术制作出的复杂微结构肝组织工程支架,能保证多种肝脏细胞有序分布,可为组织工程肝脏支架材料微观结构模拟提供有力的参考32.目前光固化技术正朝着更高精度的亚微米级发展,微光固化快速成型的实现,以及近些年来微电子领域和微机电系统的快速发展,使得光固化成型技术在微机械结构的制造和研究方面有了极大的应用前景和经济价值39-41.另外,光固化成型技术在军工建筑电影和电视家电轻工考古文化艺术雕塑珠宝等领域也将得到广泛应用.参考文献:1吴懋亮,诸文俊,李涤尘

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