叠层制造及其它快速成型工艺与设备

叠层制造及其它快速成型工艺与设备第一页，共60页。概述研究LOM工艺的有Helisys公司、华中科技大学、清华大学、Kira公司、Sparx公司和Kinergy公司。Helisys公司除原有的LPH、LPS、LPF三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品种。华中科技大学推出的HRP系列成形机和成形材料，具有较高的性价比。清华大学推出了SSM系列成型机及成型材料。第二页，共60页。LOM成形的基本原理第三页，共60页。LOM成形的基本原理1.工作开始时，送料机构把单面涂有热溶胶的纸片送至工作台的上方；热溶胶的特点：加热时具有粘性。热溶胶的作用：把各层材料黏和在一起。2.激光束按计算机数据系统提取的截面轮廓线，把工作台上方的材料切除，得到工件的截面形状，并把周围多余的材料切碎。3.然后工作台下降一个层厚(纸片厚）的高度，送料机构再铺新一层纸片。由热黏压机构将新一层材料黏合在上层材料上。第四页，共60页。LOM成形的基本原理4.激光束按照指定的截面轮廓再次切割。5.如此反复，最终得到由许多小废料块包围的三维原型零件，然后取出工件，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。第五页，共60页。LOM成形的后处理第六页，共60页。LOM成形系统的组成LOM成形系统由计算机及控制软件、原材料存储及送料机构、热碾压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统、模型取出装置和机架组成。第七页，共60页。计算机及控制软件LOM成形用计算机为工业计算机，在计算机中配有如下控制软件：1.STL格式文件的纠错和修补文件用来标识读入的STL格式文件中三角形的错误，并由操作者修改。2.三维模型的切片用来对三维模型的STL格式文件，沿成形的高度方向，每隔一定的厚度，自动提取截面的边界轮廓信息。3.激光切割速度与切割功率的自动匹配根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功率，从而得到合适尺寸的零件，防止过切。第八页，共60页。计算机及控制软件4.激光光束宽度的自动补偿可以自动识别截面的内、外轮廓边界，根据激光的光束宽度（0.3～0.4mm），控制切割头，相对理论内、外轮廓边界，自动向内或向外偏移半个光束宽度，从而保证实际切出的轮廓边界和理论轮廓边界重合。第九页，共60页。原料存储及送料机构、热黏压机构原料存储及送料机构：依靠电机运动，送进成形所需的薄层材料，如纸片、塑料薄膜或复合材料等，每次送进一个层厚的材料。热黏压机构：利用步进电机，驱动热压辊，使其在工作台上往复运动，这时热压辊上的发热元件发热，促使材料发生黏结。第十页，共60页。激光切割系统

对激光器的要求：1.激光器输出的能量必须稳定并能调整。2.激光器能够快速输出和关闭。3.激光器能够长时间连续工作。因此，在LOM快速成形系统中，激光切割单元应具有结构紧凑、可自动控制、监测、响应快速、运行可靠等功能，多选用CO2激光器。激光器电源多为开关电源。第十一页，共60页。可升降工作台

用来支撑成形的工件，并在每一层成形后，下降一个层厚，厚度一般为0.1mm～0.2mm（和所选材料厚度一致），以便送进、黏合和切断新的材料。第十二页，共60页。LOM成形用材料LOM快速成形采用经过快速处理的纸作原材料，这种纸由纸质基底和涂覆在上面的一层黏结剂、改性添加剂组成。成本低，大约在人民币50～60元/Kg。纸质基底在激光切割过程中一直保持为固态，不发生状态改变，因而翘曲变形小。经表面涂覆后，不吸水，有良好的稳定性。第十三页，共60页。LOM快速成形技术的优缺点一.LOM快速成形技术的优点1.设备价格低廉（与SLA相比），采用CO2激光器，成本低廉，使用寿命长，造型材料成本低。2.由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件，体积越大，效率越高。3.无需设计和构建支撑结构。4.易于使用，无环境污染。第十四页，共60页。LOM快速成形技术的缺点1.需要专门实验室环境，维护费用高昂。2.可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其它的仍在研制开发中。3.材料利用率低，当制作薄壳类零件时，材料利用率可能不足20%。4.后处理工艺困难，因为废料较多，并且快速成型制件镶嵌于其中，剥离废料相当麻烦。5.制件层与层之间粘结强度较低，特别是在环境温度、湿度变化的情况下，层与层之间容易发生开裂。

第十五页，共60页。LOM快速成形技术的缺点6.表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。7.难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。8.由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。9.当加工室的温度过高时常有火灾发生，因此，工作过程中需要专职人员职守。第十六页，共60页。LOM快速成形技术的应用LOM快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。第十七页，共60页。面曝光快速成型MPSL(MaskProjectionStereolithography)面曝光快速成型与扫描式固化快速成型最大的不同在于采用片层掩膜技术，一次曝光固化一个层面的实体。MPSL的关键技术之一是如何生成图形动态掩膜（DynamicMask）。图形掩膜的生成方式有多种，早期是利用静电复印技术原理，在玻璃底版上生成图形掩膜。目前，比较典型的图形生成工艺是采用液晶显示技术（LiquidCrystalDisplay，LCD）和数字投影技术（DigitalLightProcessing，DLP）。下面对这两种技术分别进行简单地介绍，着重说明一下DLP的技术原理。第十八页，共60页。面曝光快速成型—掩膜生成技术断电状态通电状态123564图1-2光线阻断（左）和穿透（右）示意图1-偏光器；2-通电层；3-液晶分子；4-电源；5-通电层；6-偏光器LCD（LiquidCrystalDisplay，LCD）基本原理

第十九页，共60页。LCD（LiquidCrystalDisplay）

液晶显示技术偏光板上玻璃下玻璃液晶第二十页，共60页。LCD（LiquidCrystalDisplay）

液晶显示技术

液晶显示器由上、下玻璃板和液晶组成，从图中我们可以知道,

当上下两块玻璃之间没有施加电压时,

液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶来说,

上下的配向膜的角度差恰为90度。所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度,

当入射的光线经过上面的偏光板时,

会只剩下单方向极化的光波。通过液晶分子时,

由于液晶分子总共旋转了90度,

所以当光波到达下层偏光板时,

光波的极化方向恰好转了90度。而下层的偏光板与上层偏光板,

角度也是恰好差异90度，所以光线便可以顺利的通过。第二十一页，共60页。LCD（LiquidCrystalDisplay）

液晶显示技术

但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时,

由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε//

>ε⊥，代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大，因此当液晶分子受电场影响时，其排列方向会倾向平行于电场方向)，所以我们从图10中便可以看到，液晶分子的排列都变成站立着的。此时通过上层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时便不会改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。

第二十二页，共60页。面曝光快速成型—掩膜生成技术图4两个DMD像素图(微镜画成透明的)DLP（DigitalLightProcessing）

数字投影技术原理第二十三页，共60页。DLP（DigitalLightProcessing）

数字投影技术原理DLP（DigitalLightProcessing）数字投影技术即数字光处理，该技术是基于德州仪器公司（TexasInstruments）开发的数字微镜（DigitalMicromirrorDevice，DMD）来完成显示数字可视信息的最终环节。DMD是在CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的标准半导体制程上，加上一个可以调整反射面的旋转机构形成的器件，因此一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关。成千上万个微小的方形13×13μm镜片被固定在静态随机存取内存（SRAM）上方的铰链结构上而组成DMD，如图1-3所示。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜，+10度为“开”。-10度为“关”，当镜片不工作时，它们处于0度“停泊”状态。第二十四页，共60页。DLP（DigitalLightProcessing）

数字投影技术原理成像面光吸收装置投影镜头DMD光源微镜片图1-3数字微镜[7]图1-4单个微镜片投影成像示意图DLP（DigitalLightProcessing）原理第二十五页，共60页。第二十六页，共60页。DLP（DigitalLightProcessing）

数字投影技术原理

视频或图形信号经DLP视频处理转换成二进制数据平面后，就被送入DMD。信息的每一个象素按照1:1的比例被直接映射在相应的微镜片上，通过对每一个微镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址，DMD阵列上的每个微镜片被以静电方式倾斜为“开”或“关”状态。因此对于一个微镜片来说，DLP成为一个简单的光学系统，如图1-4所示。三个镜片不同的反射状态，就可以相应地生成黑或白的光点。全部DMD微镜就可以按上面的方法产生整幅画面。第二十七页，共60页。DLP（DigitalLightProcessing）

数字投影技术特点与LCD相比，DMD具有以下特点产生无缝图像。

DMD上的小微镜面积为13×13μm，每两个间隔1μm，填充因子大于90%的，使投影的画面过渡自然，更加真实。而在LCD图像显示中，则会明显看到投影屏幕上的像素点，屏幕门效应，栅格化非常严重。2.反射优势明显。

DMD是一种反射器件，DMD的光反射率、填充因子、衍射效率和实际镜片“开”时间使它有超过60%的光效率。而LCD依赖于偏振，所以其中一部分偏振光没有用。剩下的光除了光损失外，液晶材料本身吸收了一部分光，结果是只有一少部分入射光透过LCD面板照到屏幕上。第二十八页，共60页。DLP（DigitalLightProcessing）

数字投影技术特点3.可靠性更高。

DLP系统成功地完成了一系列环境下的应用测试。其中的DMD元件可长时间经受紫外光的照射而不发生老化。而LCD则由于吸光发热，以及紫外光长时间照射液晶，导致液晶分子发生变化，造成LCD失效，致使该种投影仪工作时间较短。第二十九页，共60页。MPSL技术基本原理

由分析可以看出，相比于LCD，DMD能更好地适应快速成型加工所需要的高精度、高可靠性以及对紫外光源能量较高的承受能力。因此将DLP技术应用到光固化快速成型技术的面曝光快速成型具有更好的发展前景。它主要包括两大部分：固化成像器件即掩膜发生器和机械辅助装置即升降、涂覆系统等。掩膜发生器负责完成每层图像的生成，由紫外光照射投影到成像位置，即光敏树脂液面处，曝光固化一次树脂，再通过升降装置以及涂覆系统完成新一层树脂的准备工作，从而开始下一层的固化。第三十页，共60页。MPSL技术基本原理掩膜发生器光敏树脂升降装置第三十一页，共60页。MPSL技术特点面曝光快速成形技术具有以下特点：面曝光固化工艺克服了SL扫描固化时的枕形误差、Z轴焦距误差等问题。面曝光成形速度与成形面积无关，只与层数有关，和扫描固化相比有明显的速度优势。面曝光过程中，成形面积随投影高度而变化，而分辨率不变，因此可在较小面积上实现精细加工。面曝光工艺中，树脂发生液态到固态的相变时，体积发生较大程度的变化，翘曲变形现象比较突出。第三十二页，共60页。其它的面曝光快速成型—复印固化成型技术

以色列的Cubital公司在1995年推出一种掩膜曝光快速成形设备，Solider4600，它采用了一种以面成形为特征的复印固化成形（SolidGroundCuring,SGC）技术。该技术形成掩膜的基本过程如图1-6所示：电子成像系统先在一块特殊玻璃板上高压充电，使其一侧表面带静电，然后通过离子谱印刷（IonographicPrinting）技术根据数字图形有选择性地用喷射离子流去除与截面形状相一致区域的静电，剩下的就是与截面形状相反的静电潜像，再吸附上石墨粉形成掩膜。完成一个层面的曝光固化后，擦除玻璃板上的静电和石墨粉，开始准备生成下一层掩膜。并且采用分区域或多次曝光和树脂改性的办法来解决由于大面积曝光所带来的层面变形问题。

第三十三页，共60页。（SolidGroundCuring,SGC）技术离子谱印刷术生成掩膜掩膜擦除充电(c).清除未固化部分树脂，填充石蜡，快速冷却石蜡后研磨整个层面(a).在玻璃板上静电吸附碳粉形成截面负像(b).强紫外灯曝光固化(d).升降台下降，开始下一层制作第三十四页，共60页。（SolidGroundCuring,SGC）技术SGC形成掩膜的技术与静电复印有相似之处，采用大面积的玻璃板作转印面，存在着每次放电不彻底，残留石墨现象，多次的残留静电和残留石墨的积累，导致图像灰影，图形的对比度降低，一方面导致紫外光透过率下降，影响了快速成形速度，更严重的是降低了固化层面的轮廓清晰度，影响到快速成形精度。第三十五页，共60页。LCD掩膜微光固化技术12345768图1-7微光固化成型系统原理图1-光源；2-开关；3-LCD；4-反射镜；5-聚光系统；6-树脂槽；7-升降台；8-计算机第三十六页，共60页。LCD掩膜微光固化技术

瑞士联邦技术研究所的ArnaudBertsch等人利用LCD生成动态模版（DynamicPattern），对几毫米的微小件的成形工艺进行了研究，其成型原理如图1-7所示。平面紫外光穿透LCD动态模版，经聚焦透镜组会聚后，照射到树脂液面处，即可一次性固化一层树脂。成形件的尺寸小，层厚薄（5～20μm），层曝光时间短，曝光固化成形较为容易，同时无需过多考虑变形问题。与同类型的SL设备相比，该技术加工的零件精度较高，显示出该技术在处理较小件时的高分辨率优势。

第三十七页，共60页。LCD掩膜微光固化技术LCD液晶可以做到较大面积，平行面光源直接照射就可固化得到尺寸较大的零件，而且缩小光束固化微小零件也较为简单。但其液晶分子开关反应速度慢，对比度低，造成快速成型掩膜边界轮廓不清晰，影响制件表面粗糙度。并且，高能紫外光子会打断长链液晶分子的化学键，发生裂解，导致分子排列变差，随着LCD接受光辐照时间的积累，其液晶织构逐渐发生变化，黑色条纹失去旋光性，形成的黑洞逐渐增大，图形生成性能下降。这些都制约着LCD掩膜快速成形系统的研究与发展。第三十八页，共60页。DMD掩膜快速成型系统

德国的EnvisionTec公司于2003年推出一种基于掩膜曝光的快速成型设备Perfactory。利用DLP技术生成层面的轮廓掩膜，其技术原理如图1-8所示。采用下照式的照射方式和较浅的树脂槽，利用透明石英玻璃板制造树脂槽底板，完成一个层面的固化后，电子开关关闭遮挡光路，升降台上升一个层厚的高度，同时通过剥离机构完成已固化层与石英玻璃板的分离，新的树脂液会由于毛细作用自动流入其间的空隙形成新的待固化层，更换下一层轮廓图片，打开电子开关，开始下一层的曝光固化。反复进行以上过程完成整个实体的固化。第三十九页，共60页。DMD掩膜快速成型系统DMD35电脑图像处理系统142图1-8Perfactory系统原理图1-透明底板的浅树脂槽；2-紫外光源；3-投影镜头；4-电子开关；5-剥离机构

该技术最大的特点在于约束式的涂覆方式，较好地解决了翘曲变形问题，成形速度快，精度高，设备体积小，使用一般的高压紫外汞灯作光源，加工方式简单可靠，在加工较小件时，更能体现其高精度的特点。第四十页，共60页。DMD掩膜快速成型系统

加州大学洛杉机分校的C.Sun等人将DMD掩膜系统应用到MEMS领域，开发了高分辨率微固化（highresolutionProjectionMicro-Stereolithography,PμSL）系统，实验证明该系统可以生成一般微成形系统所不能生成的细节，特别是具有极高高宽比的部分。同时鉴于普通紫外光透射深度较大，不能适用于微成形中，因此采用了在树脂中添加UV添加剂的方法，控制透射深度，提高了微成形的精度。第四十一页，共60页。DMD掩膜快速成型制造图120/90度直交结构多孔性薄膜图1360/120度直交结构多孔性薄膜图14多孔性薄膜—0/90度直交结构图15多孔性薄膜—60/120度交错结构(a)孔洞大小300um(b)孔洞大小200um(a)放大30X(b)放大60X第四十二页，共60页。掩膜快速成型系统比较以色列Solider与德国Perfactory主要加工参数比较第四十三页，共60页。面曝光快速成型系统组成部分MPSL实验平台主要包括两大组成部分：一是光路部分，即光源和掩膜发生装置；二是机电辅助部分，即升降和涂覆系统，三是数据处理以及控制软件系统。为了更好地利用现有资源和成功经验，光路部分可直接改造商用DLP投影仪，辅助部分可利用现有的SL机架改造。第四十四页，共60页。面曝光快速成型系统关键技术光能量的分布经过改造的投影仪光路系统，投射到曝光面上的光斑成像质量以及光能量分布都不可能达到设计要求。通过镜头的设计、制造，保证能量均匀。固化深度确定从固化的能量需求角度来看，光源能量越高，固化速度越快。但考虑到成型精度，则需要确定一个合适的能量参数。在光源的出光功率一定的情况下，曝光程度与曝光时间成正比。时间越长，固化程度越高，但固化深度也会随之增大，成型速度也相应降低。第四十五页，共60页。面曝光快速成型系统关键技术精度的控制紫外光固化精度包括两个方面，一是平面精度，二是垂直精度。平面精度主要由系统成型精度决定。系统成型精度和掩膜图形精度、光能量、树脂的特性匹配以及光能量分布等因素有关。掩膜图形精度由图形像素所决定。垂直精度和系统的升降运动精度以及整个层面的固化深度有关。变形的控制面曝光时，整个层面同时固化，同时产生收缩，容易发生翘曲变形，将对涂层的铺设带来困难。可采用分区域曝光固化工艺予以解决。第四十六页，共60页。MPSL面曝光快速成型数据准备

面成型加工需要BMP位图文件。因此需要将三维数据模型转化为STL格式后，对模型进行分层处理，提取出每层数据轮廓再进行填充，最终输出BMP位图文件。这里采用RPData10.0软件对零件模型进行添加支撑和分层处理，最终得到位图文件。图片生成过程如图2-2所示。开始加工时，由RPData软件输出的图片按1:1比例置中全屏显示。第四十七页，共60页。MPSL面曝光快速成型数据准备(a)加载模型(b)添加支撑(c)分层处理(d)某一层支撑(e)某一层模型第四十八页，共60页。MPSL面曝光快速成型光路部分

紫外光源选用北京师范大学光电仪器厂生产的CHG-200型紫外照射装置。该灯为高压汞灯，输出光谱范围250～400nm，峰值最大输出功率4000mW/cm2。原始的光路输出能量极为分散且很不均匀，需要进行改造。为提高光能量且约束光束口径，在出口光处添加汇聚镜头。(a)紫外光源(b)汇聚镜头第四十九页，共60页。MPSL面曝光快速成型光路部分

使用的投影仪型号为明基（BENQ）PB6215，该投影仪有一片0.7英寸的DMD芯片，微镜片偏转角度±12°，标准分辨率XGA（1024×768像素），投影镜头F=2.4~2.6，焦距f=24.0~29.1，当投影最近距离300mm时，屏幕对角线尺寸可达到181~223mm。该投影仪本身并不适合紫外光，特别是其投影镜头，需要设计制造石英镜头。第五十页，共60页。MPSL面曝光快速成型光路部分123456投影仪电路（左）、光路（右）系统1-光通道；2-汇聚镜头；3-凹面反射镜；4-平面反射镜；5-投影镜头；6-DMD第五十一页，共60页。MPSL面曝光快速成型工艺研究(a)临界曝光(