光固化成型工艺材料和应用

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光固化成型技术

（二）

《快速成型技术与应用》本节知识点光固化成型的工艺过程1四、光固化快速原型的工艺过程

光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。1.前处理

前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。

（1）CAD三维造型

三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catie等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，图1a给出的是小扳手在UGNX8.0上的三维造型。

a)CAD三维原始模型

b)CAD模型的STL数据模型

c)模型的摆放方位

d)模型施加支撑

图1光固化快速原型前处理

（2）数据转换

数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图1b所示。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。

（3）确定摆放方位

摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放，如图c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。a)CAD三维原始模型

b)CAD模型的STL数据模型

c)模型的摆放方位

d)模型施加支撑

图1光固化快速原型前处理

1）支撑的作用：

相当于传统加工中的夹具，起固定零件的作用。

2）添加支撑的情况：当上层截面大于下层截面时，上层截面多出的部分由于无材料的支撑将会出现悬浮(或悬空)，从而使多出的截面部分发生塌陷或变形甚至使零件不能成型。有些成型工艺中的支撑是生产过程中自然产生的。分层实体制造(LOM)中切碎的纸、三维印刷(3DP)中未粘结的粉末、选择性激光烧结(SLS)中未烧结的材料都成为上一层的支撑。对于熔融堆积成型(FDM)和光固化成型(SLA)必须人工加支撑或通过软件自动加支撑。

（4）施加支撑

3）支撑添加需考虑如下因素：

支撑的强度和稳定性：保证自身和上面的原型不会变形或偏移。支撑的加工时间成形时间短，节约成型材料。支撑的可去除性降低对原型表面质量的损害，方便后处理。4）光固化成型的支撑结构

原因：在成型过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位。因此必须设计一些细柱状或肋状支撑结构(如图所示)，并在成型过程中制作这些支撑结构，以便确保制件的每一结构部分能可靠固定，同时也有助于减少制件的翘曲变形。

支撑的设计方式：可以在模型创建时直接设计，也可以在切片软件中选择参数自动生成，软件生成的支撑一般需要手工添加或删减。

支撑的类型：支撑按其作用不同分为：

基底支撑——加于工作台之上，形状为包络零件原型在XOY平面上投影区域的矩形。零件原型的支撑——支撑零件中悬空部位。基底支撑的作用：1）便于零件从工作台上取出。2)保证预成型的零件原型处于水平位置，消除工作台的平面度所引起的误差。3)有利于减小或消除翘曲变形。零件原型支撑结构的类型：类型：

点支撑——支撑与需要支撑的模型面是点接触。方便后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量。

线支撑——支撑与需要支撑的模型面是线接触。

支撑结构可以自行设计，目前主要有点支撑、线支撑、斜支撑、网状支撑、树状支撑等类型，传统的SLA成型工艺的支撑结构为片状，比利时Materialise公司的商业化软件Magics是这种支撑结构设计方式的代表。点支撑线支撑

面支撑——支撑与需要支撑的模型面是面接触。

角板支撑形式，如图4-8所示，适用于悬臂梁特征的支撑。

角板支撑——支撑与需要支撑的模型面是片状接触。

步骤：首先，寻找模型上需要添加支撑的悬垂部分，若曲面法矢与垂直方向的夹角小于阈值，就判定该部位需要支撑；其次通过力学分析，将悬垂部位转化为一组支撑点集，然后通过优化算法，以所需支撑耗材最少的向生成树状支撑结构。树状支撑——树状结构，截面形状为圆形，目前商业化软件大多采用这种方法实现支撑结构的自动生成。图2某手柄的光固化快速原型

（5）切片分层

支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的STL格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图2给出的是该扳手的光固化原型。四、光固化成型的后处理

在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型方法成型的原型，还需要进行后固化处理等，下面以某一SLA原型为例给出其后续处理的步骤和过程。

原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5~10min，以晾干多余的树脂。

将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。

12从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。

再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。

342.后处理（1）成形件取出

将薄片状铲刀插入制件与升降台板之间，取出制件。但是如果制件较软时，可以将其连同升降台板一起取出进行固化处理后再行取出。（2）未固化树脂排出如果在制件内部残留有未固化的树脂，则残留的液态树脂会在二次固化处理或成形件储存的过程中发生暗反应，使残留树脂固化收缩引起成形件变形，因此从制件中排出残留树脂很重要。当有未固化树脂封闭在制件内部时，必须在设计CAD三维模型时预开一些排液的小孔，或者在成形后用钻头在制件适当的位置钻几个小孔，将液态树脂排出。（3）表面清洗可以将制件浸入酒精、丙酮等溶剂或者超声波清洗槽中清洗掉表面的液态树脂，如果用的是水溶性溶剂，应先用清水洗掉成形件表面的溶剂，再用压缩空气将水吹除掉，最后用蘸上溶剂的签除去除留在表面的液态树脂。2.后处理（4）去除支撑用剪刀和镊子先将支撑去除，然后用锉刀和砂布进行光整。（5）二次固化当用激光照射成形的制件硬度还不满足要求时，有必要再用紫外灯照射的光固化方式和加热的热固化方式对制件进行固化处理。要注意的是随着固化会产生内应力、温度上升将导致硬化，这些因素会使制件发生变形或者出现裂纹。（6）表面处理如果零件的曲面上存在阶梯效应或者因STL格式的三角面片化而可能造成的小缺陷；制件的薄壁和某些小特征结构的强度、刚度不足；制件的某些形状尺寸精度不够；表面硬度不够，制件表面的颜色不符合用户要求等都需要进行适当的后处理。对于制件表面有明显的小缺陷而需要修补时，可用热熔塑料、乳胶以细料调和而成的腻子，或湿石膏予以填补，然后用砂纸打磨、抛光和喷漆。打磨、抛光的常用工具有各种粒度的砂纸、小型电动或气动打磨机以及喷砂打磨机。表面处理典型方法打磨方法：（1）先用100号粗砂纸打磨；（2）逐渐换细砂纸，一直换到600号砂纸为止；（每次更换砂纸时都要用水将制件洗净并风干，最后抛光打磨得到光亮表面）。喷涂漆方法：（1）先用腻子填补层间台阶，要求这种腻子材料对树脂原型件有较好的黏附性，收缩率小，打磨性好；（2）然后喷涂底色，覆盖突出部分；（3）用600号以上水砂纸和磨石打磨几个微米的厚度；（4）再用喷枪喷涂10ᵤm左右的面漆；（5）最后用抛光机将原型件打磨成镜面。五、光固化快速成型的材料及设备

1.光固化成型材料的基本要求（1）光敏性好。受到加工光照迅速固化。（2）加工固化后质量高。作为最终品或者进行翻模加工，需要具备良好的力学性能、热稳定性以及抗腐蚀能力。（3）非加工状态下稳定性好。采用紫外线作为加工光源，其加工材料对自然光敏感性不能过强。还要求不易挥发，否则会增大存储难度。（4）较小的收缩率和较低的粘度。特别是后固化过程中，收缩小，否则制件容易产生翘曲变形；分层制造需要短时间内在前一固化层上流平，同时需要考虑到加料和清洗难度。（5）环境友好性，应当是无毒、无污染的，以避免对加工者和环境造成危害。（6）较低的成本。为了能使SLA加工更易推广。2.光敏树脂的组成

光敏树脂类材料是目前应用最为广泛、主流的光固化成型材料。光敏树脂又被成为UV（UltravioletRays）树脂，是一种对紫外线敏感的正常（加工之前）形态为液态的树脂。目前应用的光敏树脂有多种，其成分也不尽相同。但典型SLA用光敏树脂均由以下几种基本成分组成。（1）低分子聚合物低分子聚合物（低聚物）又被成为齐聚物，是组成光敏树脂最基本也是最主要的组成物质。齐聚物中含有大量的不饱和官能团以及对紫外线敏感的活性基团，因而可以使光敏树脂在加工受到紫外线照射时发生聚合反应，可以完成由液态向固态的转变。光敏树脂的很多性能如凝固速度、凝固收缩率、挥发性、力学性能等都是有低聚物决定的。低聚物的种类决定了光敏树脂的种类，目前应用较多的有丙烯酸酯类和不饱和聚酯类等。（2）活性单体

也称稀释剂，其在光敏树脂中的含量虽不如低分子聚合物，但其在SLA加工过程中发挥着不可或缺的作用，是光敏树脂的基本成分之一。它的主要作用是调节光敏树脂的粘度，粘度过低则对快速固化不利，粘度过高影响涂覆刮板在层间加工时的涂覆。根据固化加工系统不同，采用的反应性稀释剂也不尽相同，常用的有乙烯基类和丙烯酸酯类。（3）光引发剂在光敏树脂中的含量不到百分之五。但它在加工的过程中扮演着最为重要的角色，是光源能量和低聚物之间的传递者。光引发剂可以吸收紫外线中的能量而转变为自由基体并具备一定的活性，促进低聚物聚合反应的发生。由于SLA所用光源多为紫外线，因此光敏树脂的主流引发剂为紫外线光引发剂。其它类型的光引发剂研发及应用均较少。（4）填料和助剂。填料可以提高光敏树脂的性能，常用的填料有无机填料和高分子填料，可提高力学性能和降低树脂的收缩率。但不可加入过多，否则会增加树脂的粘度。助剂包括光敏剂、流平剂、消泡剂、阻聚剂等。光敏剂的作用是增加光引发剂对光的吸收作用，提高光的吸收效率；流平剂的作用是增加树脂的流动性；消泡剂可以防止光敏树脂在加工过程中产生过多气泡影响加工质量的；其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中保持较长的存放时间。助剂使用量比较少，一般占光敏树脂含量的1%以内。

根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：（1）自由基光固化树脂

主要有三类：第一类为环氧树脂丙烯酸酯，该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；（生物医用和食品包装材料）第二类为聚酯丙烯酸酯，该类材料流平和固化好，性能可调节；第三类材料为聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。第二节光固化快速成型材料及设备3.光敏树脂的分类（2）阳离子光固化树脂主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%~3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%~7%。2）产品精度高。3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。5）粘度低。6）生坯件强度高。7）产品可以直接用于注塑模具。

第二节光固化快速成型材料及设备（3）混杂型光固化树脂

自由基光固化树脂虽然成本低、固化速度快，但是固化收缩大，表层易受氧阻聚而固化不充分；

阳离子型光固化性树脂也存在成本高，固化速度慢、固化深度不够的缺点。为了解决这些问题，利用混杂型光固化树脂实现两者的互补，混杂型光固化树脂是未来光固化成型树脂发展的趋势。第二节光固化快速成型材料及设备1.Vantico公司的SL系列型号原型特性应用SL5195具有较低的黏性，较好的强度、精度和光滑的表面效果适合于可视化模型、装配检验模型及功能模型、熔模铸造模型及快速模具的母模等模型制造SL5510多用途、精确、尺寸稳定、高产满足多种生产要求，适合于较高湿度条件下的应用，如复杂型腔实体的流体研究等SL7510具有较好的侧面质量，成型效率高适于熔模铸造、硅胶模的母模以及功能模型等SL7540具有较高的耐久性，侧壁质量好制作的原型性能类似于聚丙烯，可以较好地制作精细结构，适于功能的模型的断裂实验等SL5530HT高温下仍具有较好抗力的特殊材料，使用温度可以超过200°C以上适于零件的检测、热流体流动可视化、照明器材检测以及飞行器高温成型等方面SLY-C9300可以实现有选择性的区域性着色，可生成无菌模型适于医学领域及原型内部可视化的应用场合光固化成型材料的的国外研发生产情况2.3DSystems公司的Accura系列和VisiJet系列型号原型特性应用AccuraSi40既具有高耐热性、又有韧性适用于汽车应用。制件透明，具有高的劲度和适中的伸长率，能被钻孔，攻螺纹AccuraBluestone具有较高的刚度和耐热性适合于空气动力学实验、照明设备等以及真空注型或热成型模具的母模等AccuraSi45HC固化速度快，良好的耐热耐湿性适于制作功能原型AccuraSi40耐高温、坚韧性好稳定精确的光固化成型原料AccuraSi30适中硬度，低粘度，易清洗适合于精细特征结构的制作AccuraSi20固化后呈持久的白色，具有较好的刚度和耐湿性以及较快的构建速度适合于较精密的原型、硅橡胶真空注型的母模等AccuraSi10强度和耐湿性好，原型的精度和质量好适用于“QuickCast”式样，熔模铸造AccuraAmethyst综合性能好适合于制作高品质、精确珠宝式样，精美细致的原版模型，并何用作直接铸件

20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的CharlesW.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。CharlesHull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。同年，CharlesHull和UVP的股东们一起建立了3DSystems公司，并于1988年首次推出SLA-250机型，如图所示。

3DSystems公司的SLA-250机型第二节光固化快速成型材料及设备4.光固化快速成型设备

目前，研究光固化成型（SLA）设备的单位有美国的3DSystems公司、Aaroflex公司，德国的EOS公司、F&S公司，法国的Laser3D公司，日本的SONY/D-MEC公司、TeijinSeiki公司、DenkenEngieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，以色列的Cubital公司以及国内的西安交通大学、上海联泰科技有限公司、华中科技大学等。在上述研究SLA设备的众多公司中，美国3DSystems公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大。3DSystems公司在继1988年推出第一台商品化设备SLA-250以来，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足的进步。其中，SLA3500和SLA5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成层厚最小可达0.05mm。第二节光固化快速成型材料及设备

此外，还采用了一种称之为Zephyerrecoatingsystem的新技术，该技术是在每一成型层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05~0.1mm的待固化树脂，使成型时间平均缩短了20%。SLA3500和SLA5000两种型号设备如图2-6和图2-7所示。该公司于1999年推出SLA7000机型，。SLA7000与SLA5000机型相比，成型体积虽然大致相同，但其扫描速度却达9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型层厚最小可达0.025mm，精度提高了一倍。3DSystems公司推出的较新的机型还有Vipersi2SLA（如图2-9所示）及ViperProSLA系统。第二节光固化快速成型材料及设备

3DSystems公司的SLA-3500机型

3DSystems公司的

SLA-5000机型第二节光固化快速成型材料及设备3DSystems公司的SLA-7000机型第二节光固化快速成型材料及设备

国内西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的研究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600成型机如图所示。

SPS600成型机第二节光固化快速成型材料及设备

西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征:①该成型机激光器、扫描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度SPS最大可达7m/s、LPS可达2m/s，精度达±0.1mm；全范围扫描分辨率达3.6μm，整机控制精度达50μm，高于国外同类机器水平，保证了可靠性；扫描光斑直径=0.2mm，SPS激光寿命>5000h，LPS激光寿命>2000h，与国外水平相同。②采用了快速排序分层法，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊断和修复功能。③国际上创新的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。优于美国3DSystems公司的工艺方法；拐角误差采用自适应延时控制，较少了轮廓误差的影响，此为国际首创。第二节光固化快速成型材料及设备

④零件成型精度达±0.1mm(<100mm)或0.1%(>100mm)，与国外水平相同；样件测试尺寸合格率达到美国3DSystems公司SLA系列机器的水平，高于日本CMET公司Soup型机器的水平。⑤不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首创；且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和开放性。优于美国3DSystems公司、日本CMET公司的同类产品。⑥零件模型管理和成型数据生成软件在Windows95下自主开发、整机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且三维STL模型的检视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现了图视化操作；而成型控制软件是在DOS下开发，保证满足了控制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。第二节光固化快速成型材料及设备我院快速成型设备:

西安交通大学研发的SCPS350B紫外光快速成型机，成型机外观如下图所示：主要技术参数有:（1）外形尺寸:790×890×1600mm；（2）最大功率:4KW（3）加工范围:350×350×350mm（4）（4）加工精度:士0.2mm(100mm以内)（5）扫描速度:20～400mm/s（6）分层厚度:0.05～0.4mm成型机硬件系统：光学系统、X-Y扫描系统、Z轴升降系统、涂层系统、溢流系统、温度控制系统和工艺控制系统构成；成型机配有数据准备软件RpData和控制软件RpBuild。

上海联泰科技有限公司开发