光固化成型工藝的分析及其發(fā)展前景

徐振烊　武藝　宋萬(wàn)林

摘要：光固化成型工藝又稱(chēng)立體光刻成型，是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外激光使光敏樹(shù)脂固化并逐層凝固成型的快速成型工藝方法。該工藝是快速成型技術(shù)中出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣泛、工藝最為成熟的技術(shù)工藝。文章對(duì)光固化成型工藝的基本原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)行了探討，并對(duì)影響成型精度的因素進(jìn)行了分析，進(jìn)而對(duì)光固化成型工藝的發(fā)展前景提出了展望。

關(guān)鍵詞：光固化成型工藝；光敏樹(shù)脂；成型精度；發(fā)展前景 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2016）24-0035-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.017

1 概述

快速成型技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，其核心是數(shù)字化、智能化、快速化、高效化，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)、隨地按需生產(chǎn)。其中光固化成型工藝由美國(guó)Charles W.Hull于1984年最早提出并獲得專(zhuān)利，在1988年美國(guó)3D System公司最先推出商品化成型設(shè)備后得到飛速發(fā)展與應(yīng)用。該工藝以光敏樹(shù)脂為原料，采用材料逐層疊加原理，通過(guò)控制紫外光束，使液體光敏樹(shù)脂固化成型，材料利用率接近百分之百。光固化成型工藝是一種綜合集成技術(shù)，其整體性能取決于各技術(shù)分支的發(fā)展。光固化成型工藝原理簡(jiǎn)單、方法簡(jiǎn)捷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀、高加工精度要求的原型進(jìn)行全自動(dòng)制造成型，因而得到了廣泛的應(yīng)用。目前，德國(guó)EOS公司、日本CMET公司及國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等在成型工藝上取得了一定的進(jìn)展與突破。

2 光固化成型工藝的基本原理及特點(diǎn)

2.1 基本原理

光固化成型工藝的成型過(guò)程如圖1所示。樹(shù)脂槽中盛滿(mǎn)液態(tài)光敏樹(shù)脂，在控制系統(tǒng)的控制下，氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)出的特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的紫外激光聚焦在材料表面，按零件的各分層截面信息進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層發(fā)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺(tái)垂直下移一個(gè)層厚的距離，在已固化好的樹(shù)脂表面再均勻地敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，為了保證實(shí)體精度，采用刮板對(duì)黏度較大的樹(shù)脂液面進(jìn)行刮切，使表面更加光滑平整，然后再進(jìn)行下一層的掃描固化。新固化的樹(shù)脂牢固地黏結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)零件成型完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體原型。將實(shí)體取出，而后將多余樹(shù)脂排凈，去掉支撐，清洗干凈，最后將實(shí)體原型放在紫外激光下整體固化。

2.2 工藝特點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)。（1）自動(dòng)化程度較高，基于穩(wěn)定的SLA系統(tǒng)，加工伊始至原型制作完成的整個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化成型；（2）成型尺寸精度高，SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到±0.1mm，甚至更高；（3）優(yōu)良的表面質(zhì)量，可使上表面仍達(dá)到玻璃狀效果；（4）模型適應(yīng)性較強(qiáng)，可對(duì)具有復(fù)雜形狀、精細(xì)尺寸的模型進(jìn)行成型，特別是對(duì)一般切削刀具難以進(jìn)入且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，可順利實(shí)現(xiàn)一次成型；（5）可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型；（6）制作的原型對(duì)塑料件有很強(qiáng)的替代性，且整個(gè)加工過(guò)程較為節(jié)能、環(huán)保；（7）整個(gè)制作過(guò)程相比傳統(tǒng)工藝更加便捷、高效和

智能。

2.2.2 缺點(diǎn)。（1）制作時(shí)需要施加支撐，否則會(huì)因物理及化學(xué)反應(yīng)引起制件彎曲變形；（2）液體樹(shù)脂固化后制成的原型性能不及常用的工業(yè)塑料，一般較脆且易斷裂，強(qiáng)度較差，滿(mǎn)足不了工業(yè)制件的要求；（3）設(shè)備造價(jià)較高且需要對(duì)其進(jìn)行定期的調(diào)整以使光學(xué)元件處于較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，維修使用成本高；（4）可用于固化成型的材料較為單一，目前可用的材料主要為液態(tài)光敏樹(shù)脂，原料相對(duì)單一，成型件強(qiáng)度低，性能不穩(wěn)定；（5）液態(tài)樹(shù)脂有揮發(fā)性氣味，具有一定的毒性，且對(duì)環(huán)境條件要求苛刻，為防止材料提前聚合，需要將其避光保存，使用及保存均有一定的局限性；（6）有些情況下需要二次固化。在很多情況下，液態(tài)樹(shù)脂并未被完全固化，固化成型后的產(chǎn)品使用性能和尺寸穩(wěn)定性有待提高，需要進(jìn)行二次固化。

3 光固化成型工藝的過(guò)程及精度分析

3.1 工藝過(guò)程

光固化成型工藝一般可以分為前處理、原型制作和后處理三個(gè)階段。前處理階段實(shí)際上是為原型的制作進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，具體內(nèi)容主要是對(duì)原型的CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、確定擺放位置、施加支撐和進(jìn)行切片分層。光固化成型依賴(lài)于專(zhuān)用的光固化成型設(shè)備，因此在原型制作前，需要提前啟動(dòng)光固化成型設(shè)備系統(tǒng)，使得液態(tài)樹(shù)脂的溫度達(dá)到合理的預(yù)設(shè)溫度。此外，激光器點(diǎn)燃后要達(dá)到穩(wěn)定也需要一定的反應(yīng)時(shí)間。液體光敏樹(shù)脂被激光束掃描而發(fā)生聚合反應(yīng)，固化成截面輪廓，而后工作臺(tái)托板下降一個(gè)薄層高度，液槽中的液態(tài)樹(shù)脂流過(guò)已固化的固化層，從而對(duì)新鋪上的這一層液態(tài)樹(shù)脂再次掃描固化，如此重復(fù)直到整個(gè)零件成型完畢。后處理主要針對(duì)原型進(jìn)行清理、去除支撐、后固化以及進(jìn)行相應(yīng)的打磨。

3.2 精度分析

光固化成型工藝是快速成型技術(shù)中加工精度最高的成型工藝，其以制作效率高、生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)，迅速擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域，得到了極其廣泛的應(yīng)用。談及加工，必然免不了要對(duì)誤差進(jìn)行分析，影響光固化成型精度的誤差主要包括STL格式轉(zhuǎn)換誤差、分層切片處理誤差、機(jī)器本身誤差、分層制造引起的階梯誤差、掃描振動(dòng)引起的誤差、光敏樹(shù)脂性能引起的誤差、光斑直徑大小引起的誤差、去除支撐引起的變形誤差、主要加工參數(shù)設(shè)置誤差（掃描速度、掃描間距、掃描方式與設(shè)置產(chǎn)生的誤差以及后處理產(chǎn)生的誤差等），其中光斑直徑大小、掃描參數(shù)及光敏樹(shù)脂性能等因素對(duì)成型精度影響較為明顯。目前，可通過(guò)CAD模型分層、提高激光掃描器精度和改進(jìn)掃描方式等來(lái)提高成型精度。盡管如此，對(duì)提高精度的方法仍需要做進(jìn)一步的探索和研究。

4 光固化成型工藝的應(yīng)用及發(fā)展前景

4.1 工藝應(yīng)用

SLA技術(shù)集成度高、應(yīng)用廣泛，一改以往傳統(tǒng)的加工模式，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了效率。該技術(shù)在制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空航天、材料科學(xué)與工程及文化藝術(shù)等領(lǐng)域均有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

在航空航天領(lǐng)域，SLA模型可直接用于風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行可制造性、可裝配性檢驗(yàn)。通過(guò)快速熔模鑄造、快速翻砂鑄造等輔助技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)某些復(fù)雜特殊零件的單件、小批量生產(chǎn)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行試制和試驗(yàn)，進(jìn)行流動(dòng)分析。SLA除了在航空航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用外，在其他制造領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如汽車(chē)領(lǐng)域、模具制造、電器等領(lǐng)域，其在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用為快速鑄造、小批量鑄造、復(fù)雜件鑄造等問(wèn)題提供了有效的解決方法。近年來(lái)，微光固化成型的實(shí)現(xiàn)，使得光固化成型技術(shù)在微機(jī)械結(jié)構(gòu)是制造和研究方面有了極大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，在軍工、建筑、珠寶、家電、輕工等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

4.2 發(fā)展前景

迄今為止，光固化成型工藝已經(jīng)發(fā)展得很成熟，隨之，微光固化成型技術(shù)、光掩膜法成型技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生，其與其他領(lǐng)域的合作也極其緊密，微光固化成型技術(shù)在生物工程等領(lǐng)域有著廣泛的拓展與應(yīng)用。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光固化成型技術(shù)可與冷凍干燥技術(shù)結(jié)合，制造出具有多種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的肝組織工程支架，為肝臟工程支架材料微觀結(jié)構(gòu)的模擬提供有力參考。光固化成型工藝也為復(fù)雜的人體器官模型提供了一種新的方法，在未來(lái)器官移植等領(lǐng)域有著可期的前景。

5 結(jié)語(yǔ)

如今，光固化成型技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起到了不小的拉動(dòng)作用，但仍存在一定的局限性，今后需要著重提高設(shè)備精度及穩(wěn)定性，尋求新的環(huán)保原材料，降低生產(chǎn)成本，不斷開(kāi)發(fā)拓展新的合作應(yīng)用領(lǐng)域，使之得到更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，更好地服務(wù)社會(huì)，造福社會(huì)。此外，快速成型工藝制造的原型強(qiáng)度有待加強(qiáng)，這是日后急需改進(jìn)完善的方面，也是科學(xué)家的重點(diǎn)研究對(duì)象。

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作者簡(jiǎn)介：徐振烊，山東煙臺(tái)人，南昌大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：材料成型及控制工程。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）