基于光固化成形技術的模具制造

摘要： 光固化快速成形技術是在計算機上利用CAD軟件對零件進行幾何建模，再用分層離散軟件將模型分層，然后再將分層離散后的參數輸入到數控成形系統中，最后運用運動軌跡受控的激光束照射光敏材料的方法，將材料固化成形，形成實體零件的原型制造方法。光固化快速成形技術是目前制造技術中研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速原形制造方法，它具有產品的制造思想新穎、模型靈活多變、制造速度快捷的特點，成為現代制造行業的一項支柱產業。特別是對于一些形狀復雜的鑄件的模具生產提供了安全可靠的保障。文中對光固化快速成形技術的工作原理、特點及其在模具制造中的應用進行了論述。

關鍵詞 光固化成形技術? 工作原理? 模具制造? 應用

中圖分類號：TG24? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

一、問題的提出

面對激烈的市場競爭，制造技術的柔性化和新產品上市速度已成為目前眾多企業的競爭焦點。光固化快速成型（stereo lithography apparatus ， SLA ） 技術也稱光造型、立體光刻、及立體印刷，該技術是由美國的查爾斯·W· 赫爾于1982年提出，1984年獲得美國專利，1986年由美國3DSystemsgs公司生產出第一臺激光快速成形機SLA—250，是最早發展起來的快速原形制造技術。[1] 它集現代（CAD/ CAM）、激光技術和新型材料技術于一體，突破了傳統加工技術，能快速、低成本地加工出所設計的實物原型，極大地縮短了產品的生產周期，在模具制造、家電、生物工程、醫療等領域內具有廣泛的用途。

二、光固化快速成形技術的工作原理及工藝流程

光固化快速成形技術是最早出現的原形制造技術之一，是目前制造技術中研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速原形制造方法。[2]光固化快速成形技術是首先在計算機上利用CAD軟件對零件進行幾何建模，其次再用分層離散軟件將模型分層，然后再將分層離散后的參數輸入到數控成形系統中，最后運用運動軌跡受控的激光束照射光敏材料的方法，將材料固化成形，形成實體零件的原型制造方法。

（一）工作原理

光固化快速成形的工作原理是利用液態光敏樹脂的光聚合反應而成形的。[3]這種液態光敏樹脂在受到一定強度（ω= 30mW ）和波長（λ=325 nm或λ=355 nm ）的紫外光照射時，材料能夠迅速發生光聚合反應，從液態轉變成固態。因此，只要通過計算機控制紫外光的照射軌跡，就能夠使材料固化成所需要的形狀。

（二）工藝流程

光固化快速成形的工藝流程如圖所示： 首先是將液態光固化樹脂（如環氧樹脂、乙酸樹脂、或丙烯樹脂等）加入液池中至規定高度;然后由計算機控制的激光束在偏光鏡作用下聚焦成為光斑（液面高度始終控制在激光的焦平面上），光斑由計算機的控制下在液面上逐點掃描，凡是光點掃描到的部位，液體迅速固化，沒有掃描到的地方始終處于液態;掃描完一層成后，將工作臺的高度下降一層，這時液態的樹脂又布滿在已成形的層面上，用刮平器將黏度較大的樹脂刮去，然后再進行新一層的掃描，這樣新固化的一層樹脂就牢牢地粘在了前一層上，如此往復運行直到形成整個零件。然后將工作臺上升到容器上部，排除剩余的液態樹脂，取出工件，用溶劑清洗已經成形的工件，并將工件放入到固化裝置中，進行紫外線曝光固化處理，固化時間要根據樹脂的特性、零件的尺寸及幾何形狀而定，一般零件的固化時間在30分鐘以上，等工件完全固化后從工作臺上取下工件 ，拆去支撐結構，進行表面處理即完成了整個零件的制造。

三、光固化快速成形的特點，

（一）優點

1.自動化程度高，整個制造過程由計算機操控，完全可實行無人守候;

2.成形精度高，尺寸精度可以達到0 . 1 mm左右;

3.成型空間大，可制造600mm × 600mm× 600mm以內的零件;

4.成形的零件表面光滑，強度和硬度較高;

5.由CAD造型，能為復雜的工件建模，還可以加工內外結構復雜的薄壁類零件（最小厚厚可達到0 . 5 mm），這是傳統的制造技術無法完成的;

6.加工速度快，可以達到8m/s;

7.可以進行模具制造，特別是內部結構復雜的空心零件，能輕松地一次成型;

8.池內的材料利用率高，可以隨時補充，沒有浪費。

（二）不足

因為光固化快速成形技術是一項新技術，還處于不斷改進和發展中，所以存在以下不足：

1.設備價格昂貴，加工費用高，一般用戶很難承受。

2.光敏樹脂具有一定的毒性，需要進行防護措施。

3.在成形過程中是分層固化，固化層容易發生錯位，需要設計支撐結構以便于原形的固化，因此，前期軟件工作量比較大。

4.由于采用激光分層固化，材料會因發生相變而產生內應力，從而會導致制件的翹起和其他變形，

5.目前能使用的原材料種類較少，常用的是液態光敏樹脂，而光敏樹脂材料又不能反復加熱熔化，在消失鑄造時只能被燒失。

四、光固化快速成型技術的現狀與前景

（一）現狀

目前，最常用的光固化快速成型材料是一種型號為DSM Somos14120的新開發的、專門用于SLA成型機的低黏度液態光敏樹脂，成型零件的強度和韌性是由材料的性能決定的。[4]通過科研人員多年來的不懈努力，光敏樹脂的性能已經取得了很大的改善。這種材料只要避免陽光和日光燈的直接照射，常態下性能穩定，可以直接存放在成型機器的樹脂槽中，無需其它保存措施。光固化成形技術可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結構的消失模;可以用于各種模具（間接制模）的快速復制;制作的原型可以在一定程度上替代塑料件;可以制造有透明效果的制件;制件可以用于結構性的驗證和功能的測試。

Somos14120光敏樹脂與傳統的工程塑料（包括ABS與PBT ）的性能大多相似，能制作防水性能好、強度高、硬度大的零件，從而極大的拓展了光固化快速成型的應用范圍。據不完全統計，目前光固化快速成型技術已經被汽車、醫療、家電等行業廣泛采用，可見，光固化快速成型技術已經成為制造領域企業開發新產品的必要手段。

目前光固化成形技術和制造設備都比較成熟，國外主要有美國3DSystemsgs公司生產的激光快速成形機，德國、日本和以色列也有各自比較成熟的光固化成形技術和設備。國內以西安交通大學在光固化成形的研究為代表，已經開發一整套光固化成形快速成形機設備，成形速度、零件精度等都已接近國外先進水平。

（二）前景

光固化成型法的發展趨勢是高速、節能環保與微型化的，不斷提高的加工精度使之最先在生物、醫藥、微電子等領域大有作為。[5] 光固化快速成型技術除了在汽車、醫療、家電等領域有廣泛的應用之外，在其他制造領域也有非常重要的應用，如在模具制造和鑄造行業。下面就光固化快速成型技術在模具領域的應用作以介紹。

現代企業產品的特點是多型號、短周期，并且通過不斷地更新來適應生產的發展需求。雖然可以利用計算機的模擬技術完成各種強度、剛度及動力分析，但在新產品的研發中仍需要實物來驗證其外觀形象、可裝配性及可拆卸性。在研究結構形狀十分復雜的零件時，可先用光固化成型技術制作出零件的試樣進行實驗，以驗證設計思想的可行性，并且檢測零件的可裝配性和可靠性。另外，光固化快速成型技術也可以用于流體分析。流體分析技術可以用于復雜零件內的液體或氣體的流動狀態測試，即將透明的零件模型內裝入某種液體介質，并且在液體內加入少量微粒狀或小氣泡類的物質使其循環，從而觀察液體在管道內的流動狀況。該技術的關鍵是透明模型的制造，目前已被用于發動機冷卻系統及進排氣管的研究。以上實驗如果采用傳統的制造方法進行檢測，則制造成本非常高、花費時間也比較長，而且還不夠精確，而用CAD造型的光固化快速成型技術則只需要4～5周的時間，且花費也只是傳統方法的1/3，最重要的是能制作出性能要求完全達標的機體水箱和透明模型，并且模型的表面質量也比較高。

別外，在鑄造生產中，特別是對于一些形狀復雜的鑄件（例如飛機發動機的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機的缸體、缸蓋等）模具的制造難度更大。雖然一些大型企業的鑄造廠有專用的大型設備，但這些專用設備價格昂貴，模具加工的周期又很長，再加上沒有很好的計算機軟件支持，所以機床的編程也很困難。而快速成型技術的出現，為模具鑄造業的生產提供了安全可靠的保障。

[ 參考文獻]

[1] 楊強，李振發，魯中良，苗凱 基于光固化成形技術的空心葉片陶瓷鑄型復形精度控制《第16屆全國特種加工學術會議論文集（下）》 2015-10-31

[2] 談耀文，王永信 基于光固化成形的快速熔模鑄造組樹方法《熱加工工藝》 2015-03-06 16：09

[3] 魯中良; 周江平; 李滌塵; 楊東升; 董茵 基于光固化成形技術的復雜航空零件快速制造方法《航空制造技術》 2015-01-15

[4] 談耀文; 王永信 基于光固化快速成形的快速熔模鑄造設備 《機械工業標準化與質量》 2014-11-15

[5] 吳海華; 黃川; 劉富林; 李廳 復雜精密鑄件整體式陶瓷鑄型間接自由成形工藝 《鑄造技術》 2015-02-18

作者簡介：張麗霞，女，漢族，1965年7月25日生，大學本科學歷，中共黨員，副教授，從事高職機械設計制造專業的教學研究。