陳建剛， 張昌明， 趙知辛， 韓萬(wàn)龍

(1.陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003； 2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710018)

0 引 言

快速成型制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer-Aided Design，CAD)的圖形數(shù)據(jù)制造出具有任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品模型，無(wú)需任何模具、刀具和工裝，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的“無(wú)模制造”，大幅度縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低成型件的加工成本、提高成型件的加工質(zhì)量。目前快速成型技術(shù)的工藝方法已有十余種，其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、疊層實(shí)體制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)、激光選區(qū)燒結(jié)法(Selective Laser Sintering，SLS)和熔融沉積法(Fused Deposition Manufacturing，F(xiàn)DM)得到世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代末到80年代初，Charles W.Hll在美國(guó)的UVP公司支持下，研發(fā)了光固化成型的完整系統(tǒng)SLA-1，這是快速成型(Rapid Prototyping，RP)發(fā)展的一個(gè)歷程碑。光固化成型法也是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，為新型產(chǎn)品的造型分析提供必要的研究依據(jù)。光固化成型機(jī)也存在一些亟待完善的問(wèn)題，如液槽的光敏樹脂更換成本高、刮板拉傷已固化的成型表面、液槽中靜止的光敏樹脂粘度增大、光敏樹脂連續(xù)微量補(bǔ)償?shù)目煽啃缘取１疚膶?duì)成型機(jī)光敏樹脂的微量補(bǔ)償問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了一種改造后的光敏樹脂的連續(xù)循環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐，較好地提高了光固化成型機(jī)的加工效率，減少光敏樹脂的損耗，降低成型件的加工成本，提高了光敏樹脂微量補(bǔ)償?shù)目煽啃浴?/p>

1 光固化的成型過(guò)程

圖1 光固化成型過(guò)程流程圖

1—工作液槽；2—托板；3—工件；4,5—振鏡；6—激光束；7—激光發(fā)生器圖2 光固化成型過(guò)程示意圖

液態(tài)光固化成型機(jī)成型的全過(guò)程一般分為前處理、分層疊加成型和后處理三個(gè)主要的步驟。圖1為光固化成型過(guò)程流程圖。首先對(duì)需要加工的成型件進(jìn)行CAD建模，再進(jìn)行分層處理，導(dǎo)入Magics9.55進(jìn)行成型件的加工。

具體成型過(guò)程就是采用液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計(jì)算機(jī)的控制程序控制下，激光發(fā)生器產(chǎn)生特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的紫外激光束，逐層對(duì)液態(tài)樹脂表面進(jìn)行掃描，使其掃描點(diǎn)產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，經(jīng)過(guò)點(diǎn)到線、線到面的成型過(guò)程，形成零件的一個(gè)厚度為0.1 mm的層面，當(dāng)一層固化完后，工作臺(tái)向下移動(dòng)，在原先固化好的樹脂表面進(jìn)行樹脂的涂層處理，進(jìn)行下一層樹脂的掃描固化。新固化的一層牢固粘在前一層上，如此往復(fù)直到完成整個(gè)零件的加工。

圖2為光固化成型過(guò)程示意圖。當(dāng)零件加工完成后，工作托盤將已加工完整的成型工件升出液體樹脂表面，再對(duì)成型件進(jìn)行后續(xù)處理工藝，如采用乙醇進(jìn)行清洗、去除支撐、二次固化等工藝，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件的成型過(guò)程。

光固化的成型工藝的特點(diǎn)：原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制出形狀特別復(fù)雜的空心零件，具有很強(qiáng)的柔性化模型生產(chǎn)功能，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點(diǎn)是需要支撐，樹脂收縮會(huì)導(dǎo)致精度下降，因此，在零件成型加工過(guò)程中，需要不定量的連續(xù)補(bǔ)償工作液槽中光敏樹脂的體積收縮量。

2 光敏樹脂及特性

2.1 光敏樹脂

光敏樹脂(Ultra Violet，UV)由聚合物單體和預(yù)聚體組成，其中加有光(紫外光)引發(fā)劑(或稱為光敏劑)，在一定波長(zhǎng)(250～300 nm)的紫外光照射下會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，完成固化。在國(guó)外，液態(tài)光固化成型機(jī)常用的光敏樹脂有3類，即自由基型光敏樹脂、陽(yáng)離子型引發(fā)聚合的光敏樹脂及紫外激光固化快速成型光敏樹脂，其中自由基型光敏樹脂常見的主要有3種：①環(huán)氧樹脂丙烯酸酯，具有聚合快、聚合強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但脆性大，易泛黃；②聚酯丙烯酸酯，具有流平和固化性能好的特點(diǎn)；③聚氨酯丙烯酸酯，具有柔順性和耐磨性好的特點(diǎn)，但聚合速度慢。陽(yáng)離子型引發(fā)聚合的光敏樹脂與自由基光敏樹脂比較優(yōu)點(diǎn)如下：①固化收縮率低，約2%～3%，而丙烯酸類的自由基樹脂的收縮率約為5%～7%；②粘度低，加工好的成型件易于排凈多余的液態(tài)樹脂；③成型件精度高、強(qiáng)度大，可直接用于注塑模具。

我國(guó)的紫外激光固化快速成型光敏樹脂基本上依賴進(jìn)口美國(guó)Huntsman公司和DSM SOMOS公司，其價(jià)格昂貴，每千克高達(dá)1 200元人民幣。為了研發(fā)紫外激光固化快速成型光敏樹脂，通過(guò)對(duì)美國(guó)DSM SOMOS公司的SOMOS11120樹脂的研究，西安交通大學(xué)研發(fā)出低粘度的國(guó)產(chǎn)光敏樹脂SPR和CPR系列，該系列中應(yīng)用較為廣泛的有SPR4000、SPR4000B及SPR6000。

2.2 紫外激光固化成型光敏樹脂

根據(jù)紫外激光固化快速成型原理，該類成型機(jī)設(shè)備所用光敏樹脂應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①粘度低，低粘度樹脂有利于成型中樹脂能較快流平；②固化收縮小，光固化樹脂在由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力收縮，這種收縮會(huì)引起成型件的變形、翹曲、開裂等缺陷，使成型件的精度降低；③溶脹小，成型件在液態(tài)的樹脂中的溶脹會(huì)造成零件尺寸偏大；④對(duì)光的敏感度高，即所吸收波長(zhǎng)的范圍要窄，以提高成型件的精度；⑤樹脂粘接性強(qiáng)，以保證后固化過(guò)程中不產(chǎn)生層間剝離；⑥成型過(guò)程中固化速率高，以提高生產(chǎn)效率；⑦液態(tài)光敏樹脂要有良好的貯存穩(wěn)定性，一般貯存有效期至少應(yīng)1年；⑧毒性小，以利于操作者的健康和降低環(huán)境污染；⑨成本低的成型件，以利于實(shí)現(xiàn)商品化。紫外激光固化快速成型所需光敏樹脂，需要同時(shí)具有以上這些特點(diǎn)，致使其光敏樹脂研究和開發(fā)具有一定的難度。

3 光敏樹脂補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液態(tài)光固化快速成型機(jī)工作過(guò)程中，需設(shè)計(jì)一個(gè)光敏樹脂動(dòng)態(tài)循環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)，來(lái)解決工作液槽的光敏樹脂的體積超過(guò)規(guī)定的高度或低于規(guī)定高度對(duì)成型件加工質(zhì)量的負(fù)面影響。

1—激光器；2—激光束；3—光敏樹脂液面；4—工作液槽；5—凸起液面；6—白板；7—CCD攝像機(jī)圖3 SLA光敏樹脂液面 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

1—刮刀；2—直線導(dǎo)軌；3—工作液槽；4—暫存液槽；5—直流電機(jī)；6—齒形帶；7—飛輪；8—彈性微液流三角形；9—溢流壁面圖4 SLA快速成型機(jī)光敏 樹脂補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

3.1 SLA光敏樹脂液面檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)原理是將一條線光源照在工作液槽液面上，經(jīng)工作液槽光敏樹脂液面反射后，對(duì)其成像進(jìn)行處理來(lái)檢測(cè)液面的平整度，如圖3所示為檢測(cè)原理示意圖，主要用于光敏樹脂液面高低點(diǎn)液位的測(cè)量，x的大小反映出光敏樹脂液面高低點(diǎn)的液位差y的大小，并且滿足y=x/2，所以只要知道x，也就知道y的大小，即液位差，從而給控制系統(tǒng)一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光固化快速成型機(jī)的工作液槽光敏樹脂的自動(dòng)補(bǔ)償。

3.2 SLA光敏樹脂循環(huán)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

根據(jù)光敏樹脂的特性，結(jié)合光固化成型機(jī)的工作全過(guò)程，為改造光敏樹脂的微量循環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)，借鑒“木桶原理”的思路進(jìn)行工作液槽的設(shè)計(jì)，盛水木桶是由多塊木板箍成的，盛水量也是由這些木板共同決定的。若其中一塊木板很短，則此木桶的盛水量就被短板所限制。這塊短板就成了這個(gè)木桶盛水量的“限制因素”(或稱“短板效應(yīng)”)。按照此原理可以很好地解決光敏樹脂補(bǔ)充過(guò)量的問(wèn)題，即將樹脂槽的一個(gè)側(cè)面高度相對(duì)其余三個(gè)側(cè)面的高度降低一定的尺寸，當(dāng)樹脂液槽的補(bǔ)償過(guò)量時(shí)就會(huì)通過(guò)此側(cè)面溢出，從而保持整個(gè)樹脂槽液面的恒定，同時(shí)要將該溢流側(cè)面設(shè)計(jì)成斜面，以延緩光敏樹脂的溢流速度，減小工作液槽的液面波動(dòng)。圖4所示為SLA快速成型機(jī)光敏樹脂的循環(huán)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。一個(gè)裝有光敏樹脂的立方體工作液槽，工作液槽的端面上安裝有直線導(dǎo)軌和液面刮板，一個(gè)帶圓形矩陣排列孔的升降方形薄板托盤位于工作液槽中，支撐被加工的成型件，矩形暫存液槽與工作液槽共用一個(gè)帶有斜邊的溢流壁面，飛輪的驅(qū)動(dòng)裝置安裝在矩形暫存液槽的外壁面。

該液態(tài)光固化成型機(jī)光敏樹脂補(bǔ)償系統(tǒng)工作過(guò)程：當(dāng)工作液槽的光敏樹脂的液面高于限位高度時(shí)，工作液槽的光敏樹脂就會(huì)逐漸漫過(guò)帶有斜邊的溢流壁面進(jìn)入暫存液槽中，相反，當(dāng)工作液槽的光敏樹脂的實(shí)際高度低于預(yù)定的高度時(shí)，通過(guò)液位檢測(cè)系統(tǒng)的輸出電壓經(jīng)數(shù)據(jù)采集后輸入計(jì)算機(jī)，控制程序利用控制算法和輸出電壓的變化量就能間接地算出液面的變化量，然后把信息傳給控制系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒形帶給飛輪以一定的轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪外圓周面和彈性的微液流三角形可將暫存液槽的光敏樹脂轉(zhuǎn)移到工作液槽中，如此反復(fù)循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)光敏樹脂的循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)在飛輪的前端安裝一個(gè)帶有豎直金屬擋板的彈性的微液流三角形，作用在于對(duì)液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行導(dǎo)流，通過(guò)豎直金屬檔板可以延緩光敏樹脂的流速，以減小工作液槽中光敏樹脂液面的波動(dòng)對(duì)成型工件加工精度的影響。

本液態(tài)光固化快速成型補(bǔ)償系統(tǒng)能夠保持光敏樹脂的微量循環(huán)流動(dòng)，減小紫外光對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)光敏樹脂的散射作用，避免聚合反應(yīng)造成光敏樹脂粘度變化。

4 總 結(jié)

通過(guò)光固化成型機(jī)的光敏樹脂補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究發(fā)現(xiàn)：

(1)光固化成型機(jī)工作液槽中的光敏樹脂需要連續(xù)的、不定量的微量補(bǔ)償；

(2)光敏樹脂需要不斷微動(dòng)和交替循環(huán)的過(guò)程，減小紫外光對(duì)靜態(tài)光敏樹脂的散射，有效避免液態(tài)光敏樹脂粘度的變化，提高光敏樹脂的利用率；

(3)光固化成型機(jī)的補(bǔ)償系統(tǒng)中的直流電機(jī)通過(guò)齒形帶與飛輪連接后，整個(gè)工作液槽的微震動(dòng)減小，從而改善成型件的加工精度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] KRUTH J P.Material incress manufacturing by rapid prototyping techniques[J].Annals of CIRP,1991,40(2):603-614.

[2] RENAP K,KRUTH J P.Reooating issues in stereolithogrphy[J].rapid prototyping Journal,1995,3(1):4-16.

[3] JOON Park,MICCHAEL J Tari,THOMAS Hahn H.Characterization of the laminated object manufacturing(LOM) process[J].Rapid Prototyping Journal,2000,6(1):36-49.

[4] 趙萬(wàn)華.激光固化快速成型的精度研究[D].西安:西安交通大學(xué),1998.

[5] 武殿梁,丁玉成,洪軍.光固化快速成型過(guò)程中零件變形的數(shù)值模擬[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001,35(3):307-311.

[6] 葉世棟,李耀棠.激光固化快速成型的樹脂液面控制與涂覆[J].機(jī)電控制技術(shù),2001,40(5):93-94.

[7] 吳懋亮,趙萬(wàn)華,李滌塵,等.光固化快速成型樹脂涂層厚度的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002,36(1):47-50.

[8] STEVE Upcraft,RICHARD Flecher.The rapid prototyping technologies[J].Assembly Automation,2003,23(4):318-330.

[9] KRUTH J P,WANG X,LAOUI T,et al.Lasers and materials in selective laser sintering[J].Assembly Automation,2003,23(4):357-371.

[10] 趙毅.激光快速成型中光敏樹脂特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].高分子材料科學(xué)與工程,2004,20(1):36-39.

[11] 洪軍,唐一平,盧秉恒,等.光固化快速成型中零件非水平下表面的支撐設(shè)計(jì)規(guī)則研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(8):155-159.

[12] 楊媛麗,王永禎,王愛玲.光固化快速成型中光敏樹脂固化機(jī)理研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2006,21(6):8-10.

[13] 路平,王廣春,趙國(guó)群.光固化快速成型精度的研究及進(jìn)展[J].機(jī)床與液壓,2006(5):206-210.

[14] 黃筆武.SOMOS11120型光敏樹脂粘度測(cè)試、紅外光譜表征及光敏性研究[C]//第九屆中國(guó)輻射固化年會(huì)論文集,2008.

[15] 李滌塵,吳婧,樂(lè)光,等.一種壓制式光固化快速成型再涂層裝置:中國(guó),201110151607.6[P].2011-12-21.

[16] CHOI Jae-won,FRANCISCO Medina,CHIYEN Kim,et al.Development of new metal polymer materials for rapid tooling using Fused deposition modelling[J].Journal of Materials Processing Technology,2011(7):424-432.

[17] DANIEL Rayneau-kirkhope,MAO Yong,Farr Robert,et al.Remote rapid prototyping manufacturing network using optimization recurrent hidden Markov models[J].Journal of vibration and control,2012,18(14):2122-2128.

[18] YUEN Po Ki,VASILIY N Goral.Low-cost Rapid Prototyping of Whole Glass Microfluidic Devices[J].Science and Technology,2012(10):1288-1292.