SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展與應用

1、 . 成績 快速成型技術(shù)課程論文題 目: SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展及應用 學生姓名： 柴偉鋒 學 號： 201215010522 專業(yè)班級： 機制Y1208 任課教師： 王 贊 2015 年 6 月 26 日目 錄1、 引言 22、 SLA快速原型技術(shù)的基本原理 23、 SLA快速原型技術(shù)的特點 53.1 SLA快速原型技術(shù)的優(yōu)點 53.2 SLA快速原型技術(shù)的缺點 54、SLA快速原型技術(shù)的應用 74.1 SLA在航空航天領(lǐng)域的應用 74.2 SLA在其他制造領(lǐng)域的應用 75、 SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展 96、結(jié)束語SLA快速原型技術(shù)的發(fā)展及應用1、引言SLA（Stereo lithogra

2、phy Apparatus），即立體光固化成型法，常被稱為立體光刻成型，有時被稱為。光固化快速成型工藝是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)。它是機械工程、計算機輔助設計及制造技術(shù)（CAD/CAM）、計算機數(shù)字控制（CNC）、精密伺服驅(qū)動、檢測技術(shù)、激光技術(shù)及新型材料科學技術(shù)的集成。它不同于傳統(tǒng)的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一層一層積累的方式構(gòu)造零件模型。由于該項技術(shù)不像傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造時間減少為幾天、幾小時，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。計算機技術(shù)的快速發(fā)展和三維CAD軟件應用的不斷推廣，使得光固化成型技術(shù)的廣泛應用成為可能。

3、光固化成型技術(shù)特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、不規(guī)則或復雜形狀零件制造（如具有復雜形面的飛行器模型和風洞模型）、大型零件的制造、模具設計與制造、產(chǎn)品設計的外觀評估和裝配檢驗、快速反求與復制，也適用于難加工材料的制造（如利用SLA技術(shù)制備碳化硅復合材料構(gòu)件等）。這項技術(shù)不僅在制造業(yè)具有廣泛的應用，而且在材料科學與工程、醫(yī)學、文化藝術(shù)等領(lǐng)域也有廣闊的應用前景。2、 SLA快速原型技術(shù)的基本原理光固化成型工藝的成型過程如圖1所示4。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)出的紫外激光束在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而固化，

4、形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進行下一層的掃描加工。新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。當實體原型完成后，首先將實體取出，并將多余的樹脂排凈。之后去掉支撐，進行清洗，然后再將實體原型放在紫外激光下整體后固化。因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短時間內(nèi)迅速流平，這將會影響實體的精度。采用刮板刮切后，所需數(shù)量的樹脂便會被十分均勻地凃敷在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后可以得到較好的精度，使產(chǎn)品表面更加光滑和平整；并且可以解

5、決殘留體積的問題。3、 SLA快速原型技術(shù)的特點3.1 SLA 的優(yōu)點1. 光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝,成熟度高,經(jīng)過時間的檢驗.2. 由CAD數(shù)字模型直接制成原型,加工速度快,產(chǎn)品生產(chǎn)周期短,無需切削工具與模具.3.可以加工結(jié)構(gòu)外形復雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具.4. 使CAD數(shù)字模型直觀化,降低錯誤修復的成本.5. 為實驗提供試樣,可以對計算機仿真計算的結(jié)果進行驗證與校核.6. 可聯(lián)機操作,可遠程控制,利于生產(chǎn)的自動化.3.2 SLA 的缺點1. SLA系統(tǒng)造價高昂,使用和維護成本過高.2. SLA系統(tǒng)是要對液體進行操作的精密設備,對工作環(huán)境要求苛刻.3. 成型件多為

6、樹脂類,強度,剛度,耐熱性有限,不利于長時間保存.4. 預處理軟件與驅(qū)動軟件運算量大,與加工效果關(guān)聯(lián)性太高.5. 軟件系統(tǒng)操作復雜,入門困難;使用的文件格式不為廣大設計人員熟悉.6. 立體光固化成型技術(shù)被單一公司所壟斷.4、光固化成型技術(shù)的應用在當前應用較多的幾種快速成型工藝方法中，光固化成型由于具有成型過程自動化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細的尺寸成型等特點，使之得到最為廣泛的應用。在概念設計的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應用于航空、汽車、電器、消費品以及醫(yī)療等行業(yè)。4.1 SLA在航空航天領(lǐng)域的應用在航空航天領(lǐng)

7、域，SLA模型可直接用于風洞試驗，進行可制造性、可裝配性檢驗。航空航天零件往往是在有限空間內(nèi)運行的復雜系統(tǒng)，在采用光固化成型技術(shù)以后，不但可以基于SLA原型進行裝配干涉檢查，還可以進行可制造性討論評估，確定最佳的合理制造工藝。通過快速熔模鑄造、快速翻砂鑄造等輔助技術(shù)進行特殊復雜零件（如渦輪、葉片、葉輪等）的單件、小批量生產(chǎn)，并進行發(fā)動機等部件的試制和試驗。航空領(lǐng)域中發(fā)動機上許多零件都是經(jīng)過精密鑄造來制造的，對于高精度的木模制作，傳統(tǒng)工藝成本極高且制作時間也很長。采用SLA工藝，可以直接由CAD數(shù)字模型制作熔模鑄造的母模，時間和成本可以得到顯著的降低。數(shù)小時之內(nèi)，就可以由CAD數(shù)字模型得到成本較

8、低、結(jié)構(gòu)又十分復雜的用于熔模鑄造的SLA快速原型母模。利用光固化成型技術(shù)可以制作出多種彈體外殼，裝上傳感器后便可直接進行風洞試驗。通過這樣的方法避免了制作復雜曲面模的成本和時間，從而可以更快地從多種設計方案中篩選出最優(yōu)的整流方案，在整個開發(fā)過程中大大縮短了驗證周期和開發(fā)成本。此外，利用光固化成型技術(shù)制作的導彈全尺寸模型，在模型表面表進行相應噴涂后，清晰展示了導彈外觀、結(jié)構(gòu)和戰(zhàn)斗原理，其展示和講解效果遠遠超出了單純的電腦圖紙模擬方式，可在未正式量產(chǎn)之前對其可制造性和可裝配性進行檢驗。4.2 SLA在其他制造領(lǐng)域的應用光固化快速成型技術(shù)除了在航空航天領(lǐng)域有較為重要的應用之外，在其他制造領(lǐng)域的應用也

9、非常重要且廣泛，如在汽車領(lǐng)域、模具制造、電器和鑄造領(lǐng)域等。下面就光固化快速成型技術(shù)在汽車領(lǐng)域和鑄造領(lǐng)域的應用作簡要的介紹?，F(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點就是產(chǎn)品的多型號、短周期。為了滿足不同的生產(chǎn)需求，就需要不斷地改型。雖然現(xiàn)代計算機模擬技術(shù)不斷完善，可以完成各種動力、強度、剛度分析，但研究開發(fā)中仍需要做成實物以驗證其外觀形象、工裝可安裝性和可拆卸性。對于形狀、結(jié)構(gòu)十分復雜的零件，可以用光固化成型技術(shù)制作零件原型，以驗證設計人員的設計思想，并利用零件原型做功能性和裝配性檢驗。光固化快速成型技術(shù)還可在發(fā)動機的試驗研究中用于流動分析。流動分析技術(shù)是用來在復雜零件內(nèi)確定液體或氣體的流動模式。將透明的模型安裝在一

10、簡單的試驗臺上，中間循環(huán)某種液體，在液體內(nèi)加一些細小粒子或細氣泡，以顯示液體在流道內(nèi)的流動情況。該技術(shù)已成功地用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)（氣缸蓋、機體水箱）、進排氣管等的研究。問題的關(guān)鍵是透明模型的制造，用傳統(tǒng)方法時間長、花費大且不精確，而用SLA技術(shù)結(jié)合CAD造型僅僅需要45周的時間，且花費只為之前的1/3，制作出的透明模型能完全符合機體水箱和氣缸蓋的CAD數(shù)據(jù)要求，模型的表面質(zhì)量也能滿足要求。光固化成型技術(shù)在汽車行業(yè)除了上述用途外，還可以與逆向工程技術(shù)、快速模具制造技術(shù)相結(jié)合，用于汽車車身設計、前后保險桿總成試制、內(nèi)飾門板等結(jié)構(gòu)樣件/功能樣件試制、賽車零件制作等。在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、

11、壓鑄模等的制造往往是采用機加工方法，有時還需要鉗工進行修整，費時耗資，而且精度不高。特別是對于一些形狀復雜的鑄件（例如飛機發(fā)動機的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機的缸體、缸蓋等），模具的制造更是一個巨大的難題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也備有一些數(shù)控機床、仿型銑等高級設備，但除了設備價格昂貴外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系統(tǒng)支持，機床的編程也很困難?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，為鑄造的鑄模生產(chǎn)提供了速度更快、精度更高、結(jié)構(gòu)更復雜的保障。5、光固化成型技術(shù)的研究進展光固化快速成型制造技術(shù)自問世以來在快速制造領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，已成為工程界關(guān)注的焦點。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本

12、，一直是該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。目前，很多研究者通過對成型參數(shù)、成型方式、材料固化等方面分析各種影響成型精度的因素，提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法，如掃描線重疊區(qū)域固化工藝、改進的二次曝光法、研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片法、在制件加工之前對工藝參數(shù)進行優(yōu)化等，這些工藝方法都可以減小零件的變形、降低殘余應力，提高原型的制作精度。此外，SLA所用的材料為液態(tài)光敏樹脂，其性能的好壞直接影響到成型零件的強度、韌性等重要指標，進而影響到SLA技術(shù)的應用前景。所以近年來在提高成型材料的性能降低成本方面也做了很多的研究，提出了很多有效的工藝方法，如將改性后的納米SiO2分散到自由基-陽離子混雜型

13、的光敏樹脂中，可以使光敏樹脂的臨界曝光量增大而投射深度變小，其成型件的耐熱性、硬度和彎曲強度有明顯的提高；又如在樹脂基中加入SiC晶須，可以提高其韌性和可靠性；開發(fā)新型的可見光固化樹脂，這種新型樹脂使用可見光便可固化且固化速度快，對人體危害小，提高生產(chǎn)效率的同時大幅度地降低了成本。光固化快速成型技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)比較成熟，各種新的成型工藝不斷涌現(xiàn)。下面從微光固化快速成型制造技術(shù)和生物醫(yī)學兩方面展望SLA技術(shù)。5.1微光固化快速成型制造技術(shù)目前，傳統(tǒng)的SLA設備成型精度為0.1mm，能夠較好地滿足一般的工程需求。但是在微電子和生物工程等領(lǐng)域，一般要求制件具有微米級或亞微米級的細微結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的S

14、LA工藝技術(shù)已無法滿足這一領(lǐng)域的需求。尤其在近年來，MEMS（MicroElectro-Mechanical Systems）和微電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得微機械結(jié)構(gòu)的制造成為具有極大研究價值和經(jīng)濟價值的熱點。微光固化快速成型-SL（Micro Stereolithography）便是在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)方法基礎(chǔ)上，面向微機械結(jié)構(gòu)制造需求而提出的一種新型的快速成型技術(shù)。該技術(shù)早在20世紀80年代就已經(jīng)被提出，經(jīng)過將近20多年的努力研究，已經(jīng)得到了一定的應用。目前提出并實現(xiàn)的-SL技術(shù)主要包括基于單光子吸收效應的-SL技術(shù)和基于雙光子吸收效應的-SL技術(shù)，可將傳統(tǒng)的SLA技術(shù)成型精度提高到亞微米級，

15、開拓了快速成型技術(shù)在微機械制造方面的應用。但是，絕大多數(shù)的-SL制造技術(shù)成本相當高，因此多數(shù)還處于試驗室階段，離實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。因而今后該領(lǐng)域的研究方向為：開發(fā)低成本生產(chǎn)技術(shù)，降低設備的成本；開發(fā)新型的樹脂材料；進一步提高光成型技術(shù)的精度；建立-SL數(shù)學模型和物理模型，為解決工程中的實際問題提供理論依據(jù)；實現(xiàn)-SL與其他領(lǐng)域的結(jié)合，例如生物工程領(lǐng)域8等。5.2生物醫(yī)學領(lǐng)域光固化快速成型技術(shù)為不能制作或難以用傳統(tǒng)方法制作的人體器官模型提供了一種新的方法，基于CT圖像的光固化成型技術(shù)是應用于假體制作、復雜外科手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜面修復的有效方法。目前在生命科學研究的前沿領(lǐng)域出現(xiàn)的

16、一門新的交叉學科組織工程是光固化成型技術(shù)非常有前景的一個應用領(lǐng)域?；赟LA技術(shù)可以制作具有生物活性的人工骨支架，該支架具有很好的機械性能和與細胞的生物相容性，且有利于成骨細胞的黏附和生長。如圖5所示為用SLA技術(shù)制作的組織工程支架，在該支架中植入老鼠的預成骨細胞，細胞的植入和黏附效果都很好9。此外，將光固化快速成型技術(shù)和冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合，能夠制造出包含多種復雜微結(jié)構(gòu)的肝組織工程支架，該支架系統(tǒng)可保證多種肝臟細胞的有序分布，可為組織工程肝臟支架材料微觀結(jié)構(gòu)的模擬提供參考。6、結(jié)束語光固化快速成型技術(shù)發(fā)展至今已有了長足的進步，正繼續(xù)向著工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，它與其他先進設計和制造技術(shù)的結(jié)合越來越來緊密。在光固化快速成型技術(shù)未來的發(fā)展中，應對以下3個方面的發(fā)展趨勢加以注意：第一，進一步研制經(jīng)濟的、高效的和精密的光固化成型工藝和設備，努力提高成型精度和成型尺寸的穩(wěn)定性，降低設備運行成本；第二，繼續(xù)研究成型材料的機理和性能，進一步開發(fā)高性能、低成本的光固化成型特種材料；第三，不斷拓展新的應用領(lǐng)域。參考文獻1楊黨國，張征宇，周志華，等.光固化快速成型的輕質(zhì)AGARD-B模型氣動特性試驗研究.實驗流體力學，2009,23(2):73-77.2張宇紅，曾俊華，洪軍.大型零件光固化快速成型工藝研究.計算機集成制造系統(tǒng)，2007,1