3D打印技術(shù)教程

3D打印技術(shù)教程目錄\h第1章什么是3D打印\h1.13D打印技術(shù)概述\h1.23D打印技術(shù)原理\h1.33D打印技術(shù)分類\h1.43D打印技術(shù)現(xiàn)狀\h1.4.1國外現(xiàn)狀\h1.4.2國內(nèi)現(xiàn)狀\h1.4.3局限性\h第2章選擇性激光燒結(jié)成型工藝及案例\h2.1技術(shù)概述\h2.2選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理\h2.3選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備\h2.3.1選擇性激光燒結(jié)快速成型材料\h2.3.2選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備\h2.4選擇性激光燒結(jié)的工藝過程\h2.4.1高分子粉末材料燒結(jié)工藝\h2.4.2金屬零件間接燒結(jié)工藝\h2.4.3金屬零件直接燒結(jié)工藝\h2.5選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)\h2.5.1激光功率\h2.5.2激光燒結(jié)間距和光斑直徑的確定\h2.5.3掃描速度\h2.5.4單層厚度\h2.6選擇性激光燒結(jié)的特點(diǎn)及應(yīng)用\h2.6.1SLS技術(shù)的特點(diǎn)（表2-7）\h2.6.2SLS技術(shù)的應(yīng)用\h2.7案例：球的制作\h第3章光固化快速成型工藝及案例\h3.1技術(shù)概述\h3.2光固化快速成型工藝的基本原理\h3.3光固化快速成型材料及設(shè)備\h3.3.1光固化快速成型材料\h3.3.2光固化快速成型設(shè)備\h3.4光固化快速成型的工藝過程\h3.4.1前處理\h3.4.2原型制作\h3.4.3后處理\h3.5光固化快速成型的精度及效率\h3.5.1光固化快速成型中樹脂的收縮變形\h3.5.2光固化快速成型的精度\h3.5.3光固化快速成型的制作效率\h3.6微光固化快速成型制造技術(shù)\h3.7案例：小塔的制作\h第4章疊層實(shí)體快速成型工藝及案例\h4.1技術(shù)概述\h4.2疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn)\h4.2.1疊層實(shí)體快速成型工藝的基本原理\h4.2.2疊層實(shí)體快速成型技術(shù)的特點(diǎn)\h4.3疊層實(shí)體快速成型的材料與設(shè)備\h4.3.1疊層實(shí)體快速成型材料\h4.3.2疊層實(shí)體快速成型設(shè)備\h4.4疊層實(shí)體快速成型的工藝過程\h4.5提高疊層實(shí)體快速成型制作質(zhì)量的措施\h4.5.1疊層實(shí)體原型制作誤差分析\h4.5.2提高疊層實(shí)體原型制作精度的措施\h4.5.3原型的吸濕性及涂漆防濕效果試驗(yàn)\h4.6疊層實(shí)體制造工藝后置處理中的表面涂覆\h4.6.1表面涂覆的必要性\h4.6.2表面涂覆的工藝過程\h4.7新型疊層實(shí)體快速成型工藝方法\h4.7.1OffsetFabrication疊層實(shí)體快速成型工藝方法\h4.7.2InhaengCho新型疊層實(shí)體快速成型法\h4.8案例：蒸蛋機(jī)制作\h4.8.1前處理\h4.8.2分疊層加過程\h第5章熔融沉積快速成型工藝及案例\h5.1技術(shù)概述\h5.2熔融沉積快速成型工藝的基本原理和特點(diǎn)\h5.2.1熔融沉積快速成型工藝的基本原理\h5.2.2熔融沉積快速成型的特點(diǎn)\h5.2.3FDM工藝與其他快速成型工藝方法的比較\h5.3熔融沉積快速成型材料及設(shè)備\h5.3.1熔融沉積快速成型材料\h5.3.2熔融沉積快速成型制造設(shè)備\h5.4熔融沉積快速成型工藝過程\h5.5熔融沉積快速成型工藝因素分析\h5.5.1材料性能的影響\h5.5.2噴頭溫度和成型室溫度的影響\h5.5.3填充速度與擠出速度的交互影響\h5.5.4分層厚度的影響\h5.5.5成型時(shí)間的影響\h5.5.6掃描方式的影響\h5.6氣壓式熔融沉積快速成型系統(tǒng)\h5.6.1工作原理\h5.6.2特點(diǎn)\h5.6.3與傳統(tǒng)FDM的區(qū)別\h5.7熔融沉積快速原型實(shí)例\h5.8案例：扳手制作\h第6章三維打印快速成型工藝及案例\h6.1技術(shù)概述\h6.2三維噴涂黏結(jié)快速成型工藝\h6.2.1三維噴涂黏結(jié)快速成型工藝的基本原理\h6.2.2三維噴涂黏結(jié)快速成型工藝的特點(diǎn)\h6.2.3三維噴涂黏結(jié)快速成型工藝過程\h6.2.43DP制品\h6.2.5三維噴涂黏結(jié)快速成型技術(shù)\h6.3噴墨式三維打印快速成型工藝\h6.4三維打印快速成型設(shè)備及材料\h6.4.1ZCorp公司開發(fā)的設(shè)備及材料\h6.4.2Object公司開發(fā)的設(shè)備及材料\h6.4.33DSystems公司開發(fā)的設(shè)備及材料\h6.5案例：花瓶的制作第1章什么是3D打印1.13D打印技術(shù)概述3D打印，是該項(xiàng)技術(shù)近年來針對(duì)民用市場(chǎng)的一種通俗稱謂，實(shí)質(zhì)上是一種快速成型技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)也稱快速原型制造（RapidPrototypingManufacturing，RPM）技術(shù)、增量制造技術(shù)或者增材制造技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期，是一種基于材料堆積法的高新制造技術(shù)，它不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床等就可以打造出任意形狀的產(chǎn)品。這種根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果?？焖俪尚图夹g(shù)集多種技術(shù)于一身（如圖1-1所示）。圖1-1快速成型技術(shù)集成快速成型技術(shù)可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效、低成本的實(shí)現(xiàn)手段。因所使用的成型材料、成型原理和系統(tǒng)特點(diǎn)不同，構(gòu)成了不同種類的快速成型系統(tǒng)。但這些快速成型系統(tǒng)的基本原理都是：分層制造，逐層疊加?？焖俪尚拖到y(tǒng)就像一臺(tái)“立體打印機(jī)”，因此得名“3D打印機(jī)”。1.23D打印技術(shù)原理3D打印機(jī)根據(jù)零件的形狀，每次制作一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層黏結(jié)起來，最終得到所需的零件。整個(gè)制造過程可以比喻為一個(gè)“疊加”的過程。當(dāng)然，這個(gè)過程是在電腦的控制下，由3D打印機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成的。不同的3D打印機(jī)廠商，其3D打印機(jī)系統(tǒng)有所不同。1.33D打印技術(shù)分類根據(jù)不同的成型原理，3D打印技術(shù)可以分為很多種類，如表1-1所示。表1-13D打印技術(shù)分類成型原理技術(shù)名稱高分子聚合反應(yīng)激光立體印刷術(shù)（Stereolithography，SLA）高分子打印技術(shù)（PolymerPrinting）高分子噴射技術(shù)（PolymerJetting）數(shù)字化光照加工技術(shù)（DigitalLightingProcessing，DLP）燒結(jié)和熔化選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SelectiveLaserSintering，SLS）選擇性激光熔化技術(shù)（SelectiveLaserMelting，SLM）電子束熔化技術(shù)（ElectronBeamMelting，EBM）熔融沉積熔融沉積造型技術(shù)（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）層壓制造層壓制造技術(shù)（LayerLaminateManufacturing，LLM）疊層實(shí)體制造疊層實(shí)體制造技術(shù)（LaminatedObjectManufacturing，LOM）每種制造技術(shù)的具體原理都不一樣，但主要都是想辦法根據(jù)電腦數(shù)據(jù)制造出一層物體，然后逐層疊加，直至制造出整個(gè)立體的物品。常見的幾種快速成型技術(shù)在零件精度、表面質(zhì)量和生存率等方面存在一些差異（如表1-2所示）。表1-2常見快速成型技術(shù)的比較工藝SLALOMSLSFDM零件精度較高中等中等較低表面質(zhì)量優(yōu)良較差中等較差復(fù)雜程度復(fù)雜簡單復(fù)雜中等零件大小中小中大中小中小材料價(jià)格較貴較便宜中等較貴材料種類光敏樹脂紙、塑料、金屬薄膜石蠟、塑料、金屬、陶瓷粉末石蠟、塑料絲材料利用率～100%較差～100%～100%生存率高高中等較低1.43D打印技術(shù)現(xiàn)狀1.4.1國外現(xiàn)狀從歷史上看，早在20世紀(jì)初期就出現(xiàn)了“材料疊加”這一制造概念，國外很多研究學(xué)者也基于這一設(shè)想取得了一系列的研究成果，如表1-3所示。表1-3國外學(xué)者研究成果年份學(xué)者研究成果1902CarloBaese提出用光敏聚合物來制造塑料件的方法，即“立體光固化造型”（SLA）的初步設(shè)想1940Perera在一些硬紙板上切割地形圖輪廓線，然后將對(duì)應(yīng)的紙板黏結(jié)在一起來形成三維地形圖1976PaulLDimatteo提出利用輪廓跟蹤器，將三維物體轉(zhuǎn)換成許多的二維輪廓薄片，然后利用激光切割這些薄片，再利用螺釘、銷釘?shù)葘⒁幌盗械谋∑B接成三維物體的方法，即“分層實(shí)體制造”（LOM）的初步設(shè)想1982J.E.Blanther將地形圖的各輪廓線通過壓印在蠟片上，然后按照輪廓線切割各蠟片，將切割后的各蠟片黏結(jié)，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的三維地形圖的方法，即分層制造這些研究成果中雖然提出了類似于快速成型的各種基本原理，但一方面技術(shù)理論不成熟，另一方面沒有各種商品級(jí)的快速成型機(jī)械設(shè)備，因此離實(shí)際生產(chǎn)還有一定的距離。自20世紀(jì)80年代以來，快速成型技術(shù)的商品化進(jìn)程得到了質(zhì)的飛躍，取得了很多成果（如表1-4所示）。表1-4國外快速成型技術(shù)商品化成果年份技術(shù)來源商品化實(shí)物1988CharlesWHull激光束照射液態(tài)光敏樹脂3DSystem公司:

第一臺(tái)立體光固化造型快速成型機(jī)———SLA-2501990MichaelFeygin分層實(shí)體制造方法Helisys公司:

第一臺(tái)商用LOM設(shè)備———LOM-101501992C.Deckard選擇性激光燒結(jié)方法DTM公司:

第一臺(tái)商用SLS設(shè)備———Sinterstation1992ScottCrump熔融沉積制造方法第一臺(tái)商用FDM設(shè)備———3D-Modeler80年代中期到90年代后期，先后出現(xiàn)了十幾種不同類型的快速成型技術(shù)，但SLA、SLS、LOM和FDM這四種技術(shù)仍然是快速成型技術(shù)的主流。此外，國外眾多學(xué)者還在技術(shù)、材料以及理論層面對(duì)快速成型技術(shù)進(jìn)行了研究，創(chuàng)立了專業(yè)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議，如每月新聞通訊RapidPrototypingReports、快速成型季刊RapidPrototyping、快速成型期刊RapidPrototyPingJournal以及快速成型國際會(huì)議。這些學(xué)術(shù)期刊及國際學(xué)術(shù)會(huì)議涵蓋了制造方法及工藝介紹、新材料的開發(fā)、設(shè)備精度的控制以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等快速成型領(lǐng)域的各個(gè)方面。1.4.2國內(nèi)現(xiàn)狀我國快速成型技術(shù)的研究始于1991年，研究工作主要在高校展開，在理論研究、實(shí)際應(yīng)用及商品化等方面取得了一定進(jìn)展（如表1-5所示）。這些成果包括快速成型理論研究、各種處理軟件、不同工藝及型號(hào)的成型設(shè)備、新的控制技術(shù)、適應(yīng)于不同工藝的成型材料以及成型精度控制等各個(gè)方面。表1-5國內(nèi)快速成型技術(shù)研究成果機(jī)構(gòu)研究成果清華大學(xué)M-RPMS-II系統(tǒng)基于FDM工藝原理的快速成型系統(tǒng)基于LOM工藝原理的快速成型系統(tǒng)西安交通大學(xué)基于立體印刷法的LPS系統(tǒng)和CPS系統(tǒng)華中科技大學(xué)快速制造中心薄材疊層快速成型系統(tǒng)樣機(jī)———HRP-I武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司激光快速成型系統(tǒng)———HRP-III

HRP系列快速成型系統(tǒng)

基于粉末燒結(jié)方法的HRPS-I、HRPS-IIIA型商品化快速成型機(jī)南京航空航天大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司基于選擇性激光燒結(jié)方法的RAP系統(tǒng)和AFS系統(tǒng)1.4.3局限性即使發(fā)展至今，3D打印技術(shù)也還存在一定的局限性。一、材料問題目前已經(jīng)研究出可以使用在3D打印機(jī)上的材料約有幾十種，但仍存在以下問題：（1）材料成本高昂。從價(jià)格上看，便宜的幾百元一公斤，最貴的則要數(shù)萬元一公斤。（2）材料種類有限。3D打印的耗材非常有限，現(xiàn)有的市場(chǎng)上的耗材多為石膏、無機(jī)粉料、光敏樹脂、塑料等。二、成型精度和質(zhì)量問題3D打印工藝發(fā)展還不完善，特別是快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟，目前快速成型零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用的要求，不能作為功能性部件，只能作為原型使用。三、打印速度3D打印技術(shù)雖始于“快速成型”，但制作一個(gè)制件仍需要數(shù)小時(shí)，難以大規(guī)模生產(chǎn)，僅能用于原型開發(fā)或單件制造。四、產(chǎn)品的力學(xué)性能3D打印技術(shù)制造出的制件與鑄件、鍛件相比強(qiáng)度低、構(gòu)件易疲勞、使用壽命短、斷裂韌性差，在一定的外力條件下，很容易產(chǎn)生損壞。第2章選擇性激光燒結(jié)成型工藝及案例2.1技術(shù)概述選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，SLS）是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS是有選擇地將材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下燒結(jié)在一起，得到零件的截面，通過層層疊加的方法生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過程包括CAD模型建立、數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。SLS成型方法的選材范圍廣泛，尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。SLS不需支撐結(jié)構(gòu)，因而在成型設(shè)備和系統(tǒng)軟件中，也無需考慮支撐系統(tǒng)?？傊?，SLS成型方法有著制造工藝簡單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價(jià)格便宜、成本低、材料利用率高、成型速度快等特點(diǎn)，針對(duì)以上特點(diǎn)SLS法主要應(yīng)用于鑄造業(yè)，并且可以用來直接制作快速模具。國內(nèi)也有多家單位開展了有關(guān)SLS的研究，但主要集中于高校和科研院所，如華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司等，也取得了一定的研究成果。如南京航空航天大學(xué)研制的RAP-Ⅰ型激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)和北京隆源自動(dòng)成型有限公司開發(fā)的AFS-300激光快速成型的設(shè)備等。2.2選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理選擇性激光燒結(jié)主要是將粉末材料（塑料粉等與黏結(jié)劑的混合粉）通過二氧化碳激光器進(jìn)行選擇性燒結(jié)。在開始加工之前將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎?，將溫度維持在粉末的熔點(diǎn)以下；成型階段送料桶上升，鋪粉小車移動(dòng)，在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照界面輪廓對(duì)實(shí)心部分的粉末進(jìn)行燒結(jié)，繼而熔化粉末形成一層固體輪廓。每一層燒結(jié)完成之后，工作臺(tái)下降一個(gè)截面層的高度，再次鋪上粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，直至完成整個(gè)實(shí)體構(gòu)建。在實(shí)體構(gòu)建完成并充分冷卻后，需要將加工件取出置于后處理工作臺(tái)上，去除殘留的粉末。在成型過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對(duì)模型的空腔和懸臂部分起支撐作用，無需另行生成支撐工藝結(jié)構(gòu)。選擇性激光燒結(jié)工藝原理如圖2-1所示。圖2-1選擇性激光燒結(jié)工藝原理2.3選擇性激光燒結(jié)快速成型材料及設(shè)備2.3.1選擇性激光燒結(jié)快速成型材料選擇性激光燒結(jié)所使用的材料主要分為以下幾類：金屬基合成材料、陶瓷基合成材料、鑄造砂和高分子粉末等。一、金屬基合成材料金屬基合成材料的硬度高，有較高的工作溫度，可用于復(fù)制高溫模具。常用的金屬基合成材料一般由金屬粉和黏結(jié)劑組合而成，這兩種材料也有很多種類，如表2-1所示。表2-1金屬粉和黏結(jié)劑分類金屬粉黏結(jié)劑不銹鋼粉末、還原鐵粉、銅粉、鋅粉、鋁粉有機(jī)玻璃、聚甲基丙烯酸丁酯、環(huán)氧樹脂、其他易于熱降解的高分子共聚物二、陶瓷基合成材料陶瓷基合成材料比金屬基合成材料硬度更高，工作溫度也更高，也可用于復(fù)制高溫模具，它一般由陶瓷粉和黏結(jié)劑組合而成。在SLS的過程中，CO2激光束產(chǎn)生熱量熔化黏結(jié)劑，黏結(jié)陶瓷粉使制件成型，最終經(jīng)過在加熱爐中燒結(jié)獲得陶瓷工件。三、鑄造砂鑄造砂主要用于低精度原型件的制作，主要成分為覆模砂，其表面的高分子黏結(jié)成分一般是低分子量酚醛樹脂。四、高分子粉末高分子粉末材料主要包括尼龍（PA）粉、聚碳酸酯（PC）粉、聚苯乙烯（PS）粉、ABS粉、鑄造用蠟粉、環(huán)氧聚酯粉末、聚酯（PBT）粉末、聚氯乙烯（PVC）粉末、聚四氟乙烯（PTFE）以及共聚改性粉末材料等。從理論角度出發(fā)，所有的熱塑性粉末都可通過SLS技術(shù)制作出各種形狀的制件，國內(nèi)外也有很多有關(guān)SLS材料應(yīng)用的研究，如表2-2所示。表2-2國內(nèi)外SLS材料的應(yīng)用狀況生產(chǎn)商牌號(hào)及產(chǎn)品類型用途及特點(diǎn)EOSPrimeCast100PS粉末適用于熔模鑄造Quartz4.2/5.7酚醛樹脂包裹鑄造砂適用于翻砂鑄造AlumideA1（30%）+PA復(fù)合粉末適用于具有金屬性質(zhì)的堅(jiān)硬耐用的零件DirectSteel20粒狀良好的鋼粉適用于注塑模以及直接制造金屬零件DirectSteelH20粒狀良好的銅粉適用于具有與金屬注塑模性能相當(dāng)?shù)淖⑺苣irectMetal粒狀良好的合金粉適用于注塑模以及直接制造金屬零件ABS適用于功能件及測(cè)試件PA3200/2200適用于功能件及原型件PC適用于功能件及測(cè)試件3DSystemsDuraFormPAPA粉末適用于功能件及測(cè)試件，熱、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良DuraFormGFPA+玻璃微珠復(fù)合適用于小特征功能及測(cè)試件，熱化學(xué)性能優(yōu)良，耐腐蝕DuraFormEX適用于制作扣合型開關(guān)等功能件，耐彎折、沖擊，力學(xué)性能優(yōu)良DuraFormFlex適用于制作類橡膠韌彈性體，可經(jīng)受重復(fù)彎折，耐撕裂性好，可染色DTMPCPC粉末熱穩(wěn)定性良好，可用于精密鑄造TrureFormPolymerPS粉末適用于制作消失模，尺寸穩(wěn)定，表面光潔SandFormSi覆膜硅砂適用于砂型制作RapidSteel1.0/2.0覆膜鋼粉適用于功能零件或金屬模具制作SandFormZrll覆膜鋯砂適用于砂型制作華中科技大學(xué)覆膜砂HB1-HB3系列PA，PS粉末適用于砂型制作、熔模制造、原型制造北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司覆膜陶瓷及塑料粉末PS、ABS粉末適用于熔模制造、原型制造中北大學(xué)覆膜金屬覆膜陶瓷精鑄蠟粉基于尼龍的原型燒結(jié)粉末適用于金屬模具制造、精鑄熔模制造及原型制造2.3.2選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備早在1986年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的CarlDeckard就在他的碩士論文中提出了SLS的設(shè)想。同年，SLS的初始機(jī)型問世，但很快就被湮沒在歷史中。而后在1992年，CarlDeckard所組建的DTM公司推出了SLS工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation，真正做到了SLS工藝的產(chǎn)業(yè)化，并于1992年、1996年及1999年逐步推出了SinterStation2000、SinterStation2500和SinterStation2500Plus機(jī)型，如圖2-2、圖2-3和圖2-4所示。圖2-2DTM公司的SinterStation2000機(jī)型圖2-3DTM公司的SinterStation2500機(jī)型圖2-4DTM公司的SinterSation2500Plus機(jī)型其中，SinterStation2500Plus機(jī)型的成型體積比SinterStation2000機(jī)型增加了10%，并通過對(duì)加熱系統(tǒng)的優(yōu)化，減少了輔助時(shí)間，提高了成型速度。在材料方面，DTM公司每年有數(shù)種新產(chǎn)品問世（如表2-3所示）。其中用DuraFormGF材料生產(chǎn)的制件，精度更高，表面更光滑；DTMPolycarbonate和CopperPolyamide，主要用于制作小批量的注塑件；而用RapidSteel2.0不銹鋼粉制造的模具，可用于生產(chǎn)10萬件注塑件，且收縮率只有0.2%，其制件可以達(dá)到較高的精度和較低的表面粗糙度，幾乎不需要后續(xù)的拋光處理。表2-3DTM公司開發(fā)的部分SLS用成型材料材料型號(hào)材料類型使用范圍DuraFormPolyamide聚酰胺粉末概念性和測(cè)試性制造DuraFormGF添加玻璃珠的聚酰胺粉末能制造微小特征，適合概念性和測(cè)試性制造DTMPolycarbanate聚碳酸酰粉末消失模制造TrueFormPolymer聚苯乙烯粉末消失模制造SandFormSi覆膜硅砂砂型（芯）制造SandFormZRII覆膜鋯砂砂型（芯）制造CopperPolyamide銅/聚酰胺復(fù)合物金屬模具制造RapidSteel2.0覆膜鋼粉功能零件或金屬模具制造在國內(nèi)，也有很多家機(jī)構(gòu)在進(jìn)行SLS的研究。華中科技大學(xué)的HRPS-IIIA激光粉末燒結(jié)快速成型機(jī)（如圖2-5所示），在選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）技術(shù)方面有著獨(dú)特之處。圖2-5HRPS-IIIA激光粉末燒結(jié)快速成型機(jī)（1）硬件方面（如表2-4所示）表2-4HRPS-IIIA激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)硬件特點(diǎn)名稱特點(diǎn)掃描系統(tǒng)國際著名公司的振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，速度快（最大掃描速度為4m/s）且精度高（激光定位精度小于50μm）激光器美國CO2激光器，穩(wěn)定性好、可靠性高、模式好、使用壽命長、功率穩(wěn)定、可更換氣體、性價(jià)比高新型送粉系統(tǒng)減少燒結(jié)輔助時(shí)間排煙除塵系統(tǒng)及時(shí)充分地排除煙塵，防止煙塵影響燒結(jié)過程和工作環(huán)境工作腔結(jié)構(gòu)全封閉式，防止粉塵和高溫影響設(shè)備關(guān)鍵元器件（2）軟件方面（如表2-5所示）表2-5HRPS2002軟件特點(diǎn)名稱特點(diǎn)切片模塊HRPS-STL（基于STL文件）模塊和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件）模塊數(shù)據(jù)處理STL文件識(shí)別及重新編碼，容錯(cuò)及數(shù)據(jù)過濾切片，STL文件可視化和原型制作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真功能工藝規(guī)劃多種材料燒結(jié)工藝模塊（包括燒結(jié)參數(shù)、掃描方式和成型方向等）安全監(jiān)控設(shè)備和燒結(jié)過程故障自診斷，故障自動(dòng)停機(jī)保護(hù)華中科技大學(xué)所開發(fā)的金屬粉末熔化快速成型系統(tǒng)，目前有HRPM-I和HRPM-II兩種型號(hào)，可直接用于制作各種復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)的金屬件和具有隨形冷卻水道的注塑模、壓鑄模等金屬模具，材料利用率高，其中HRPM-II金屬粉末熔化快速成型機(jī)如圖2-6所示。圖2-6HRPM-II金屬粉末熔化快速成型機(jī)國內(nèi)外的選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備在加工尺寸、層厚、激光光源等方面都有著各自的特點(diǎn)（如表2-6所示）。表2-6國內(nèi)外部分選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備的特性參數(shù)型號(hào)＼參數(shù)研制單位加工尺寸/mm層厚/mm激光光源激光掃描速度/（m/s）控制軟件Vanguardsi2SLS3DSystem（美國）370×320×445-25or100WCO275（標(biāo)準(zhǔn)）

10（快速）VanguandHSsi2TMSLS?systemSinterstation2500plusDTM（美國）368×318×4450.101450WCO2--Sinterstation2000φ304.8×3810.0762～0.50850WCO2--Sinterstation2500350×250×5000.07～0.1250WCO2--EosintS750EOS（德國）720×380×3800.22×100WCO23EosRPtoolsMagicsRPExpertseriesEosintM250250×250×2000.02～0.1200WCO233EosintP360340×340×6200.1550WCO235EosintP700700×380×5800.1550WCO25AFS-320MZ北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司320×320×4350.08～0.350WCO24AFSControl2.0HRPS-III華中科技大學(xué)400×400×500-50WCO24HPRS20022.4選擇性激光燒結(jié)的工藝過程選擇性激光燒結(jié)的工藝過程根據(jù)材料的不同可分為高分子粉末材料燒結(jié)工藝、金屬零件間接燒結(jié)工藝、金屬零件直接燒結(jié)工藝和陶瓷粉末燒結(jié)工藝。其中高分子粉末材料燒結(jié)工藝使用最為廣泛，因此這里對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.4.1高分子粉末材料燒結(jié)工藝高分子粉末材料燒結(jié)一般可以分為前處理、粉層激光燒結(jié)疊加以及后處理三個(gè)階段。一、前處理前處理階段主要是利用UG、Pro/E、Catia等軟件完成模型的三維CAD造型，并通過STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將模型轉(zhuǎn)換成STL格式的數(shù)據(jù)文件，再將模型STL格式的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入特定的分層軟件中進(jìn)行分層處理，最后將分層數(shù)據(jù)輸入到粉末激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)中。二、粉層激光燒結(jié)疊加粉末激光燒結(jié)快速成型系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，在設(shè)定的工藝參數(shù)下，自動(dòng)完成原型的逐層粉末燒結(jié)疊加。與其他快速成型工藝相比較而言，SLS工藝中成型區(qū)域溫度的控制是比較重要的。加工開始前，需要對(duì)成型空間進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)于PS高分子材料，預(yù)熱溫度需要達(dá)到100℃左右，在預(yù)熱的過程中需要根據(jù)原型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定制作方位。當(dāng)擺放位置確認(rèn)后，將狀態(tài)調(diào)整為加工狀態(tài)，然后進(jìn)行層厚、激光掃描速度和掃描方式、激光功率、燒結(jié)間距等工藝參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)成型區(qū)域的溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，便可開始加工。在加工過程中，為確保制件燒結(jié)質(zhì)量，減少翹曲變形，需要根據(jù)截面的變化，相應(yīng)地調(diào)整粉料預(yù)熱的溫度。當(dāng)所有疊層自動(dòng)燒結(jié)疊加完畢后，需等待原型部分充分冷卻，再取出原型進(jìn)行后處理。三、后處理激光燒結(jié)后的PS原型件，本身的力學(xué)性能是比較低的，其表面的光潔度也比較低，既不能滿足作為功能件的要求，也不能滿足精密鑄造的要求。因此，需要對(duì)PS原型件進(jìn)行一定的后處理才能在各種場(chǎng)合使用。一般的工藝分為兩種：一種是對(duì)PS原型件進(jìn)行樹脂處理，提高原型件的強(qiáng)度使其可以用于功能型測(cè)試零件。另一種就是使用鑄造蠟進(jìn)行處理提高制件的表面光潔度和強(qiáng)度。經(jīng)過浸蠟處理的制件可作為蠟?zāi)Ｖ苯佑糜诰荑T造。2.4.2金屬零件間接燒結(jié)工藝該工藝的過程主要分為三個(gè)階段：SLS原型件（綠件）的制作、粉末燒結(jié)件（褐件）的制作和金屬熔滲后處理（如圖2-7所示）。SLS原型件制作階段的關(guān)鍵在于選用合理的粉末配比和加工工藝參數(shù)的匹配；“褐件”制作階段的關(guān)鍵在于燒結(jié)溫度和時(shí)間的控制；而金屬熔滲后處理階段的關(guān)鍵在于選用合適的熔滲材料及工藝。圖2-7基于SLS工藝的金屬零件制造過程2.4.3金屬零件直接燒結(jié)工藝基于SLS工藝的金屬零件直接制造工藝流程如圖2-8所示。圖2-8基于SLS工藝的金屬零件直接制造工藝流程2.5選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)制件的精度和強(qiáng)度在很大程度上受選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)的影響，其中激光和燒結(jié)工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、方向和間距、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間以及層厚度等都可能導(dǎo)致燒結(jié)體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂。2.5.1激光功率（1）隨著激光功率的增加，尺寸誤差向正方向增大，在厚度方向尺寸誤差的增大趨勢(shì)要比長寬方向的大；由于激光的方向性，導(dǎo)致熱量只延著激光束的方向進(jìn)行傳播，所以隨著激光功率的增大，在厚度方向即激光束的方向，更多的粉末燒結(jié)在一起。（2）在激光功率增大時(shí)，強(qiáng)度也會(huì)隨著增大。當(dāng)激光功率比較低時(shí)，粉末顆粒只是邊緣熔化而黏結(jié)在一起，顆粒之間存在大量的間隙，使得強(qiáng)度不會(huì)很高；但是激光功率過大會(huì)加劇因熔固收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形。2.5.2激光燒結(jié)間距和光斑直徑的確定（1）當(dāng)燒結(jié)間距過大，燒結(jié)的能量在平面上的每一個(gè)燒結(jié)點(diǎn)的均勻性降低，激光光斑中間溫度高、邊緣溫度低，導(dǎo)致中間部分燒結(jié)密度高，邊緣燒結(jié)不牢固，使燒結(jié)制件的強(qiáng)度減小。（2）當(dāng)燒結(jié)間距過小，制件的成型效率將會(huì)嚴(yán)重減低。2.5.3掃描速度（1）在掃描速度增大時(shí)，尺寸誤差向負(fù)誤差的方向減小，強(qiáng)度減小。（2）在掃描速度增大時(shí)，單位面積上的能量密度減小，相當(dāng)于減小了激光功率，因此掃描速度對(duì)制件尺寸精度和性能的影響正好與激光功率的影響相反。2.5.4單層厚度（1）隨著單層厚度的增加，燒結(jié)制件的強(qiáng)度減小。（2）隨著單層層厚的增加，需要熔化的粉末增加，向外傳遞的熱量減少，使得尺寸誤差向負(fù)方向減小。（3）單層層厚對(duì)成型效率有很大的影響，單層層厚越大，成型效率越高。2.6選擇性激光燒結(jié)的特點(diǎn)及應(yīng)用2.6.1SLS技術(shù)的特點(diǎn)（表2-7）SLS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)（如表2-7所示），在選擇時(shí)需要綜合考量。表2-7SLS技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)材料的多樣性過程易操作材料利用率高無需支撐結(jié)構(gòu)模具的強(qiáng)度高缺點(diǎn)原型制作易變形后處理復(fù)雜需要預(yù)熱、冷卻成型表面粗糙多孔污染環(huán)境2.6.2SLS技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SLS技術(shù)已經(jīng)在汽車、造船、航天和航空等領(lǐng)域得到了諸多應(yīng)用，并為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了技術(shù)革新?？偟膩碚f，SLS工藝可以應(yīng)用于以下一些場(chǎng)合：（1）快速原型制造?？煽焖僦圃煸O(shè)計(jì)零件的原型，及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)、修正以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量；使客戶獲得直觀的零件模型；制造教學(xué)、實(shí)驗(yàn)用的復(fù)雜模型。（2）快速模具和工具制造。將SLS制造的零件直接作為模具使用，如砂型鑄造用模、金屬冷噴模、低熔點(diǎn)合金模等，也可將成型件經(jīng)后處理后作為功能性零部件使用。（3）單件或小批量生產(chǎn)。對(duì)于那些不能批量生產(chǎn)或形狀很復(fù)雜的零件，利用SLS技術(shù)來制造，可降低成本和節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，這對(duì)航空航天及國防工業(yè)具有重大意義。如圖2-9、圖2-10、圖2-11所示的制件就是應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)而制成的產(chǎn)品。圖2-9翼龍模型圖2-10活動(dòng)鏈連接圖2-11多網(wǎng)絡(luò)模型2.7案例：球的制作一、前處理（1）利用三維造型軟件UG6.0進(jìn)行三維球模型的設(shè)計(jì)，如圖2-12所示。然后將其導(dǎo)出為STL格式的文件。圖2-12三維球模型（2）三維模型的切片處理：將球的STL文件導(dǎo)入切層軟件中進(jìn)行切層處理，具體步驟如下：①導(dǎo)入零件，如圖2-13所示。圖2-13零件的導(dǎo)入②調(diào)整零件位置，如圖2-14所示。圖2-14零件位置的調(diào)整③保存STL文件，如圖2-15所示。圖2-15STL文件的保存④利用特定軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)切層，如圖2-16所示。圖2-16數(shù)據(jù)切層二、分層疊加過程將保存的切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SLS設(shè)備里，開始打?。ㄊ孪阮A(yù)熱），如圖2-17所示。圖2-17分層疊加三、后處理（1）原型部分充分冷卻（如圖2-18所示）后，將其拿出。圖2-18原型的冷卻（2）將其放到后處理工作臺(tái)上，取出原型，如圖2-19所示。圖2-19原型的取出（3）去除多余粉末，得到制件，如圖2-20所示。圖2-20成型制件第3章光固化快速成型工藝及案例3.1技術(shù)概述立體光固化成型（StereolithographyAppearance，SLA）技術(shù)是世界上出現(xiàn)最早、研究最深入、應(yīng)用最廣泛、方法最成熟并已實(shí)現(xiàn)商品化的一種快速成型技術(shù)，也被稱為立體光刻、立體印刷或光造型等。通過多年的探索，該工藝的加工精度已可達(dá)毫米級(jí)，截面掃描方式和樹脂成型性能也得到了很大的改進(jìn)，但是在設(shè)備、材料、制造過程和加工環(huán)境等方面還是存在很多不足之處。立體光固化成型技術(shù)多用于制造模型。通過在原料中加入其他成分，其原型模也可代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。該方法成熟速度快、精度高，但樹脂在固化過程中的收縮必然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變，使這種方法有一定的局限性。目前，國內(nèi)外很多公司都推出了多種光固化快速成型設(shè)備，如美國的3DSystems公司、日本的CMET公司、德國的EOS公司等，中國的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司也參與到該項(xiàng)技術(shù)設(shè)備的競爭之中，如西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司和上海聯(lián)泰科技有限公司等。由于售后服務(wù)和價(jià)格的原因，國內(nèi)企業(yè)在競爭上已經(jīng)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。3.2光固化快速成型工藝的基本原理光固化快速成型工藝的成型原理如圖3-1所示，液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，在控制系統(tǒng)的控制下氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)出的紫外激光束按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。當(dāng)一層固化完畢后，未被激光照射的地方仍是液態(tài)樹脂，隨后工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面上再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將黏度較大的樹脂液面刮平，繼續(xù)進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地黏結(jié)在前一層上，如此重復(fù)，直至整個(gè)零件制造完畢，就此獲得三維實(shí)體原型。圖3-1光固化快速成型原理最后還需要將三維實(shí)體原型上多余的樹脂排凈并去除支撐，進(jìn)行清洗，并將實(shí)體原型放在紫外激光下進(jìn)行整體的后固化處理。液面在樹脂材料高黏性的影響下，很難在短時(shí)間內(nèi)做到在每層固化后迅速流平，這導(dǎo)致實(shí)體的精度受到影響，而刮板的使用則規(guī)避了這一弊端，很好地保證了實(shí)體固化后的精度，使制件表面更光滑、平整。在刮板靜止時(shí)，吸附式涂層機(jī)構(gòu)中的液態(tài)樹脂在表面張力的作用下會(huì)充滿吸附槽。在刮板進(jìn)行涂刮運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸附槽中的樹脂會(huì)均勻涂敷到已固化的樹脂表面，同時(shí)涂層機(jī)構(gòu)中的前刃和后刃在一定程度上消除了樹脂表面因工作臺(tái)升降所產(chǎn)生的氣泡，如圖3-2所示。圖3-2吸附式涂層機(jī)構(gòu)3.3光固化快速成型材料及設(shè)備光固化快速成型材料的性能制約著成型件的質(zhì)量及成本、機(jī)械性能、精度等，因此，成型材料的選擇是SLA的關(guān)鍵問題之一。3.3.1光固化快速成型材料一、光固化材料優(yōu)點(diǎn)及分類1.光固化材料的優(yōu)點(diǎn)光固化材料與一般固化材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）固化快?？稍趲酌腌妰?nèi)固化，可應(yīng)用于即時(shí)固化的場(chǎng)合。（2）無需加熱?？蛇m用于不能耐熱的塑料、光學(xué)、電子零件。（3）可用于制備無溶劑產(chǎn)品。很好地規(guī)避了使用溶劑涉及的環(huán)境問題和審批手續(xù)問題。（4）節(jié)省能量。各種光源的效率都高于烘箱。（5）可使用單組分，無配置問題，使用周期長。（6）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作及固化，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。2.光固化材料分類及特征光固化樹脂材料主要包括低聚物、反應(yīng)性稀釋劑及光引發(fā)劑。根據(jù)光引發(fā)劑的引發(fā)機(jī)理，光固化樹脂可以分為三類，見表3-1。表3-1光固化樹脂的分類及特性自由基光固化樹脂環(huán)氧樹脂丙烯酸酯，該類材料聚合快、原型強(qiáng)度高但脆性大且易泛黃聚酯丙烯酸酯，該類材料流平性和固化質(zhì)量較好，性能可調(diào)范圍大聚氨酯丙烯酸酯，用該類材料制造的原型柔順性和耐磨性好，但聚合速度慢陽離子光固化樹脂環(huán)氧樹脂是最常用的陽離子型低聚物固化收縮小，自由基光固化樹脂的預(yù)聚物丙烯酸酯的固化收縮率為5%～7%，而預(yù)聚物環(huán)氧樹脂的固化收縮率僅為2%～3%產(chǎn)品精度高、黏度低、生坯件強(qiáng)度高、產(chǎn)品可直接用于注塑模具陽離子聚合物是活性聚合，光熄滅后可繼續(xù)聚合且不受到氧氣的阻聚作用混雜型光固化樹脂進(jìn)行陽離子開環(huán)聚合時(shí)，環(huán)狀聚合物體積收縮很小甚至?xí)a(chǎn)生膨脹，而自由基體系總有明顯的收縮系統(tǒng)中有堿性雜質(zhì)時(shí)，陽離子聚合的誘導(dǎo)期較長，而自由基聚合的誘導(dǎo)期較短，混雜型體系可以提供誘導(dǎo)期短而聚合速度穩(wěn)定的聚合系統(tǒng)混雜體系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合終結(jié)的缺點(diǎn)二、光敏樹脂的組成及其光固化特性分析1.光敏樹脂用于光固化快速成型的材料為液態(tài)光敏樹脂，主要由低聚物、光引發(fā)劑和稀釋劑組成。其中低聚物是光敏樹脂的基體樹脂，它的末端含有可以聚合的活性基因，是一種含有不飽和官能團(tuán)的基料，一經(jīng)聚合，分子量上升極快，很快就可以成為固體。低聚物決定了光敏樹脂的基本物理、化學(xué)性能。光引發(fā)劑是激發(fā)光敏樹脂交聯(lián)反應(yīng)的特殊基團(tuán)，它的性能決定了光敏樹脂的固化程度和固化速度；稀釋劑是一種結(jié)構(gòu)中的含有不飽和雙鍵功能性單體，可調(diào)節(jié)低聚物的黏度，但不易揮發(fā)，并可參與聚合。光敏樹脂中的光引發(fā)劑被光源（特定波長的紫外光或激光）照射時(shí)吸收能量，會(huì)產(chǎn)生自由基或陽離子使單體和活性低聚物活化，從而發(fā)生連鎖反應(yīng)生成高分子固化物。一般來說，低聚物和稀釋劑的分子上都含有兩個(gè)以上可以聚合的雙鍵或環(huán)氧基團(tuán)，因此聚合得到的不是線性聚合物，而是一種交聯(lián)的體形結(jié)構(gòu)，其過程可簡單的表示為2.光敏樹脂的光固化特性分析液態(tài)光敏樹脂在激光照射下，從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，達(dá)到一種凝膠態(tài)。凝膠態(tài)是一種液態(tài)和固態(tài)之間的臨界狀態(tài)，此時(shí)，黏度無限大，模量（Y）為零。當(dāng)曝光量低于樹脂的臨界曝光量Ec時(shí)，由于氧的阻聚作用，光引發(fā)劑與空氣中的氧發(fā)生作用，而不與單體作用，液態(tài)樹脂就無法固化，故激光的曝光量（E）必須超過Ec。當(dāng)曝光量超過該值后，樹脂的模量按負(fù)指數(shù)規(guī)律向該樹脂的極限模量逼近，模量與曝光量的關(guān)系為式中，β為樹脂的模量——曝光量常數(shù)；Ymax為樹脂的極限模量；EC為樹脂的臨界曝光量；KP為比例常數(shù)。激光快速成型系統(tǒng)中所用的光源為激光。激光是一種單色光，具有單一的波長，因此，式中的EC和β均為常數(shù)。液態(tài)光敏樹脂對(duì)它的吸收一般符合Beer-Lambert規(guī)則，即激光的能量沿照射深度成負(fù)指數(shù)衰減，如圖3-3所示。圖3-3樹脂對(duì)激光的吸收特性3.光固化快速成型材料介紹根據(jù)工藝和原型的使用要求，光固化成型材料需要具有黏度低、流平快、固化速度快、固化收縮小、溶脹小、毒性小等性能特點(diǎn)。下面將對(duì)Vantico公司、3DSystems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、適用場(chǎng)合以及選擇方案等進(jìn)行介紹。（1）3DSystems公司的SL系列3DSystems公司針對(duì)SLA快速成型工藝提供了應(yīng)用于不同使用性能和要求的SL系列光固化樹脂材料，其選擇方案見表3-2。而表3-3則給出了SLA5000系統(tǒng)使用的幾種樹脂材料的性能指標(biāo)。表3-23DSystems公司光固化快速成型系統(tǒng)的光固化快速成型材料選擇方案SLA系統(tǒng)指標(biāo)成型效率成型精度類聚丙烯類ABS耐高溫顏色SLA190

SLA250SL5220SL5170SL5240SL5260SL5210SLH-C9100SLA500SL7560SL5410SL5180SL5440SL7560SL5430Vipersi2SLASL5510SL5510SL7540SL7545SL7560SL7565SL5530SLY-C9300SLA350SLA3500SL5510SL7510SL5510SL5190SL7540SL7545SL7560SL7565SL5530SLY-C9300SLA5000SL5510SL7510SL5510SL5195SL7540SL7545SL7560SL7565SL5530SLY-C9300SLA7000SL7510SL7520SL7510SL7520SL7540SL7545SL7560SL7565SL5530SLY-C9300注：材料SL5170、SL5180、SL5190和SL5195不適用于高濕度場(chǎng)合表3-3SLA5000系統(tǒng)使用的幾種樹脂材料的性能指標(biāo)指標(biāo)＼型號(hào)SL5195SL5510SL5530SL7510SL7540SL7560SLY-C9300外特性透明光亮透明光亮透明光亮透明光亮透明光亮白色透明密度/（g/cm3）1.161.131.191.171.141.181.12黏度/cp（30℃）1801802103252792001090固化深度/mil5.24.15.45.56.05.29.4肖氏硬度83868887798675抗拉強(qiáng)度/MPa46.57756～614438～3942～4645拉伸模量/MPa209032962889～314422061538～16622400～26001315彎曲強(qiáng)度/MPa49.39963～878248～5283～104-彎曲模量/MPa162830542620～324024551372～14412400～2600-延伸率11%5.4%3.8%～4.4%13.7%21.2%～22.4%6%～15%7%沖擊韌性/（J/m2）5427213238.4-45.928.44-玻璃化溫度/℃67-82687963576052熱脹率/（10-6/℃）108（T＜Tg）189（T＞Tg）84（T＜Tg）182（T＞Tg）76（T＜Tg）152（T＞Tg）-181（T＜Tg）--熱傳導(dǎo)率/（W/m*k）0.1820.1810.1730.1750.159固化后密度/（g/cm3）1.181.231.25-1.181.221.18（2）3DSystems公司的Accura系列3DSystems公司的ACCURA系列光固化快速成型材料主要有：用于Vipersi2SLA、SLA3500、SLA5000和SLA7000系統(tǒng)的ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40Nd系列型號(hào)和用于SLA250、SLA500系統(tǒng)的SI40Hc＆AR型號(hào)等。部分3DSystems公司的ACCURA系列材料的性能如表3-4所示。（3）3DSystems公司的RenShape系列3DSystems公司研制的RenShapeSLA7800樹脂主要面向成型精確度及耐久性要求較高的光固化快速原型。RenShapeSLA7810樹脂與RenShapeSLA7800樹脂的用途類似，制作的模型性能類似于ABS，用于制作尺寸穩(wěn)定性較好的高精度、高強(qiáng)度模型。RenShapeSLA7820樹脂固化后的模型顏色為黑色，適用于制作消費(fèi)品包裝、電子產(chǎn)品外殼及玩具等。RenShapeSLA7840樹脂固化后的模型呈象牙白色，適用于尺寸較大的概念模型。RenShape7870樹脂制作的模型強(qiáng)度與耐久性都較好，透明性優(yōu)異，適用于制造高質(zhì)量的熔模鑄造的母模、大尺寸的物理性能與力學(xué)性能都較好的透明模型或制件等。上述3DSystems公司的RenShape系列材料的性能如表3-5所示。表3-4部分3DSystems公司的ACCURA系列材料的性能指標(biāo)＼型號(hào)ACCURA10ACCURA40NdACCURA50ACCURA60ACCURABluestoneACCURACLearVue外特性透明光亮透明光亮非透明自然色或灰色透明光亮非透明光亮透明光亮固化前后密度/（g/cm3）1.16/1.211.16/1.191.14/1.211.13/1.211.70/1.781.1/1.17黏度/cp（30℃）485485600150～1801200～1800235～260固化深度/mil6.3～6.96.6～6.84.56.34.14.1抗拉強(qiáng)度/MPa62～7657～6148～5058～6866～6846～53延伸率3.1%～5.6%4.8%～5.1%5.3%～15%5%～13%1.4%～2.4%1.4%～2.4%拉伸模量/MPa3048～35322628～33212480～26902690～31007600～117002270～2640彎曲強(qiáng)度/MPa89～11592.8～9772～7787～101124～15472～84彎曲模量/MPa2827～31862618～30442210～23402700～30008300～98001980～2310沖擊韌性/（J/m2）14.9～27.722.3～29.916.5～28.115～2513～1740～58玻璃化溫度/℃6262.5625871～8362熱脹率/（10-6/℃）64/17087/18773/16471/15333～44/81～98122/155肖氏硬度868486869280表3-5部分Systems公司的RenShape系列材料的性能指標(biāo)＼型號(hào)RenShapeSLA7800RenShapeSLA7810RenShapeSLA7820RenShapeSLA7840RenShapeSLA7870外特性透明琥珀色白色黑色白色透明固化前后密度/（g/cm3）1.12/1.1.51.13/1.161.13/1.161.13/1.161.13/1.16黏度/cp（30℃）205210210270180固化深度/mil5.75.64.55.07.2抗拉強(qiáng)度/MPa41～4736～5136～5136～4538～42延伸率10%～18%10%～20%8%～18%11%～17%10%～12%拉伸模量/MPa2075～24001793～24001900～24001700～22001930～2020彎曲強(qiáng)度/MPa69～7459～6959～8065～8065～71彎曲模量/MPa2280～26501897～24002000～24001600～22001980～2310沖擊韌性/（J/m2）37～5844.4～48.742～4837～6045～61玻璃化溫度/℃5762625856熱脹率/（10-6/℃）1009693100N/A肖氏硬度8786868686（4）DSM公司的SOMOS系列DSM公司的SOMOS系列環(huán)氧樹脂主要是面向光固化快速成型開發(fā)的系列材料，部分型號(hào)的性能及主要指標(biāo)如表3-6所示。表3-6部分DSM公司的SOMOS系列材料的性能指標(biāo)＼型號(hào)20特性灰色不透明透明琥珀色灰色不透明透明透明光亮密度/（g/cm3）1.61.131.131.121.15黏度/cp（30℃）2500450450260550固化深度/mm0.120.130.140.160.15臨界曝光量（mj/cm2）6.88.010.911.511.8肖氏硬度92.88380～82N/A85.3抗拉強(qiáng)度/MPa783130～3247.1～53.670.2拉伸模量/MPa1090015901227～14622650～28803520彎曲強(qiáng)度/MPa1384441～4663.1～74.2109彎曲模量/MPa904014501310～14552040～23703320延伸率1.2%15%～21%15%～25%11%～20%4%沖擊韌性/（J/m2）14.55548～5320～3011.5玻璃化溫度/℃1025052～6145.9～54.556.5適用性制作高強(qiáng)度、耐高溫的零部件制作堅(jiān)韌、精確的功能零件制作硬度和穩(wěn)定性有較高要求的組件制作耐用、堅(jiān)硬、防水的功能零件制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水的功能零件，外觀呈櫻桃紅色3.3.2光固化快速成型設(shè)備20世紀(jì)70年代末到80年代初期，各地的研究學(xué)者各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想。其中，CharlesHull在UVP地繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件并稱之為SLA-1的完整系統(tǒng)。同年，CharlesHull和UVP的股東們一起創(chuàng)建了3DSystems公司，并于1988年首次推出SLA250機(jī)型，如圖3-4所示。圖3-43DSystems公司的SLA250機(jī)型目前，國內(nèi)外有很多研究光固化快速成型（SLA）設(shè)備的單位，其中美國3DSystems公司的SLA技術(shù)在國際市場(chǎng)上占比最大。3Dsystems公司不斷地推出新的機(jī)型，在光固化快速成型設(shè)備技術(shù)方面有了長足的進(jìn)步。其中，SLA3500和SLA5000使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器，掃描速度分別達(dá)到2.54m/sec和5m/sec，成層厚度最小可達(dá)0.05mm，如圖3-5和圖3-6所示。而該公司在1999年推出的SLA7000機(jī)型與SLA5000機(jī)型相比，成型體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達(dá)9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成型層厚度最小可達(dá)0.025mm，精度提高了一倍，如圖3-7所示。3DSystems公司推出的較新的機(jī)型還有Vipersi2SLA（如圖3-8所示）及ViperProSLA系統(tǒng)（如圖3-9所示）。圖3-53DSystems公司的SLA3500機(jī)型圖3-63DSystems公司的SLA5000機(jī)型圖3-73DSystems公司的SLA7000機(jī)型圖3-83DSystems公司的Vipersi2SLA機(jī)型圖3-93DSystems公司的ViperProSLA機(jī)型在國內(nèi)，西安交通大學(xué)在光固化成型技術(shù)、設(shè)備、材料等方面也進(jìn)行了大量的研究工作，推出了自行研制與開發(fā)的SPS、LPS和CPS三種機(jī)型，其中SPS600和LPS600成型機(jī)如圖3-10和圖3-11所示。圖3-10SPS600成型機(jī)圖3-11LPS600成型機(jī)上海聯(lián)泰科技有限公司開發(fā)的光固化成型設(shè)備主要有RS-350H、RS-350S、RS-600H和RS-600S等機(jī)型（如圖3-12）。目前國內(nèi)外部分光固化成型（SLA）設(shè)備的特性參數(shù)見表3-7。圖3-12上海聯(lián)泰公司的RS-600S光固化成型機(jī)表3-7國內(nèi)外部分光固化成型（SLA）設(shè)備的特性參數(shù)國別單位型號(hào)加工尺寸（mm）美國3DSystemsSLA190190×190×250SLA250HR254×254×254SLA350350×350×350SLA500508×508×610SLA3500350×350×400SLA5000508×508×584SLA700508×508×600Vipersi2SLA250×250×250續(xù)表國別單位型號(hào)加工尺寸（mm）日本NTTDATA＆CMETSOUP-250GH250×250×250SOUP-400400×400×400SOUPII-600GS600×600×500SOUP-850PA600×850×500SOUP-10000GS/GA1000×800×500SONY/D-MECSCS-300300×300×270SCS-1000HD300×300×270JSC-2000500×600×500JSC-30001000×800×500TeijinSeikiSoliform-250A250×250×250Soliform-250B250×250×250Soliform-300300×300×300Soliform-500B500×500×500DenkenEngineeningSLP-4000R200×150×150SLP-5000220×200×225MeikoLC-510100×100×60LC-315160×120×100UnirapidURII-HP1501150×150×150德國EOSSTEREOS

DESKTOP250×250×250STEREOSMAX-400400×400×400STEREOSMAX-600600×600×600E＆SLMS450×450×350以色列GubitalSolider4600356×356×356Solider5600356×508×508中國西安交通大學(xué)SPS250、LPS250250×250×250SPS350、LPS350350×350×350SPS600、LPS600600×600×500CPS250250×250×250CPS350350×350×350CPS500500×500×500上海聯(lián)泰科技有限公司RS-350H、RS-350S350×350×300RS-600H600×600×500RS-600S600×600×4003.4光固化快速成型的工藝過程光固化快速原型的制作一般可以分為前處理、原型制作和后處理三個(gè)階段。3.4.1前處理前處理主要是對(duì)原型的CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、擺放方位確定、施加支撐和切片分層的過程，實(shí)際上就是為原型的制作準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。下面以某一小手柄的制作為例來介紹光固化原型制作的前處理過程。一、CAD三維造型CAD模型即三維實(shí)體造型，是快速原型制作必需的原始數(shù)據(jù)源，可以在各種CAD軟件上實(shí)現(xiàn)，圖3-13（a）給出的就是小手柄在UGNX上的三維造型。二、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是對(duì)產(chǎn)品CAD模型的近似處理，主要是生成STL格式的數(shù)據(jù)文件，實(shí)際上就是采用若干小三角形片來逼近模型的外表面，如圖3-13（b）所示。三、確定擺放方位擺放方位的確定需要綜合考慮制作時(shí)間和效率、后續(xù)支撐的施加以及原型的表面質(zhì)量等因素。一般為了縮短原型制作時(shí)間并提高制作效率，將尺寸最小的方向作為疊層方向，有時(shí)為了提高原型制作質(zhì)量以及提高某些關(guān)鍵尺寸和形狀的精度，將最大的尺寸方向作為疊層方向擺放；為了減少支撐量、節(jié)省材料并方便后處理，有時(shí)也會(huì)采用傾斜擺放。小手柄尺寸較小，為了保證軸部外徑以及內(nèi)孔尺寸的精度，選擇直立擺放，同時(shí)考慮到支撐作用，小手柄的大端朝下擺放，如圖3-13（c）所示。四、施加支撐施加支撐是光固化快速原型制作前處理階段的重要工作，這一工作的好壞直接影響原型制作的成功與否，可以手工進(jìn)行，也可以通過軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。但通過軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的一般都要經(jīng)過人工核查，進(jìn)行必要的修改和刪減。目前，為了便于在后續(xù)處理中去除支撐及獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，采用點(diǎn)支撐這種比較先進(jìn)的支撐類型，即支撐與需要支撐的模型面之間為點(diǎn)接觸，圖3-13（d）示意的就是點(diǎn)支撐。圖3-13光固化快速原型前處理快速原型制作中支撐是與原型同時(shí)進(jìn)行的，支撐結(jié)構(gòu)除了確保原型的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠、固定之外，還有助于減少原型在制作過程中發(fā)生的翹曲變形。從圖3-14可知，為了成型完畢后能方便地從工作臺(tái)上取下原型，不使原型損壞，在原型的底部也設(shè)計(jì)并制作了支撐結(jié)構(gòu)。圖3-14支撐結(jié)構(gòu)示意圖圖3-15為一些常用的支撐結(jié)構(gòu)。其中，斜支撐[圖3-15（a）]主要用于支撐懸臂結(jié)構(gòu)，在成型過程中為懸臂提供支撐，同時(shí)約束懸臂的翹曲變形；直支撐[圖3-15（b）]主要用于支撐腿部結(jié)構(gòu)；腹板[圖3-15（c）]主要用于大面積的內(nèi)部支撐；十字壁板[圖3-15（d）]則主要用于孤立結(jié)構(gòu)部分的支撐。圖3-15常用的支撐結(jié)構(gòu)五、切片分層支撐施加完畢后，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)定的分層厚度沿著高度方向進(jìn)行切片，生成RP系統(tǒng)需求的SLC格式的層片數(shù)據(jù)文件，提供給光固化快速原型制作系統(tǒng)，進(jìn)行原型制作。圖3-16給出的是小手柄的光固化原型。圖3-16小手柄的光固化快速原型3.4.2原型制作光固化快速成型過程是在專用的光固化快速成型設(shè)備系統(tǒng)上進(jìn)行。在原型制作前，需要提前啟動(dòng)光固化快速成型設(shè)備系統(tǒng)并啟動(dòng)原型制作控制軟件，讀入前處理生成的層片數(shù)據(jù)文件。在模型制作前，需調(diào)整工作臺(tái)網(wǎng)板的零位與樹脂液面的位置關(guān)系，確保支撐與工作臺(tái)網(wǎng)板的穩(wěn)固連接。整個(gè)疊層的光固化過程都由軟件系統(tǒng)自動(dòng)控制，疊層制作完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)停止。圖3-17給出的是SPS600光固化快速成型設(shè)備在進(jìn)行光固化疊層制作時(shí)的界面，界面顯示了激光光源、激光掃描速度、原型幾何尺寸、總的疊層數(shù)、目前正在固化的疊層、工作臺(tái)升降速度等信息。圖3-17SPS600光固化快速成型設(shè)備控制軟件界面3.4.3后處理在快速成型系統(tǒng)中，原型疊層制作完畢后，需要進(jìn)行剝離等后續(xù)處理工作，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)等。對(duì)于用光固化成型方法成型的原型，還需要進(jìn)行后固化處理等，下面以某一SLA原型為例給出其后續(xù)處理的步驟和過程。如圖3-18所示。圖3-18光固化原型的后處理過程首先，如圖3-18（a）所示，原型疊層制作結(jié)束后，工作臺(tái)升出液面，停留5～10min，晾干多余的樹脂。然后，如圖3-18（b）所示，將原型和工作臺(tái)一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液體中，攪動(dòng)并刷掉殘留的氣泡，持續(xù)45min左右后放入水池中清洗工作臺(tái)約5min。之后，如圖3-18（c）所示，從外向內(nèi)從工作臺(tái)上取下原型，并去除支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。去除支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意不要刮傷原型表面和精細(xì)結(jié)構(gòu)。最后，再次清洗原型后將其置于紫外烘箱中進(jìn)行整體后固化[如圖3-18（d）所示]。對(duì)于有些性能要求不高的原型，可以不做后固化處理。經(jīng)過前處理、原型制作和后處理等一系列過程后，就可以得到多種多樣的SLA制件了[如圖3-19所示]。圖3-19SLA制品實(shí)物3.5光固化快速成型的精度及效率3.5.1光固化快速成型中樹脂的收縮變形樹脂在固化過程中都會(huì)發(fā)生收縮，通常其體收縮率約為10%，線收縮率約為3%。樹脂收縮主要有兩部分組成：一部分是固化收縮，另外一部分是當(dāng)激光掃描到液體樹脂表面時(shí)由于溫度變化而引起的熱脹冷縮，由于溫度升高的區(qū)域面積很小，因此溫度變化引起的收縮量極小，可以忽略不計(jì)。3.5.2光固化快速成型的精度在設(shè)備研制和用戶制作原型的過程中需要密切關(guān)注光固化成型的精度問題。光固化快速成型技術(shù)發(fā)展到今天，該問題仍然是人們持續(xù)需要解決的難題。光固化快速成型的精度問題主要包括形狀精度、尺寸精度和表面精度，即光固化快速成型件在形狀、尺寸和表面相互位置三個(gè)方面與設(shè)計(jì)要求的符合程度。其中，形狀誤差有翹曲變形、扭曲變形、橢圓度誤差及局部缺陷等；尺寸誤差指成型件與CAD模型相比，在X，Y，Z三個(gè)方向上的尺寸相差值；表面精度為由疊層累加產(chǎn)生的臺(tái)階誤差及表面粗糙度等。影響光固化快速成型原型精度的因素可簡單地按圖3-20所示進(jìn)行分類。圖3-20光固化快速成型誤差因素分類一、幾何數(shù)據(jù)處理造成的誤差成型過程開始前，在對(duì)實(shí)體的三維CAD模型進(jìn)行STL格式化及切片分層數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)帶來誤差，如圖3-21所示。3DSystems公司于1992年開發(fā)了SLC數(shù)據(jù)格式，有效消除了由原始數(shù)據(jù)模型進(jìn)行STL格式轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的問題，減小了STL格式數(shù)據(jù)帶來的誤差。圖3-21弦差導(dǎo)致界面輪廓線誤差為減小切片分層數(shù)據(jù)處理造成的誤差，最直接的辦法是開發(fā)對(duì)CAD實(shí)體模型進(jìn)行直接分層的方法，在商用軟件中，Pro/Engineer具有直接分層的功能，如圖3-22所示。圖3-22Pro/Engineer對(duì)實(shí)體的三維CAD模型直接分層切片厚度的選擇也會(huì)直接影響成型件的表面光潔度。學(xué)者們對(duì)自適應(yīng)分層方法進(jìn)行了不同算法的研究，即根據(jù)零件的表面形狀在所需分層方向上自動(dòng)改變分層厚度，進(jìn)而滿足零件表面的精度需求。當(dāng)零件表面傾斜度較大時(shí)，選取較小的分層厚度，以提高原型的成型精度；反之則選取較大的分層厚度，以提高加工效率，如圖3-23所示。圖3-23自適應(yīng)分層二、成型過程中材料的固化收縮引起的翹曲變形在光固化快速成型工藝中，液態(tài)光敏樹脂在固化過程中會(huì)發(fā)生收縮，進(jìn)而在工件內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，自固化的層表面沿層厚向下，隨固化程度不同，呈梯度分布。在層與層之間，新固化層收縮時(shí)要受到層間粘合力限制，層內(nèi)應(yīng)力和層間應(yīng)力復(fù)合將導(dǎo)致工件產(chǎn)生翹曲變形，該變形可通過改進(jìn)成型工藝來控制。對(duì)于因材料固化收縮而帶來的翹曲變形，可通過改進(jìn)樹脂配方的方法來控制?，F(xiàn)在越來越多的SLA工藝應(yīng)用商使用陽離子型光固化樹脂，它與自由基型光固化樹脂相比，固化收縮率小，從而可以提高成型精度。此外，在軟件設(shè)計(jì)方面對(duì)體積收縮進(jìn)行補(bǔ)償也可以達(dá)到提高成型精度的目的。三、樹脂涂層厚度對(duì)精度的影響為了避免聚合深度與層厚的差異所引起的分層、過固化、翹曲變形，在成型過程中就需要保證每一層鋪涂的樹脂厚度一致。在掃描面積相等的條件下，為了減小層間應(yīng)力，就需要減小單層固化深度，進(jìn)而減小固化體積。為了提高成型精度，研究學(xué)者也提出了許多不同的方法，如二次曝光法等。四、光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成型精度的影響在光固化成型過程中，聚焦到液面的光斑直徑大小以及光斑形狀會(huì)直接影響加工分辨率和成型精度。若光斑直徑過大，將會(huì)丟失較小尺寸的零件細(xì)微特征，如在進(jìn)行輪廓拐角處掃描時(shí)，拐角特征就不易成型，如圖3-24所示。圖3-24輪廓拐角處的掃描在SLA系統(tǒng)中，采用雙振鏡模塊（圖3-25中a和b）進(jìn)行掃描。由于雙振鏡在光路中前后布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會(huì)造成掃描軌跡在X軸向的“枕形”畸變，如當(dāng)掃描方形圖形時(shí)，掃描軌跡并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方形，而是會(huì)出現(xiàn)“枕形”畸變的“方形”，如圖3-26所示。圖3-25掃描器件采用雙振鏡模塊圖3-26“枕形”畸變采用雙振鏡掃描還有另一個(gè)不足之處：其掃描軌跡構(gòu)成的像場(chǎng)是球面，與工作面不重合，會(huì)產(chǎn)生聚焦誤差或Z軸誤差。聚焦誤差可以通過動(dòng)態(tài)聚焦模塊、透鏡前掃描和f-θ透鏡得到校正，其中透鏡前掃描和f-θ透鏡方法原理如圖3-27所示。圖3-27透鏡前掃描和f-θ透鏡方法原理五、激光掃描方式對(duì)成型精度的影響選擇合適的掃描方式可以減少零件的收縮、避免翹曲和扭曲變形，并提高成型精度。SLA成型工藝多采用方向平行路徑進(jìn)行實(shí)體填充，即每一段填充路徑均互相平行，在邊界線內(nèi)通過往復(fù)掃描進(jìn)行填充，也稱為Z字形（Zig-Zag）或光柵式掃描方式。圖3-28所示表示的是順序往復(fù)掃描，圖3-29表示的是分區(qū)域往復(fù)掃描方式，即在各個(gè)區(qū)域內(nèi)采用連貫的Zig-Zag掃描方式，激光器掃描至邊界即回折反向填充同一區(qū)域，并不跨越型腔部分，僅從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)區(qū)域時(shí)，才快速跨越。這種掃描方式可以省去激光開關(guān)，提高成型效率，分散收縮應(yīng)力，減小收縮變形，提高成型精度。圖3-28順序往復(fù)掃描圖3-29分區(qū)域往復(fù)掃描光柵式掃描又可分為長光柵式掃描和短光柵式掃描。因?yàn)樘S光柵式掃描方式有增加已固化區(qū)域冷卻時(shí)間、減小熱應(yīng)力的作用，故采用跳躍光柵式掃描方式（如圖3-30和圖3-31所示）能有效提高成型精度。圖3-30跳躍長光柵式掃描方式圖3-31跳躍短光柵式掃描方式在對(duì)平板類零件進(jìn)行掃描時(shí)多采用螺旋式掃描方式（如圖3-32和圖3-33所示），且從外向內(nèi)的掃描方式比從內(nèi)向外的掃描方式所生產(chǎn)的零件精度高。圖3-32螺旋長光柵式掃描方式圖3-33螺旋短光柵式掃描方式六、光斑直徑大小對(duì)成型尺寸的影響在光固化成型中，若不采用補(bǔ)償，光斑掃描路徑如圖3-34（a）所示。成型的零件實(shí)體部分外輪廓周邊尺寸大了一個(gè)光斑半徑，而內(nèi)輪廓周邊尺寸小了一個(gè)光斑半徑，結(jié)果導(dǎo)致零件的實(shí)體尺寸大了一個(gè)光斑直徑，使零件出現(xiàn)正偏差。通常情況下，為了減小或消除實(shí)體尺寸的正偏差，采用光斑補(bǔ)償方法，將光斑掃描按照向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個(gè)光斑半徑的路徑掃描，使零件長度尺寸誤差為零，如圖3-34（b）所示。圖3-34光斑尺寸及掃描路徑對(duì)制件輪廓尺寸的影響七、激光功率、掃描速度、掃描間距產(chǎn)生的誤差將材料進(jìn)行“線—面—體”的累積就是一個(gè)簡單的光固化快速成型過程，為了優(yōu)化掃描過程工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描間距），需要對(duì)掃描固化過程進(jìn)行理論分析，進(jìn)而找出各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)掃描過程的影響。3.5.3光固化快速成型的制作效率一、影響制作時(shí)間的因素光固化快速成型零件是由固化層逐層累加形成的，成型所需要的總時(shí)間由掃描固化時(shí)間及輔助時(shí)間組成，可表示為成型過程中，每層零件的輔助時(shí)間tp與固化時(shí)間tci的比值反映了成型設(shè)備的利用率：即當(dāng)實(shí)體體積越小，分層數(shù)越多時(shí)，輔助時(shí)間所占的比例就越大，如制作大尺寸的薄殼零件，此時(shí)成型設(shè)備的利用率就比較低。在這種情況下，減少輔助時(shí)間對(duì)提高成型效率非常有利。二、減少制作時(shí)間的方法針對(duì)成型零件的時(shí)間構(gòu)成，在成型過程中，可以通過改進(jìn)加工工藝、優(yōu)化掃描參數(shù)等方法，減少零件成型時(shí)間等方法來提高加工效率，實(shí)際使用中通常采用以下幾種措施：（1）減少輔助成型時(shí)間輔助時(shí)間與成型方法有關(guān)，一般可通過如下公式表示：tp=tp1+tp2+tp3式中，tp1為工作臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間；tp2為完成樹脂涂覆所需要的時(shí)間；tp3為等待液面平穩(wěn)所需的時(shí)間。可見，減少升降時(shí)間、樹脂涂覆時(shí)間及等待時(shí)間，可以減少成型中的輔助時(shí)間。（2）選擇層數(shù)較小的制作方向零件的層數(shù)對(duì)成型時(shí)間的影響很大，對(duì)于同一個(gè)成型零件，采用不同的制作方向，成型時(shí)間差別較大。在保證質(zhì)量的前提下，用快速成型方法制作零件時(shí)應(yīng)盡量減少制作層數(shù)。對(duì)比不同制造方向時(shí)的成型時(shí)間（如表3-8所示）可以看出，選擇制作層數(shù)較少的制作方向，零件制作時(shí)間會(huì)大大降低。表3-8零件制作時(shí)間的比較零件名稱制作時(shí)間/h（制作層數(shù)多）制作時(shí)間/h（制作層數(shù)少）時(shí)間比/%手機(jī)殼8.633.2737.9滴管14.694.8533.0密碼輸入器6.412.1433.4葉輪4.073.8294.3握桿頭6.836.5796.2三、掃描參數(shù)對(duì)成型效率的影響為了降低零件的總成型時(shí)間，提高成型效率可以減小每一層的掃描時(shí)間，而掃描時(shí)間與掃描速度、掃描間距、掃描方式及分層厚度有關(guān)。其中，掃描方式和分層厚度由工藝決定，無法更改，那么就相當(dāng)于掃描速度及掃描間距將決定每一層的掃描時(shí)間，其中掃描速度決定了單位長度的固化時(shí)間，而掃描間距的大小決定了單位面積上掃描路徑的長短。光敏樹脂固化時(shí)對(duì)紫外光的吸收一般符合Lanbert-Beer規(guī)則，樹脂吸收紫外光引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，這一光化學(xué)反應(yīng)主要由Grottus-Draper和Einstein定律支配，反應(yīng)后樹脂固化，輪廓曲線并非均勻分布而是近似為高斯曲線，其理論輪廓曲線如圖3-35所示。圖3-35樹脂固化截面理論形狀在光束固化平面的過程中，固化面由一系列相鄰的固化線相互黏結(jié)而成。而成型過程中，由于相鄰掃描線之間樹脂固化線的寬度大于掃描間距（通常0.1mm），將不可避免的產(chǎn)生部分重疊，如圖3-36所示。圖3-36相鄰固化線之間的重疊掃描間距的提高縮短了紫外光在固化平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的掃描距離，在不同的掃描間距下，零件的制作時(shí)間大有不同（如表3-9所示），當(dāng)掃描間距提高到0.2mm時(shí)，零件的制作時(shí)間僅為間距為0.1mm時(shí)的52%～62%，成型時(shí)間減少了接近一半；而當(dāng)掃描間距提高到0.3mm時(shí)，制作時(shí)間僅為間距0.1mm時(shí)的40%左右。即在同樣的制作條件下，適當(dāng)提高固化成型中的掃描間距，可以有效減少零件制作時(shí)間，提高制作效率。表3-9零