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基于光固化法的嵌套器件的工艺研究合山

合山
2022年10月21日

基于光固化法的嵌套器件的工艺研究

基于光固化法的嵌套器件的工艺研究 2011： 1 前言快速成型制造技术是80年代末期才发展起来的一种基于离散/堆积思想的成型技术。它可以实现从三维模型到实体的直接制作，而不需要任何工装，大大的缩短了产品的研发周期。该技术已广泛应用于产品设计评估、功能测试及快速模具制造等领域。特别是对于多层嵌套器件的制作，用常规加工方法难以实现整体一次成型，而快速成型工艺占有绝对优势。本试验研究的嵌套件里外共三层，底面带有“HIT”字样，所用设备为西安交通大学先进制造技术研究所研制的LPS250A型激光快速成型（光固化）机。2 三维造型及实体制作激光快速成型机所能识别的是STL（三角面片）文件格式，它由一系列的小三角形平面来逼近模型自由曲面，对三维实体进行几何近似，见图1，大多三维设计软件都支持这种格式文件的输出。三角形的大小是可以选择的，从而能得到不同的曲面近似精度。实物如图2。

3 添加支撑结构的研究由于工件的各截面轮廓是在液态树脂中逐层固化成型的，为避免铲碎和层间漂移，设计必要的支撑结构来托起工件很关键。通过分析总结嵌套件的制作试验，设计和添加支撑可遵循如下技巧和原则：（1）在设计过程中充分考虑到工件结构对加工过程的影响，尽可能的优化设计。如大平面加工容易发生坍塌、翘曲变形和铲碎，而“立式”加工又会延长加工时间，故须综合考虑。（2）务必使支撑与试件相连，并从实体内开始生长。注意摆放方向和倾斜角度，使工件与工作台接触尽量少，窄边着地，以便铲断。此时，为稳固工件，一般可在其总层数的1/3处添加稳定支撑。（3）成型过程中，随着工件的逐层累积，注意成型件重心的变化也很重要，支撑应随重心的变化而变化。（4）由于支撑的扫描速度慢，固化时间长，为提高成型效率，可尽量减少和简化支撑，降低高度（减少层数）。例如本嵌套件，为了减少支撑高度和层数，造型时可将中间球体向下略偏心一小段距离（1.5mm）。（5）根据需要可使用宽度各异的支撑扫描线，较低支撑用一条扫描线即可，较高支撑可使用2 -3条扫描线，以提高强度。而对于较长的支撑线，可在垂直方向上添加一些短支撑。（6）由于支撑会影响表面成型质量，成型件的光洁面尽量不加支撑。对于本嵌套件，带字底面朝上放置可避免支撑。此外，为提高外球的表面质量，也可将支撑添加在外球与中球之间，让支撑从外球体内开始生长，以避免长在外表面上。4 提高面型精度的措施从嵌套件的成形表面来看，其上表面较光滑，但侧面有较明显的台阶，相对较粗糙，这是由于：激光器发出的激光束光斑呈圆形，光强正态分布，单条扫描线树脂固化呈抛物线形，当光线沿轮廓逐层扫描时，轮廓层的理想侧面形貌和实际表面之间的差异便会累加，导致相邻层之间产生台阶效应，如图3。

上图中，由于轮廓层厚t很小，可假设其实际侧面为竖直面，即a=0度，此时有：

当r=0度时，即理想表面为竖直面时，h=0，台阶高度最小；当r趋于+ -90度时，H趋于最大，这表明，夹角r直接影响了台阶效应明显与否，这与本实验的嵌套件实际成型情况是一致的。本嵌套件的外表面为球状，r先从大角度逐渐减小，在水平直径处减为0，再逐渐增大。嵌套件的表面粗糙度与上述变化趋势相符。台阶效应是基于堆积法成型的固有缺陷，以下措施可提高面型精度：（1）减小层厚。增加分层数目，减小层厚t，可以提高模型离散的分辨率，但是层数的增加势必导致制作效率的显著降低，使“快”速成型变成“慢”速成型。为提高成型效率，可采用分区变层厚固化工艺。先将CAD模型分为轮廓区和实体区，轮廓区采用小层厚扫描固化，而实体区采用大层厚扫描，这样既可获得较高的面型精度，又能保证制作效率。（2）减小模型表面与堆积方向的角度r。该法实际操作比较困难，对于由多个表面构成的复杂模型，要减小角度，难以兼顾，况且优化制作的方向需要综合考虑制作的效率、支撑的结构与方式，不能只考虑精度，须综合考虑。对于本嵌套件，可将套件座底朝上，一方面减小接触面积，另一方面可使带字的座底表面光滑。（3）表面喷涂。该法就像表面喷漆一样，在零件制作完成后，去除支撑、清洗，然后在零件表面上喷上一层液态树脂，台阶和一些凹坑被液态树脂填充，再放进后固化装置中进行固化，可明显提高面型精度。（4）支撑结构。由于支撑结构是长在工件实体内的，去除支撑后会在实体表面留下痕迹，大大地降低表面的精度（嵌套件表面留有支撑结构的痕迹），故光洁面尽量不要有支撑（在多数情况下，悬伸的下表面不可避免地需添加支撑结构）。因此，合理设计和减少支撑结构，可提高面型精度。（5）减小扫描线间距由于单条树脂固化形状呈抛物线，因此，减小扫描线的间距，采用编织或网状的扫描方式能够改善下表面的粗糙度。（6）连续填充扫描。由于填充扫描往往不是从一侧连续完成的，则在扫描线的对接处由于树脂的收缩会造成微量的凸起，这种现象在本嵌套件的座底面比较明显。由此可见，在扫描最后一层时，若采用从一侧连续完成，可使表面精度更高。（7）刮板刮平。嵌套件的最上表面是通过激光束扫描树脂液面直接形成的，因此，液面的平整性直接影响零件的面型精度。当树脂黏度小，流动性较好并辅以涂层系统的刮平，上表面的精度可以达到很高，其粗糙度值是所有表面中最小的。此外,由于工作台的上下移动，树脂液面上往往有气泡，若不采用刮板刮平，气泡容易漂移到成型区，引起成型件实体内“夹泡”。本次试验由于未采用刮板，嵌套件实体内有“夹泡”现象发生。（8）后处理。在实体成型完成及去除支撑后，通过修补、打磨、抛光、后固化等方式也可获得一个表面质量较好的零件。5 避免漂移的措施在光固化成型过程中，由于工艺参数设置不当或支撑设计不合理等原因，常常会出现层间粘结不牢而发生漂移现象。以下措施可以有效避免层间漂移：（1）合理设计支撑结构。当工件有悬臂结构时，须设计支撑，如图4所示。若不添加支撑A，则虚线以下部分将很容易出现整个悬臂的漂移。

（2）减小层厚。因为激光固化树脂的厚度是有限制的，如果层厚太大，而固化深度不够，势必造成前后成型层面不能粘结在一起，引起层间漂移。但是层厚太小会产生过烧现象，即部分树脂被激光多次照射固化而烧焦。（3）升降台零点位置。成型第一层时，将升降台设置为比液态树脂面稍高0.5mm的状态，让支撑结构牢牢的固化在工作台上。（4）扫描速度。激光器的功率是有限制的，如果光点移动速度太快，树脂还来不及固化或固化深度不够，这样层与层之间就激光扫描速度不要设得太高。6 结语（1）嵌套件的光固化成型试验表明，合理设计支撑结构，并人为提升工作台零点位置，能有效避免固化层间漂移。（2）采用上述几种提高面型精度的方法，能显著提高成型件的表面质量。（3）针对试验中出现的一些问题，提出的解决措施是可行的，为光固化的成型工艺提供了依据。(end)