第二章_光固化快速成型工艺

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1、快速成型与快速模具制造技术及其应用快速成型与快速模具制造技术及其应用 第二章第二章 光固化光固化快速成型工艺快速成型工艺机械工业出版社（第三版）机械工业出版社（第三版） 光固化快速成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文的名称为StereoLithography，简称SL，也有时被简称为SLA（StereoLithography Apparatus），该工艺是由Charles Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA -250以来，SLA已成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成

2、型工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。第二章第二章 光固化成型工艺光固化成型工艺1光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术微光固化快速成型制造技术35第二章第二章 光固化快速成型工艺光固化快速成型工艺图图2-1 光固化快速成型工艺原理第一节第一节 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的

3、基本原理和特点光固化成型工艺的成型过程如图2-1示。液槽中盛满液态光敏树脂，氦镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。v2.1 2.1 光固化成型的基本原理光固化成型的基本原理 因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅

4、速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。图图2-2 光固化成型制造过程中残留的多余树脂光固化成型制造过程中残留的多余树脂图图2-3 吸附式涂层结构吸附式涂层结构 第一节第一节 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点v 2.2 光固化成型技术的特点光固化成型技术的特点 优点：优点：n成型过程自动化程度高 SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。n尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 n优良的表面质量

5、虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。 n可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型n可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型n制作的原型可以一定程度地替代塑料件第一节第一节 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点缺点：缺点：n制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化n较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料n设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高n使用的材料较少 目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料n液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性n需要二次固化 经快

6、速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。 第一节第一节 光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点1光固化快速成型工艺的基本原理和特点光固化快速成型工艺的基本原理和特点2光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备3光固化成型的工艺过程光固化成型的工艺过程4光固化成型的精度及效率光固化成型的精度及效率5微光固化快速成型制造技术微光固化快速成型制造技术35第二章第二章 光固化快速成型工艺光固化快速成型工艺 快速成型材料及设备一直是快速成型技术研究与开发的核心，也是快速成型技术重要组成部分。快速成型材料直接决定着快速成型技术制作的模型的性能及适用性，而快速成型

7、制造设备可以说是相应的快速成型技术方法以及相关材料等研究成果的集中体现，快速成型设备系统的先进程度标志着快速成型技术发展的水平。第二节第二节 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备v 2.2.1 2.2.1 光固化快速成型材料光固化快速成型材料1. 光固化材料优点及分类光固化材料优点及分类 光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点：（1）固化快 可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2）不需要加热 这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3）可配成无溶剂产品 使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部

8、门都力图减少使用溶剂。（4）节省能量。 各种光源的效率都高于烘箱。（5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。（6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。第二节第二节 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备 用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类： (1)自由基光固化树脂自由基光固化树脂 主要有三类：第一类为环氧树脂丙烯酸酯，该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；第二类为聚酯丙烯酸酯，该类材料流平和固化好，性能可调节；

9、第三类材料为聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。稀释剂包括多官能度单体与单官能度单体两类。此外，常规的添加剂还有阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、天然色素等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中保持较长的存放时间。第二节第二节 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备 (2)阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂 主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下： 1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯

10、的固化收缩率为5%7%。 2）产品精度高。 3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。 4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。 5）粘度低。 6）生坯件强度高。 7）产品可以直接用于注塑模具。 第二节第二节 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备 (3)混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂 目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有： 1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计成无收缩的聚合物。 2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供

11、诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。 3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。第二节第二节 光固化快速成型材料及设备光固化快速成型材料及设备2. 光敏树脂的组成及其光固化特性分析光敏树脂的组成及其光固化特性分析 （1 1）光敏树脂）光敏树脂 用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物齐聚物、光引光引发剂发剂、稀释剂稀释剂组成。 齐聚物齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。 光引发剂光引发剂是激发光敏树脂交联