基于光固化成型技术的实体表面防变形方法分析论文

基于光固化成型技术的实体表面防变形方法分析论文

　　引言

　　3D打印技术属于机械工程学科特种加工工艺的范畴，它集成了CAD/CAM技术、计算机数控技术、激光技术、精密伺服驱动技术和新材料技术等现代科技成果，是一项多学科交叉、多技术集成的先进制造技术。它从成型原理上提出一个全新的思维模式，即将计算机上制作的零件三维模型，表面三角化处理，存储成STL文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，山喷头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序肴加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成打印实体。

　　其主要包括立体光固化成型技术(Stereo lithographyAppearance:SLA，本文主要研究此种成型防变形方法)、迭层实体制造(Laminated Object Manufacture : LOM)、选择性激光烧结(Seleeled Laser Sintering: SLS)、形状沉积制造(Shape Deposition Manufacturing: SDM)等;基于喷射的成型技术，如:熔融沉积制造(Fused DepositionModeling: FD呱、三维打印制造(Three DimensionalPrinting: 3DP)等。

　　与传统模型制造加工相比，3D打印具有以下优点:产品制造周期短、制造流程简单、可实现个性化制造、制造材料的多样性、可完成一些相对复杂的零件等，弥补了传统加工工艺的不足。

　　基于3D打印技术的以上优点，诸多学者对其进行了广泛关注，并取得了许多研究成果。其中南京理工大学合成了一种感680nm红光的可见光引发剂，并研究了树脂各组分对树脂固化前后几个主要性能，即茹度、表固速度，体积收缩率的影响。

　　湖北工学院的吴幼军等针对532钊叮绿光激光器找到了一种固化良好的光固化体系，并对树脂组分进行优化，从而改进树脂性能。陈绪兵等9介绍了CAD模型的直接切片在快速成型系统中的应用情况，这种算法具有降低数据前处理时间，避免SLA文件检查与纠错，降低模型文件的规模等优点。上海交通大学周满元’。在研究了平面与基本曲线，曲面和参数曲线，曲面的求交算法后，提出了快速成型中基于STEP的CAD模型直接分层算法，避免了STL中间文件的转换，分层后得到层片的精确轮廓表不，并具有通用性好的优点。

　　本文基于VisiJe} Crystal(液态光敏树脂)实体材料，通过对三维模型抽壳方式达到增加支撑材料用量密度、减小层间分层面积接触，从而减小层间应力，进而减小打印实体的线性收缩。本文对该方法进行了实验验证、对比分析，实验表明该方法可有效防比打印实体变形。

　　1.SLA的工作原理

　　SLA所用打印材料为液态光敏树脂和石蜡。液态光敏树脂构成打印模型的实体部分;石蜡作为支撑材料用于三维模型中空部分的填充及悬空部位的支撑，保证打印实体肴加的精确性。

　　SLA的工作原理:用激光或紫外光聚焦到实体材料的表面，这样将材料按照一定的顺序进行固化，完成当前层面的“固化”后再控制垂直方向移动一个设置好的高度再重复相同的操作来固化下一个层面，这样层层固化肴加最终就能得到三维实体。

　　2.SLA防变形方案对比分析

　　在大量打印实验中发现，山未经处理的CAD模型打印而成的实体，其表面会发生严重的变形。 光固化打印误差主要山三方面引起:

　　1)数据处理精度引起的变形。在对三维模型进行分层处理前，需要对模型进行三角面片面化处理，即用若干三角形逼近实际模型的轮廓信息。在此过程中，往往会造成分层方向上的尺寸误差，同时会丢失内外表面的轮廓信息。此种山于打印原理引起的误差，很难对其进行优化处理。

　　2)打印机误差引起的变形。机器误差是导致打印实体变形的原始误差，其主要山Z轴方向上的层厚精度、激光或紫外光系统扫描精度及升降台中导轨、丝杠的运动精度影响。此种山制造商制造引起的原始误差，作为用户，很难对其优化。

　　3)成型材料固化过程引起的变形。SLA所打印出的实体的固化变形时绝对的，是不可以避免的，但是变形的大小是可以控制的。成型材料在固化过程中，其山液态到固态的变化不仅发生物理变化，同时也发生了化学变化，本文只着眼于固化过程中的物理变化。在固化过程中树脂的收缩会产生层间内应力，它是实体发生线性变形的根本原因。同时在固化过程中反应的热量在已固化实体中不断积聚使固化部分产生的变形。

　　本文采用对三维模型抽壳的方式达到大幅增加支撑材料体积来对实体材料进行支撑、抑制其形变;同时，抽壳会减小不同分层层面间的接触面积，可有效减小层间应力，进而减小线性收缩引起的线性变形;而且，山于打印实体具有壁厚，其模型固化过程进行较为彻底，无需进行二次固化，避免了分层层面间的二次应力引起的变形，是可行性较高的方案。

　　3.实验验证

　　选取某工艺品类小猪模型，包容外形尺寸(长x宽x高41 mmx57 mmx51 mm，所用设备为3DSYSTEMS公司的立体光固化打印机Projet 3500-HDPLUS，实体材料为液态光敏树脂CVisJet Crys}aD，支撑材料为石蜡(VisJe} S300)。

　　实验过程中选取了一系列不同抽壳厚度的模型，并逐一进行打印，将打印后的实体与原始CAD模型各项尺寸、内外轮廓信息进行对比。实验发现，抽壳后打印出的实体，其各项尺寸及轮廓信息要远远优于未抽壳的，且十分接近CAD模型的各项参数。

　　4.结论

　　本文采用对三维模型抽壳的方法达到大幅增加支撑材料密度来对实体材料进行支撑;减小不同分层层面间的接触面积，进而有效减小层间应力，从而抑制线性收缩引起的线性变形;而且模型固化过程进行较为彻底，二次固化引起变形的儿率小，避免了分层层面间的二次应力导致的变形，达到了实验要求。

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