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基于光固化成型技術(shù)的實體表面防變形方法分析論文
引言
3D打印技術(shù)屬于機械工程學(xué)科特種加工工藝的范疇，它集成了CAD/CAM技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)和新材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是一項多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的先進制造技術(shù)。它從成型原理上提出一個全新的思維模式，即將計算機上制作的零件三維模型，表面三角化處理，存儲成STL文件格式，對其進行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動生成加工路徑，山噴頭在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化或切割一層的成型材料，形成各個截面輪廓薄片，并逐步順序肴加成三維實體，然后進行實體的后處理，形成打印實體。
其主要包括立體光固化成型技術(shù)(Stereo lithographyAppearance:SLA，本文主要研究此種成型防變形方法)、迭層實體制造(Laminated Object Manufacture : LOM)、選擇性激光燒結(jié)(Seleeled Laser Sintering: SLS)、形狀沉積制造(Shape Deposition Manufacturing: SDM)等;基于噴射的成型技術(shù)，如:熔融沉積制造(Fused DepositionModeling: FD呱、三維打印制造(Three DimensionalPrinting: 3DP)等。
與傳統(tǒng)模型制造加工相比，3D打印具有以下優(yōu)點:產(chǎn)品制造周期短、制造流程簡單、可實現(xiàn)個性化制造、制造材料的多樣性、可完成一些相對復(fù)雜的零件等，彌補了傳統(tǒng)加工工藝的不足。
基于3D打印技術(shù)的以上優(yōu)點，諸多學(xué)者對其進行了廣泛關(guān)注，并取得了許多研究成果。其中南京理工大學(xué)合成了一種感680nm紅光的可見光引發(fā)劑，并研究了樹脂各組分對樹脂固化前后幾個主要性能，即茹度、表固速度，體積收縮率的影響。
湖北工學(xué)院的吳幼軍等針對532釗叮綠光激光器找到了一種固化良好的光固化體系，并對樹脂組分進行優(yōu)化，從而改進樹脂性能。陳緒兵等9介紹了CAD模型的直接切片在快速成型系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，這種算法具有降低數(shù)據(jù)前處理時間，避免SLA文件檢查與糾錯，降低模型文件的規(guī)模等優(yōu)點。上海交通大學(xué)周滿元’。在研究了平面與基本曲線，曲面和參數(shù)曲線，曲面的求交算法后，提出了快速成型中基于STEP的CAD模型直接分層算法，避免了STL中間文件的轉(zhuǎn)換，分層后得到層片的精確輪廓表不，并具有通用性好的優(yōu)點。
本文基于VisiJe} Crystal(液態(tài)光敏樹脂)實體材料，通過對三維模型抽殼方式達到增加支撐材料用量密度、減小層間分層面積接觸，從而減小層間應(yīng)力，進而減小打印實體的線性收縮。本文對該方法進行了實驗驗證、對比分析，實驗表明該方法可有效防比打印實體變形。
1.SLA的工作原理
SLA所用打印材料為液態(tài)光敏樹脂和石蠟。液態(tài)光敏樹脂構(gòu)成打印模型的實體部分;石蠟作為支撐材料用于三維模型中空部分的填充及懸空部位的支撐，保證打印實體肴加的精確性。
SLA的工作原理:用激光或紫外光聚焦到實體材料的表面，這樣將材料按照一定的順序進行固化，完成當(dāng)前層面的“固化”后再控制垂直方向移動一個設(shè)置好的高度再重復(fù)相同的操作來固化下一個層面，這樣層層固化肴加最終就能得到三維實體。
2.SLA防變形方案對比分析
在大量打印實驗中發(fā)現(xiàn)，山未經(jīng)處理的CAD模型打印而成的實體，其表面會發(fā)生嚴重的變形。 光固化打印誤差主要山三方面引起:
1)數(shù)據(jù)處理精度引起的變形。在對三維模型進行分層處理前，需要對模型進行三角面片面化處理，即用若干三角形逼近實際模型的輪廓信息。在此過程中，往往會造成分層方向上的尺寸誤差，同時會丟失內(nèi)外表面的輪廓信息。此種山于打印原理引起的誤差，很難對其進行優(yōu)化處理。
2)打印機誤差引起的變形。機器誤差是導(dǎo)致打印實體變形的原始誤差，其主要山Z軸方向上的層厚精度、激光或紫外光系統(tǒng)掃描精度及升降臺中導(dǎo)軌、絲杠的運動精度影響。此種山制造商制造引起的原始誤差，作為用戶，很難對其優(yōu)化。
3)成型材料固化過程引起的變形。SLA所打印出的實體的固化變形時絕對的，是不可以避免的，但是變形的大小是可以控制的。成型材料在固化過程中，其山液態(tài)到固態(tài)的變化不僅發(fā)生物理變化，同時也發(fā)生了化學(xué)變化，本文只著眼于固化過程中的物理變化。在固化過程中樹脂的收縮會產(chǎn)生層間內(nèi)應(yīng)力，它是實體發(fā)生線性變形的根本原因。同時在固化過程中反應(yīng)的熱量在已固化實體中不斷積聚使固化部分產(chǎn)生的變形。
本文采用對三維模型抽殼的方式達到大幅增加支撐材料體積來對實體材料進行支撐、抑制其形變;同時，抽殼會減小不同分層層面間的接觸面積，可有效減小層間應(yīng)力，進而減小線性收縮引起的線性變形;而且，山于打印實體具有壁厚，其模型固化過程進行較為徹底，無需進行二次固化，避免了分層層面間的二次應(yīng)力引起的變形，是可行性較高的方案。
3.實驗驗證
選取某工藝品類小豬模型，包容外形尺寸(長x寬x高41 mmx57 mmx51 mm，所用設(shè)備為3DSYSTEMS公司的立體光固化打印機Projet 3500-HDPLUS，實體材料為液態(tài)光敏樹脂CVisJet Crys}aD，支撐材料為石蠟(VisJe} S300)。
實驗過程中選取了一系列不同抽殼厚度的模型，并逐一進行打印，將打印后的實體與原始CAD模型各項尺寸、內(nèi)外輪廓信息進行對比。實驗發(fā)現(xiàn)，抽殼后打印出的實體，其各項尺寸及輪廓信息要遠遠優(yōu)于未抽殼的，且十分接近CAD模型的各項參數(shù)。
4.結(jié)論
本文采用對三維模型抽殼的方法達到大幅增加支撐材料密度來對實體材料進行支撐;減小不同分層層面間的接觸面積，進而有效減小層間應(yīng)力，從而抑制線性收縮引起的線性變形;而且模型固化過程進行較為徹底，二次固化引起變形的兒率小，避免了分層層面間的二次應(yīng)力導(dǎo)致的變形，達到了實驗要求。
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