液态树脂光固化成形

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1、 天津科技大学 Tianjin University of Science layers accumulate over several hours until the object is formed The elevator rises; and like Excaliburs sword, the object appears from the honey! Curing and hand finishing are finally needed. 天津科技大学 Tianjin University of Science T. Chartier: SPCTS, UMR CNRS 6638

2、, ENSCI; C. Chaput: Cerampilot, Parc dEster Technopole; C. Delage: Cerampilot, Parc dEster Technopole 2007 Christophe Chaput; Lizenznehmer RTejournal, weitere Informationen sind zu finden unter: http:/www.dipp.nrw.de/service/dppl/ urn:nbn:de:0009-2-11635 天津科技大学 Tianjin University of Science & Techno

3、logy Ceramic stereolithography involved polymerization of a UV-curable system consisting of a suspension of ceramic particles in a photopolymer. Therefore, this technique is still limited to ceramic materials not absorbing in the UV range and presenting a weak variation of refractive index with the

4、photosensitive organic matrix. Indeed, the introduction of small (1m) ceramic particles in a curable monomer increases a level of complexity in comparison to the classical fabrication of pure polymeric materials. The main difficulty is due to the scattering phenomena, which first reduce the cure dep

5、th and then increase the processing time and secondly decrease the dimensional resolution. 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology Synoptic of the stereolithography ceramic part process. Example of alumina ceramic holders. Synoptic adj.概 要 的 , 气 天 气 的 , 宗 对 观 福 音 书 的 天津科技大学 Tianjin Univers

6、ity of Science & Technology Synoptic of the stereolithography ceramic part process. Example of human facial implant 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology Connectors (sintered alumina) Deep

7、 hole boring head mold (sintered alumina) Extruder die (sintered alumina) Mold (green alumina) Watchcases (sintered zirconia) 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology Part of perforation (sintered alumina) Capillary (sintered zirconia) Porous structures Core for laser characterisation (sint

8、ered zirconia) SL材 料 的 应 用 现 状q SLA技 术 的 常 用 原 材 料 为 液 体 热 固 性 光 敏 树 脂 ， 树 脂 种 类 的 多 样化 是 研 究 的 问 题 之 一 。 大 多 数 树 脂 从 液 态 变 成 固 态 会 发 生 收 缩 ，其 结 果 是 引 起 内 部 残 余 应 力 并 发 生 应 变 变 形 ， 为 此 应 研 制 具 有 较小 收 缩 率 的 树 脂 材 料 。q 如 何 降 低 光 敏 树 脂 的 成 本 也 是 突 出 的 问 题 ， 目 前 ， 材 料 的 价 格 昂贵 ， 达 到 每 千 克 几 百 美 元 。q 激 光

9、 诱 导 光 敏 树 脂 聚 合 过 程 的 机 理 研 究 是 提 高 快 速 成 型 精 度 和 聚合 材 料 性 能 的 必 要 步 骤 。 目 前 其 硬 化 的 机 理 还 不 十 分 清 楚 ， 这 是因 为 材 料 特 性 如 光 学 特 性 、 化 学 特 性 和 力 学 特 性 的 相 互 作 用 ， 使过 程 现 象 复 杂 化 。 美 国 3D System公 司 SLA-3500和 SIA-5000使 用 半 导 体 激 励 的 固体 激 光 器 ， 扫 描 速 度 分 别 达 到 2.54 m/s和 5 m/s， 成 型 层 厚 最 小可 达 0.05 mm， SLA

10、-7000成 型 层 厚 最 小 可 达 0.025mm， 扫 描 速度 可 达 9.52 m/s， 成 型 空 间 可 达 508 mm 508 mm 600 mm，成 型 质 量 更 好 ， 成 型 速 度 更 快 ， 同 时 有 效 地 减 少 后 续 处 理 时 间 。 该 公 司 还 采 用 了 一 种 称 之 为 Zephyer Recoating System的 新 技 术 ，即 在 每 一 成 型 层 上 ， 用 一 种 真 空 吸 附 式 刮 板 在 该 层 上 涂 一 层0.05 0.1 mm的 待 固 化 树 脂 ， 使 成 型 时 间 平 均 缩 短 了 20 。研 究

11、 新 进 展 与 面 临 的 问 题 新 型 光 敏 树 脂 日 本 方 面 打 破 了 SLA技 术 使 用 紫 外 光 源 的 常 规 ， 在 日本 化 药 公 司 开 发 新 型 光 敏 树 脂 的 协 作 下 ， 由 Denken Engineering公 司 和 AUTOSTRADE公 司 率 先 使 用680nm左 右 波 长 的 半 导 体 激 光 器 作 为 光 源 ， 大 大 降低 了 SLA设 备 的 价 格 。 特 别 是 AUTOSTRADE公 司 的EDARTS机 型 ， 采 用 一 种 光 源 从 下 部 隔 着 一 层 玻 璃 往上 照 射 的 约 束 液 面 型

12、 结 构 ， 使 得 该 设 备 价 格 降 到 了 约人 民 币 22万 元 左 右 。 西 安 交 通 大 学 国 内 的 西 安 交 通 大 学 推 出 了 LPS、 SPS和 CPS系 列 SLA成 型 机 和相 应 的 光 敏 树 脂 ， SPS的 扫 描 速 度 最 大 可 达 7m/s、 最 大 成 型 空间 可 达 600mm 600 mm 500 mm。 采 用 了 矢 量 扫 描 路 径 优 化 方 法 ， 降 低 了 成 本 ； 采 用 的 YLSF成 型 工艺 ， 大 大 减 小 了 翘 曲 等 变 形 误 差 ， 提 高 了 原 型 件 制 作 质 量 。CPS成 型

13、 机 采 用 了 紫 外 灯 作 为 成 型 光 源 ， 设 备 价 格 低 ， 运 行 费 用也 极 低 (只 有 LPS机 型 的 l/5) ， 是 一 种 经 济 型 设 备 西 安 交 通 大 学 在 1996年 提 出 了 一 种 高 效 低 成 本 的 光 同 化 快 速 成型 方 法 。 以 紫 外 灯 为 廉 价 的 光 源 ， 利 用 一 簇 光 纤 将 光 引 到 扫 描 光条 上 。 存 在 问 题 价 格 和 使 用 费 用 方 面 使 用 立 体 印 刷 成 型 系 统 最 大 的 问 题 是 研究 和 开 发 费 用 高 昂 ， 这 严 重 阻 碍 了 该 技 术

14、的 推 广 应 用 。 一 般国 外 一 套 成 型 系 统 的 价 格 为 30 80万 美 元 。 激 光 器 使 用 到2000h必 须 更 换 激 光 管 ， 更 换 费 用 很 高 ， 氦 -镉 激 光 器 2万 美 元 ，氩 离 子 激 光 器 为 4万 美 元 。 系 统 运 行 费 用 也 较 高 ， 约 70美 元 /h 。即 使 是 国 产 的 同 类 成 型 机 价 格 也 在 l00万 元 人 民 币 以 上 ， 设 备的 运 行 费 用 也 在 200元 h以 上 。 另 外 ， 进 口 的 光 敏 树 脂 材 料 约 100 200美 元 /kg。 因 此 ， 价

15、格问 题 显 得 非 常 突 出 ， 降 低 立 体 印 刷 成 型 系 统 的 整 机 售 价 、 运行 成 本 、 材 料 成 本 等 是 其 有 待 解 决 的 问 题 。 材 料 方 面 存 在 问 题 液 态 光 敏 聚 合 物 固 化 后 的 性 能 尚 不 如 常 用 的工 业 塑 料 ， 一 般 较 脆 ， 易 断 裂 ， 不 便 进 行 切 削 加工 ， 工 作 温 度 通 常 不 能 超 过 l00 。 许 多 还 会 被湿 气 侵 蚀 ， 导 致 工 件 膨 胀 ， 抗 化 学 腐 蚀 的 能 力 不够 好 。 固 化 过 程 中 会 产 生 刺 激 性 气 体 ， 有

16、污 染 ，因 此 机 器 运 行 时 成 型 腔 室 部 分 应 密 闭 。 数 据 处 理 与 工 艺 原 理 研 究 存 在 问 题 CAD模 型 对 立 体 印 刷 成 型 技 术 有 重 要 影响 ， 进 一 步 完 善 CAD系 统 的 造 型 功 能 ， 更 加精 确 地 表 示 数 据 模 型 是 提 高 制 造 精 度 的 有 效途 径 。 同 时 ， 应 继 续 研 究 针 对 CAD模 型 直 接分 层 以 及 针 对 STL模 型 分 层 的 各 种 优 化 方 法 ，获 得 精 确 的 截 面 轮 廓 ， 以 及 截 面 轮 廓 的 填 充扫 描 方 式 优 化 等 。

17、 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 快速成型方法 SGCSolid Ground Curing 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 曝光方式 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 固 体 基 础 的 硬 化 原 理 固 化 过 程 :通 过 遮 光 罩 (灯 光 遮 光 罩 )的 高 能 紫 外 线 灯 来 实 现 层 片 几何 数 据 的 复 制 和 曝 光 。 产 生 遮 光 罩 的 过 程 是 立

18、体 印 刷 过 程 的 一 个附 加 过 程 。 模 型 的 生 成 不 需 要 任 何 支 撑 结 构 ， 并 且 在 构 造 室 内 模 型 还 可 以 移动 到 其 他 模 型 之 上 ， 因 此 机 器 拥 有 非 常 高 的 生 产 率 。 更 重 要 的 是 模 型 在 z方 向 尺 寸 非 常 精 确 ， 因 为 每 次 曝 光 过 程 之 后 每层 都 会 被 研 磨 平 整 。 模 型 之 外 的 区 域 充 满 了 蜡 ， 在 成 型 机 外 进 行 后 处 理 时 这 些 蜡 必 须去 除 。 数 据 格 式 软 件 机 器 可 以 接 受 STL格 式 文 件 ， 即

19、使 数 据 存 在 一 些 误 差 时 ，对 于 制 造 过 程 影 响 也 不 大 。 Cubital公 司 软 件 特 别 的 地 方在 于 其 对 数 据 容 错 能 力 。 软 件 系 统 的 核 心 技 术 是 一 种 可 缩 小 STL文 件 数 据 体 积 的 算法 。 一 方 面 系 统 通 过 去 除 三 角 形 网 格 之 间 的 结 合 边 界 ， 将同 一 平 面 上 相 邻 的 三 角 形 合 并 到 一 起 ； 另 外 一 方 面 ， 不 同 平 面 之 间 夹 角 在 临 界 角 度 范 围 内 的 三 角形 也 被 放 置 到 一 个 平 面 内 ， 相 邻 三

20、 角 形 夹 角 角 度 的 临 界 范围 从 0度 增 大 到 O.05度 ， 这 就 使 得 数 据 数 量 喊 少 了 1 3以上 。 遮 光 罩 的 生 成 通 过 类 似 于 Xerox复 印 的 技 术 ， 将 轮 廓 数 据 通 过 静 电电 荷 传 到 一 个 玻 璃 平 面 上 ， 实 现 “ 显 影 ” 过 程 。 调 色剂 粘 到 有 静 电 电 荷 作 用 的 区 域 内 形 成 部 分 区 域 透 明 的玻 璃 板 ， 除 了 轮 廓 数 据 转 印 的 区 域 之 外 ， 其 他 部 分 都保 持 透 明 。 层 片 的 生 成 通 过 玻 璃 遮 光 罩 ， 紫

21、外 光 照 射 树 脂 产 生 聚 合 ， 得 到 结构 固 化 模 型 。 模 型 周 围 没 曝 光 的 部 分 物 料 保 持 液 态 。 液 态 单 体 被 尽 可 能 地 完 全 吸 走 。 然 后 整 个 模 型 被 一 层液 体 蜡 包 裹 起 来 。 在 液 态 单 体 被 移 走 的 地 方 ， 完 全 充满 了 蜡 。 熔 融 状 态 的 蜡 在 使 用 后 冷 却 凝 固 ， 以 便 对 模 型 表 面 进行 修 整 。 通 过 有 源 再 涂 覆 系 统 产 生 了 新 的 一 层 树 脂 ，重 复 。 后 处 理 成 型 过 程 完 成 以 后 ， 必 须 将 模 型

22、 上 的 蜡 清 除 或融 化 ， 或 者 在 柠 檬 酸 中 清 洗 ， 这 一 过 程 是 在 被称 为 “ 脱 蜡 器 ” 的 特 殊 装 置 中 完 成 的 ； 单 体 不 可 能 完 全 清 除 ， 蜡 实 际 上 是 蜡 单 体 互熔 的 混 合 物 ， 脱 蜡 以 后 还 需 将 混 合 物 清 除 。 优 势 该 原 型 机 不 用 设 计 支 撑 。 机 器 内 可 以 用 任 意 数量 模 型 相 互 贯 穿 ， 可 以 单 独 生 产 在 模 型 生 成 过程 中 暂 时 与 其 他 部 分 没 有 相 互 连 接 的 模 型 制 品(岛 )。 它 们 既 不 需 要 支

23、 撑 也 不 用 基 座 ， 由 于 蜡的 存 在 保 证 了 它 们 的 准 确 位 置 ， 直 到 它 们 与 模型 的 其 他 部 分 连 接 到 一 起 。 机 器 最 大 的 一 个 优 势 在 于 可 同 时 产 生 多 个 模 型(最 多 10个 ， 根 据 它 们 的 尺 寸 决 定 )， SGC 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology The SGC 5600, Cubitals Rapid Prototyping S

24、ystem. 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology Cubital 3D Systems (first RP System)Process Trade Name Solider StereolithographyCost $360,000 SLA 250: $185,000Work envelope 20” X 14” X 20” Up to 20” X 20” X 23”Process Resin cured by UV light transmitted through mask Resin cured by laser usi

25、ng weave technique and poscuredAdvantages Large work envelope, can build several parts at once, uses wax to support for prototypingComparison of Processes 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 3D Systems, SLA 500 Cubical Soldier 5600 DTM Sinter Station 2000Time 7 hrs and 3 minutes 11 hrs

26、 and 21 minutes 4 hrs and 55 minutesCost $ 145.80 $ 378.09 $ 175.483D Systems SLA 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 快速成型方法 SLPSolid laser-diode plotter 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Sci

27、ence & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 其他相关快速成型方法简介 微 型 桌 面 制 造 系 统 日 本 已 研 制 出 一 种 基 于 SLA工 艺 的 微 型 桌 面 制 造 系 统(Desktop Micro Fabrication)和 特 殊 的 光 固 化 树 脂材 料 。 用 光 斑 尺 寸 5 m的 紫 外 光 取 代 激 光 光 源 ， 制 成了 多 种 微 型 零 件 的 原 型 。 其 中 有 一 种 微 型 弹 簧 直 径 仅50 m， 长 250 m。 另 一 种 管 状 单

28、 向 阀 ， 其 内 径 80 m，定 位 精 度 在 x、 y方 向 为 0.25 m， z方 向 为 1 m， 最 小成 型 单 元 尺 寸 仅 为 5 m 5 m 3 m。 将 液 体 从 其 一端 出 口 处 注 入 时 ， 管 内 的 阀 心 能 自 动 关 闭 。 微 立 体 光 刻 MicroTEC RMPD(快 速 微 制 品 开 发 ) Micro TEC GmbH， Duisburg， 德 国 R Gotzen 1996年 在 德 国 杜 伊 斯 堡 建 立 了 Micro TEC公 司 。 主 要 生 产 周 期 短 、 产 量 大 的 微 观 系 统 和 微 小 结 构

29、 制 品 。 通 过 扫 描 和 多 重 遮 光 罩 工 艺 实 现 各 种 精 度 要 求 。 多 重 遮 光 罩的 应 用 ， 生 产 制 件 的 批 量 没 有 限 制 。 原 理 可 逐 点 工 作 ， 也 可 以 使 用 遮 光 罩 。 工 作 原 理 与 激光 立 体 光 刻 技 术 相 同 。 制 品 可 以 是 “ 单 独 站 立 ” ，也 可 粘 在 底 层 上 生 产 。 最 大 尺 寸 可 为 50mmX 50mmX 50mm(大 约 为 2X 2 2in)， 能 够 达 到 小 于 10微 米 的 精 度 。 对 于 小 型 功 能 性 微 系 统 的 产 品 ， 可

30、以 在 加 工 过 程中 镶 嵌 入 一 些 零 件 ， 如 宝 石 轴 、 承 、 轴 等 ， 或 添加 不 同 的 材 料 。 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 材 料 成 型 时 间 精 度 材 料 可 使 用 丙 烯 酸 酯 和 环 氧 树 脂 。加 工 高 约 为 900微 米 ， 有 三 个 直 径 为300微 米 接

31、口 ， 且 壁 厚 为 100微 米 左右 的 分 叉 形 状 的 管 子 (微 混 合 器 )，需 要 时 间 为 4h， 平 均 层 片 厚 度 大 约为 10微 米 。 对 于 层 厚 的 清 晰 度 可 以 小 于 1微 米 ，在 xy方 向 上 可 以 小 于 10微 米 。 我 们 可 以 通 过 使 表 面 金 属 化 或 者 覆盖 宝 石 涂 层 以 加 强 制 品 表 面 性 能 。 立 体 光 刻 成 型 Envision Technologies 机 器 首 次 露 面 是 在2001年 欧 洲 模 具 展 览会 上 ， 公 司 为 客 户 试验 运 行 程 序 。 从

32、投 资 和 备 件 成 本 方面 来 说 ， 将 机 器 设 计成 为 一 个 低 成 本 的 系统 。 立 体 光 刻 成 型 原 理 利 用 立 体 光 刻 成 型 工 艺 原 理 将 制 品 倒 置 进 行 工 作 。 桶 状 机 身 底 部 包 含 一 个 DLP(数 字 光 照 成 型 技 术 Hewlte Packard数 字 微 反 光 镜 装 置 DMD)， 它 能 够 直 接 将 每 一 个 横 断 面 信 息 发 射 到 上 面的 构 造 区 域 内 。 成 型 空 间 和 物 料 罐 主 要 由 一 个 顶 部 开 放 安 装 在 机 身 上的 玻 璃 装 置 构 成 ，

33、 在 物 料 罐 底 层 的 玻 璃 平 面 上 确 定 层 片 表 面 形 状 。DLP发 射 出 来 的 光 线 使 每 一 层 信 息 在 玻 璃 表 面 立 即 成 型 。 上 下 倒 置 的 升 降 台 将 升 降 平 面 由 顶 部 开 始 浸 入 到 物 料 罐 内 ， 升 降 平 台同 玻 璃 平 面 之 间 的 距 离 决 定 第 一 层 的 厚 度 。 硬 化 之 后 ， 第 一 层 成 型 结构 粘 接 在 升 降 台 平 面 上 ， 使 用 特 殊 涂 层 防 止 制 品 粘 在 玻 璃 平 面 。 升 降台 随 后 移 动 一 个 层 的 厚 度 ， 其 他 未 硬

34、化 的 树 脂 充 满 下 一 层 厚 度 空 间 。与 其 他 成 型 方 式 一 样 ， 模 型 一 层 接 一 层 的 被 制 造 出 来 ， 并 在 物 料 罐 外上 下 倒 置 的 生 成 。 数 据 格 式 软 件 公 司 提 供 了 一 个 易 于 掌 握 的 快 速 原 型 软 件 。 它 可 以 接 受 STL数 据 ，软 件 提 供 了 自 动 模 式 和 专 家 模 式 ： 层 片 产 生 原 理 用 一 个 装 了 高 压 水 银 灯 的 DLP聚 光 灯 把 每 个 横 断 面整 个 在 玻 璃 平 板 底 部 曝 光 。 整 个 片 层 立 即 固 化 生 成 制

35、品 。PERFACTORY模 型 需 要 支 撑 结 构 。 原 型 机 由 桶 状 机 身 、 玻 璃 材 质 的 大 桶 和 在 z方 向 上 可 以 高 精 度 移动 的 平 板 (驱 动 装 置 可 以 控 制 的 移 动 )组 成 。 机 身 包 括 DLP聚 光 灯 ，位 于 顶 部 可 见 的 控 制 单 元 ， 以 及 喂 料 装 置 。 采 用 物 料 供 给 桶 后 ，更 换 物 料 变 得 简 单 而 迅 速 。 而 采 用 人 工 加 料 。 大 桶 和 升 降 台 使用 透 明 的 防 紫 外 线 罩 ， 机 器 因 此 呈 现 特 殊 外 观 。 战 略 PERFA

36、CTORY是 一 种 易 操 作 可 移 动 的 独 立 装 置 ， 而且 移 动 之 后 不 需 要 重 新 安 装 。 它 专 门 用 于 成 型 小型 细 节 的 制 品 ， 适 合 于 珠 宝 工 业 和 医 学 应 用 。 储 料 罐 可 以 人 工 或 自 动 填 满 。 装 料 桶 很 小 而 且 只生 成 小 制 品 ， 因 此 机 器 只 需 要 很 少 量 的 物 料 。 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 快速成型方法 SLA 应用实例 SLA成 型 件 的 主 要 应 用 直 接 制 作 各 种 树 脂 样

37、 品 件 或 功 能 件 ， 用 作 结 构 验 证和 功 能 测 试 ； 制 作 精 细 零 件 ； 制 造 有 透 明 效 果 的 制 件 ； 制 作 出 的 原 型 件 可 快 速 翻 制 各 种 模 具 ， 如 硅 橡 胶 模 、金 属 冷 喷 模 、 陶 瓷 模 、 电 铸 模 、 环 氧 树 脂 模 、 消 失模 等 ； 代 替 熔 模 精 密 铸 造 中 的 消 失 模 用 来 生 产 金 属 零 件 。 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science &

38、 Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 观 察 能 力 天津科技大学 Tianjin University of Science & Technology 观 察 能 力 天津科技大学 Tianjin University of Science & TechnologyThank you