LED光源快速成形系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

摘 要 基于LED光源低廉的運(yùn)營(yíng)成本特點(diǎn)，在一定的成形工藝制件速度和精度基礎(chǔ)上，有著突出的性價(jià)比。本文著重介紹了在快速成形系統(tǒng)方面如何有效利用紫外LED光源的固有特點(diǎn)，使其替代快速設(shè)備中的紫外激光器等傳統(tǒng)光源。其基本原理是將一個(gè)紫外LED光源發(fā)射的光經(jīng)聚焦作用匯聚到樹脂液面，通過機(jī)械式掃描使得UV樹脂固化；實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有可操作性。

關(guān)鍵詞 LED光源；快速成形；節(jié)能設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)062-0188-02

21世紀(jì)世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，已融入到了各國(guó)的議事日程。我國(guó)作為一個(gè)能耗大國(guó)，更應(yīng)在各領(lǐng)域采用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，以達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的目的。目前在快速成形系統(tǒng)方面，工業(yè)中大多采取傳統(tǒng)的工藝方法，能耗較大，成本較高，不利于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力提升。開發(fā)新的技術(shù)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方面有著不可忽略的意義。

快速成形技術(shù)，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)突破，也叫快速原型制造技術(shù)Rapid Prototyping Manufacturing，簡(jiǎn)稱RPM。它是基于材料堆積法的一種新的制造技術(shù)，可以精準(zhǔn)而快速地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿哪Ｐ?，因而為設(shè)計(jì)思想迅速轉(zhuǎn)換為實(shí)體原型提供了一種高時(shí)效低成本的手段。

成形技術(shù)中多采用立體光固化法，即用一定波長(zhǎng)的光束去照射液態(tài)樹脂的液面時(shí)，就會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，這樣，樹脂就會(huì)快速地從液態(tài)變成固態(tài)。利用樹脂固有的這種特性，有選擇地、逐步分層固化液態(tài)樹脂，使其逐步成形為三維實(shí)體的方法。立體光固化快速成形法必須使用紫外線光源，而光源的特性，如價(jià)格、功率、波長(zhǎng)等，都嚴(yán)重影響快速成形技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的紫外線光源以我國(guó)的自行研發(fā)的CPS快速成形設(shè)備和美國(guó)的高端紫外激光器為主。

CPS快速成形設(shè)備的光源主要采用紫外汞燈，其特點(diǎn)是：成本較低，但產(chǎn)生光束質(zhì)量較差，使用壽命短、且會(huì)使環(huán)境受到嚴(yán)重污染。紫外激光器雖有高亮度、高單色性、高方向性和高相干性等優(yōu)勢(shì)，但由于其在購(gòu)買價(jià)格和后期維護(hù)上，需要支付大量的費(fèi)用，也正是因?yàn)榭焖俪尚卧O(shè)備的生產(chǎn)和使用上要承擔(dān)巨額成本，所以這種方法在實(shí)際的應(yīng)用過程中受到了極大地制約。

而LED材料的生產(chǎn)技術(shù)和工藝在近年來得到的不斷發(fā)展和應(yīng)用中逐漸完善，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸廣泛，從居家生活照明到工業(yè)設(shè)備信息存儲(chǔ)。LED材料的成本很低廉，適合于廣泛地生產(chǎn)，體積小也使得設(shè)備變得更易于存貯，并且還有著綠色環(huán)保無污染、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此，在快速成形系統(tǒng)中應(yīng)用LED光源的設(shè)計(jì)，具有廣泛的前景。

1 光源系統(tǒng)

因?yàn)樗x材質(zhì)的特性，對(duì)所吸收的光波長(zhǎng)有嚴(yán)格的要求，因而在試驗(yàn)過程中必須選擇能被UV樹脂吸收的光波，否則，在固化過程中，液態(tài)樹脂就不能達(dá)到固化的效果。在選擇波長(zhǎng)的時(shí)候，還應(yīng)注意成形設(shè)備工作時(shí)候，光波是在紫外區(qū)內(nèi)被吸收的，而在此區(qū)域內(nèi)的光敏劑會(huì)比其它情況下有所不同，只需要較低的光能密度就可以使得液態(tài)樹脂固化，所以在光固化成形的過程中通常使用的的紫外光源連續(xù)波波長(zhǎng)都介于250～380納米之間，輸出功率大于20 mW。在紫外光固化成形的過程中，UV樹脂對(duì)紫外光線的吸收遵循Beer-Lambert定律[2]，即：紫外光的能量密度E 隨著透射深度的增加呈指數(shù)衰減。理論及試驗(yàn)表明，只有當(dāng)液態(tài)UV樹脂接受的紫外線能量密度E 超過一定的閾值EC 后，才會(huì)產(chǎn)生凝膠（凝膠態(tài)是液態(tài)和固態(tài)之間的臨界狀態(tài)）。

說明在一定體積下，樹脂表面吸收的紫外光的能量密度和光源的功率都有著這樣的關(guān)系：光功率越強(qiáng)，樹脂單位表面所接受到得能量越多，同時(shí)，掃描的速度和光斑在液面上的面積都會(huì)有所減小。由此可見，只有當(dāng)液態(tài)樹脂固化的深度超過了其厚度的時(shí)候，才可以使制件相鄰的兩層有效結(jié)合。否則，會(huì)造成制件層間的剝離，甚至造成制件失敗的結(jié)果。

在設(shè)備運(yùn)行的過程中，液態(tài)樹脂的固化深度與設(shè)備的掃面線寬度、速度有著密切的關(guān)系，除此之外，光源射出的光功率和其在樹脂液面形成的聚焦光斑的面積大小也存在很大的聯(lián)系。掃描速度與光源發(fā)射的功率成反比，而光斑的面積與液態(tài)樹脂固化的深度、掃面線寬度成反比。因此，要到達(dá)樹脂固化的最好效果，在對(duì)紫外光源進(jìn)行選擇，光源光線均勻，聚光性強(qiáng)的就在選擇范圍內(nèi)。所以紫外光源是紫外光固化快速成形設(shè)備的重要組成

部分。

2 UV-LED光源在成形系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，當(dāng)正向電流通過導(dǎo)線作用于P-N晶片的時(shí)非平衡載流子會(huì)在擴(kuò)散的過程中產(chǎn)生非相干光，這種自我發(fā)射光的過程與激光產(chǎn)生的原理不一樣。根據(jù)LED自我發(fā)光的原理我們能夠設(shè)計(jì)出了一個(gè)紫外LED的光源，并將其應(yīng)用于光固化快速成形設(shè)備上（見圖1）。

如圖1所示，加載UV-LED的光源的設(shè)備，它的光源系統(tǒng)主要是由包含光源的驅(qū)動(dòng)電路和光源耦合及整形聚焦光學(xué)兩部分組成，由LED發(fā)出的紫外光通過聚焦鏡的匯聚作用聚集到樹脂液面．聚焦鏡在隨著z工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下作用．根據(jù)零件當(dāng)前作業(yè)層的截面形狀做掃描運(yùn)動(dòng)，逐漸使得液態(tài)樹脂固化。在完成當(dāng)前層的固化制作后，z軸升降臺(tái)會(huì)下降1個(gè)層厚，繼續(xù)下一層的制作開始。如此逐層反復(fù)累積．從而完成整個(gè)零件的制作。

結(jié)合上述設(shè)備的這些特點(diǎn)，我們可以斷定，該UV-LED光源必須要滿足以下幾個(gè)條件：光源系統(tǒng)穩(wěn)定，且能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，固化面上的光功率≥20mW，光斑直徑較??；光源功率可調(diào)。

在實(shí)際應(yīng)用中，光固化快速成形的工藝過程往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)，因此，UV-LED 光源的光固化快速成形設(shè)備在設(shè)計(jì)的時(shí)候也必須考慮到這個(gè)因素。應(yīng)保證LED光源能夠長(zhǎng)時(shí)間輸出穩(wěn)定的功率、波長(zhǎng)的紫外光束。由于LED在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，其波長(zhǎng)、功率等會(huì)受電流和環(huán)境溫度的較大影響。所以在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須要提供穩(wěn)定不變的工作溫度，才能使得LED芯片的可以穩(wěn)定地功率輸出，以及最好的工作效率。

如圖2所示，該組成分由UV-LED控制器和外圍電路，UV-LED控制器完成包括對(duì)外部控制指令的接收和處理以及對(duì)功率、溫度等數(shù)據(jù)的采樣、計(jì)算。致冷器采用TEC作為執(zhí)行器件，它可以通過控制電流方向?qū)崿F(xiàn)致冷及加熱；溫度檢測(cè)采用數(shù)字式溫度傳感器，當(dāng)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度值相異時(shí)，可通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)TEC進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；光敏二極管可檢測(cè)對(duì)光功率，控制LED的恒

功率。

3 UV-LED與UV-LED、激光器和CPS成形設(shè)備的比較

下表通過對(duì)比UV-LED與UV-LED、激光器和CPS成形設(shè)備性能特點(diǎn)，說明了UV-LED作為固化光源的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)上表的光源功率、特制模型的重量和設(shè)備累計(jì)完成工件的時(shí)間來計(jì)算單位質(zhì)量零件的耗能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，CPS成形設(shè)備每千克制件耗能最高，UV-LED成形設(shè)備耗能最低．約為傳統(tǒng)成形設(shè)備的千分之一。由此可見UV-LED的節(jié)能優(yōu)勢(shì)在快速成形系統(tǒng)上的效果是十分顯著的。

參考文獻(xiàn)

[1]吳懋亮，李滌塵，趙萬(wàn)華等.CPS紫外光固化快速成形系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000，11(10):1120-1123.

[2]Neamen Donald A.半導(dǎo)體器件導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006:616-621.