基于液態(tài)光固化成型機光敏樹脂補償系統(tǒng)的研究

陳建剛， 張昌明， 趙知辛， 韓萬龍

(1.陜西理工學院 機械工程學院， 陜西 漢中 723003； 2.西安長慶科技工程有限責任公司， 陜西 西安 710018)

0 引 言

快速成型制造技術是20世紀80年代中期發(fā)展起來的一項高新技術，它可直接根據計算機輔助設計(Computer-Aided Design，CAD)的圖形數(shù)據制造出具有任意復雜形狀的新產品模型，無需任何模具、刀具和工裝，實現(xiàn)新產品開發(fā)的“無模制造”，大幅度縮短新產品的研發(fā)周期，降低成型件的加工成本、提高成型件的加工質量。目前快速成型技術的工藝方法已有十余種，其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、疊層實體制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)、激光選區(qū)燒結法(Selective Laser Sintering，SLS)和熔融沉積法(Fused Deposition Manufacturing，F(xiàn)DM)得到世界范圍內的廣泛應用。

20世紀70年代末到80年代初，Charles W.Hll在美國的UVP公司支持下，研發(fā)了光固化成型的完整系統(tǒng)SLA-1，這是快速成型(Rapid Prototyping，RP)發(fā)展的一個歷程碑。光固化成型法也是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，為新型產品的造型分析提供必要的研究依據。光固化成型機也存在一些亟待完善的問題，如液槽的光敏樹脂更換成本高、刮板拉傷已固化的成型表面、液槽中靜止的光敏樹脂粘度增大、光敏樹脂連續(xù)微量補償?shù)目煽啃缘?。本文對成型機光敏樹脂的微量補償問題進行研究，提出了一種改造后的光敏樹脂的連續(xù)循環(huán)補償系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的應用與實踐，較好地提高了光固化成型機的加工效率，減少光敏樹脂的損耗，降低成型件的加工成本，提高了光敏樹脂微量補償?shù)目煽啃浴?/p>

1 光固化的成型過程

圖1 光固化成型過程流程圖

1—工作液槽；2—托板；3—工件；4,5—振鏡；6—激光束；7—激光發(fā)生器圖2 光固化成型過程示意圖

液態(tài)光固化成型機成型的全過程一般分為前處理、分層疊加成型和后處理三個主要的步驟。圖1為光固化成型過程流程圖。首先對需要加工的成型件進行CAD建模，再進行分層處理，導入Magics9.55進行成型件的加工。

具體成型過程就是采用液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機的控制程序控制下，激光發(fā)生器產生特定波長與強度的紫外激光束，逐層對液態(tài)樹脂表面進行掃描，使其掃描點產生光聚合反應，經過點到線、線到面的成型過程，形成零件的一個厚度為0.1 mm的層面，當一層固化完后，工作臺向下移動，在原先固化好的樹脂表面進行樹脂的涂層處理，進行下一層樹脂的掃描固化。新固化的一層牢固粘在前一層上，如此往復直到完成整個零件的加工。

圖2為光固化成型過程示意圖。當零件加工完成后，工作托盤將已加工完整的成型工件升出液體樹脂表面，再對成型件進行后續(xù)處理工藝，如采用乙醇進行清洗、去除支撐、二次固化等工藝，即可實現(xiàn)整個零件的成型過程。

光固化的成型工藝的特點：原型件精度高，零件強度和硬度好，可制出形狀特別復雜的空心零件，具有很強的柔性化模型生產功能，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點是需要支撐，樹脂收縮會導致精度下降，因此，在零件成型加工過程中，需要不定量的連續(xù)補償工作液槽中光敏樹脂的體積收縮量。

2 光敏樹脂及特性

2.1 光敏樹脂

光敏樹脂(Ultra Violet，UV)由聚合物單體和預聚體組成，其中加有光(紫外光)引發(fā)劑(或稱為光敏劑)，在一定波長(250～300 nm)的紫外光照射下會發(fā)生聚合反應，完成固化。在國外，液態(tài)光固化成型機常用的光敏樹脂有3類，即自由基型光敏樹脂、陽離子型引發(fā)聚合的光敏樹脂及紫外激光固化快速成型光敏樹脂，其中自由基型光敏樹脂常見的主要有3種：①環(huán)氧樹脂丙烯酸酯，具有聚合快、聚合強度高的特點，但脆性大，易泛黃；②聚酯丙烯酸酯，具有流平和固化性能好的特點；③聚氨酯丙烯酸酯，具有柔順性和耐磨性好的特點，但聚合速度慢。陽離子型引發(fā)聚合的光敏樹脂與自由基光敏樹脂比較優(yōu)點如下：①固化收縮率低，約2%～3%，而丙烯酸類的自由基樹脂的收縮率約為5%～7%；②粘度低，加工好的成型件易于排凈多余的液態(tài)樹脂；③成型件精度高、強度大，可直接用于注塑模具。

我國的紫外激光固化快速成型光敏樹脂基本上依賴進口美國Huntsman公司和DSM SOMOS公司，其價格昂貴，每千克高達1 200元人民幣。為了研發(fā)紫外激光固化快速成型光敏樹脂，通過對美國DSM SOMOS公司的SOMOS11120樹脂的研究，西安交通大學研發(fā)出低粘度的國產光敏樹脂SPR和CPR系列，該系列中應用較為廣泛的有SPR4000、SPR4000B及SPR6000。

2.2 紫外激光固化成型光敏樹脂

根據紫外激光固化快速成型原理，該類成型機設備所用光敏樹脂應具備以下特點：①粘度低，低粘度樹脂有利于成型中樹脂能較快流平；②固化收縮小，光固化樹脂在由液態(tài)轉化為固態(tài)的過程中會產生內應力收縮，這種收縮會引起成型件的變形、翹曲、開裂等缺陷，使成型件的精度降低；③溶脹小，成型件在液態(tài)的樹脂中的溶脹會造成零件尺寸偏大；④對光的敏感度高，即所吸收波長的范圍要窄，以提高成型件的精度；⑤樹脂粘接性強，以保證后固化過程中不產生層間剝離；⑥成型過程中固化速率高，以提高生產效率；⑦液態(tài)光敏樹脂要有良好的貯存穩(wěn)定性，一般貯存有效期至少應1年；⑧毒性小，以利于操作者的健康和降低環(huán)境污染；⑨成本低的成型件，以利于實現(xiàn)商品化。紫外激光固化快速成型所需光敏樹脂，需要同時具有以上這些特點，致使其光敏樹脂研究和開發(fā)具有一定的難度。

3 光敏樹脂補償系統(tǒng)設計

液態(tài)光固化快速成型機工作過程中，需設計一個光敏樹脂動態(tài)循環(huán)補償系統(tǒng)，來解決工作液槽的光敏樹脂的體積超過規(guī)定的高度或低于規(guī)定高度對成型件加工質量的負面影響。

1—激光器；2—激光束；3—光敏樹脂液面；4—工作液槽；5—凸起液面；6—白板；7—CCD攝像機圖3 SLA光敏樹脂液面 檢測系統(tǒng)示意圖

1—刮刀；2—直線導軌；3—工作液槽；4—暫存液槽；5—直流電機；6—齒形帶；7—飛輪；8—彈性微液流三角形；9—溢流壁面圖4 SLA快速成型機光敏 樹脂補償機構

3.1 SLA光敏樹脂液面檢測系統(tǒng)

檢測原理是將一條線光源照在工作液槽液面上，經工作液槽光敏樹脂液面反射后，對其成像進行處理來檢測液面的平整度，如圖3所示為檢測原理示意圖，主要用于光敏樹脂液面高低點液位的測量，x的大小反映出光敏樹脂液面高低點的液位差y的大小，并且滿足y=x/2，所以只要知道x，也就知道y的大小，即液位差，從而給控制系統(tǒng)一個補償信號，來實現(xiàn)光固化快速成型機的工作液槽光敏樹脂的自動補償。

3.2 SLA光敏樹脂循環(huán)補償機構

根據光敏樹脂的特性，結合光固化成型機的工作全過程，為改造光敏樹脂的微量循環(huán)補償系統(tǒng)，借鑒“木桶原理”的思路進行工作液槽的設計，盛水木桶是由多塊木板箍成的，盛水量也是由這些木板共同決定的。若其中一塊木板很短，則此木桶的盛水量就被短板所限制。這塊短板就成了這個木桶盛水量的“限制因素”(或稱“短板效應”)。按照此原理可以很好地解決光敏樹脂補充過量的問題，即將樹脂槽的一個側面高度相對其余三個側面的高度降低一定的尺寸，當樹脂液槽的補償過量時就會通過此側面溢出，從而保持整個樹脂槽液面的恒定，同時要將該溢流側面設計成斜面，以延緩光敏樹脂的溢流速度，減小工作液槽的液面波動。圖4所示為SLA快速成型機光敏樹脂的循環(huán)補償機構。一個裝有光敏樹脂的立方體工作液槽，工作液槽的端面上安裝有直線導軌和液面刮板，一個帶圓形矩陣排列孔的升降方形薄板托盤位于工作液槽中，支撐被加工的成型件，矩形暫存液槽與工作液槽共用一個帶有斜邊的溢流壁面，飛輪的驅動裝置安裝在矩形暫存液槽的外壁面。

該液態(tài)光固化成型機光敏樹脂補償系統(tǒng)工作過程：當工作液槽的光敏樹脂的液面高于限位高度時，工作液槽的光敏樹脂就會逐漸漫過帶有斜邊的溢流壁面進入暫存液槽中，相反，當工作液槽的光敏樹脂的實際高度低于預定的高度時，通過液位檢測系統(tǒng)的輸出電壓經數(shù)據采集后輸入計算機，控制程序利用控制算法和輸出電壓的變化量就能間接地算出液面的變化量，然后把信息傳給控制系統(tǒng)，從而驅動電動機通過齒形帶給飛輪以一定的轉速勻速運動，通過勻速轉動的飛輪外圓周面和彈性的微液流三角形可將暫存液槽的光敏樹脂轉移到工作液槽中，如此反復循環(huán)，即可實現(xiàn)光敏樹脂的循環(huán)流動，同時在飛輪的前端安裝一個帶有豎直金屬擋板的彈性的微液流三角形，作用在于對液態(tài)光敏樹脂進行導流，通過豎直金屬檔板可以延緩光敏樹脂的流速，以減小工作液槽中光敏樹脂液面的波動對成型工件加工精度的影響。

本液態(tài)光固化快速成型補償系統(tǒng)能夠保持光敏樹脂的微量循環(huán)流動，減小紫外光對靜止狀態(tài)光敏樹脂的散射作用，避免聚合反應造成光敏樹脂粘度變化。

4 總 結

通過光固化成型機的光敏樹脂補償系統(tǒng)的設計與研究發(fā)現(xiàn)：

(1)光固化成型機工作液槽中的光敏樹脂需要連續(xù)的、不定量的微量補償；

(2)光敏樹脂需要不斷微動和交替循環(huán)的過程，減小紫外光對靜態(tài)光敏樹脂的散射，有效避免液態(tài)光敏樹脂粘度的變化，提高光敏樹脂的利用率；

(3)光固化成型機的補償系統(tǒng)中的直流電機通過齒形帶與飛輪連接后，整個工作液槽的微震動減小，從而改善成型件的加工精度。

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