摘要： 光固化快速成形技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上利用CAD軟件對(duì)零件進(jìn)行幾何建模，再用分層離散軟件將模型分層，然后再將分層離散后的參數(shù)輸入到數(shù)控成形系統(tǒng)中，最后運(yùn)用運(yùn)動(dòng)軌跡受控的激光束照射光敏材料的方法，將材料固化成形，形成實(shí)體零件的原型制造方法。光固化快速成形技術(shù)是目前制造技術(shù)中研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速原形制造方法，它具有產(chǎn)品的制造思想新穎、模型靈活多變、制造速度快捷的特點(diǎn)，成為現(xiàn)代制造行業(yè)的一項(xiàng)支柱產(chǎn)業(yè)。特別是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的鑄件的模具生產(chǎn)提供了安全可靠的保障。文中對(duì)光固化快速成形技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)及其在模具制造中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。

　　關(guān)鍵詞 光固化成形技術(shù) 工作原理 模具制造 應(yīng)用

　　《模具工業(yè)》是國(guó)內(nèi)第一本專(zhuān)業(yè)的模具期刊，是1975年創(chuàng)刊的，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，《模具工業(yè)》積累了豐富的行業(yè)知識(shí)，掌握了行業(yè)內(nèi)，包括企業(yè)、模具專(zhuān)家、模具標(biāo)準(zhǔn)化。

　　一、問(wèn)題的提出

　　面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，制造技術(shù)的柔性化和新產(chǎn)品上市速度已成為目前眾多企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。光固化快速成型(stereo lithography apparatus ， SLA ) 技術(shù)也稱(chēng)光造型、立體光刻、及立體印刷，該技術(shù)是由美國(guó)的查爾斯·W· 赫爾于1982年提出，1984年獲得美國(guó)專(zhuān)利，1986年由美國(guó)3DSystemsgs公司生產(chǎn)出第一臺(tái)激光快速成形機(jī)SLA—250，是最早發(fā)展起來(lái)的快速原形制造技術(shù)。[1] 它集現(xiàn)代(CAD/ CAM)、激光技術(shù)和新型材料技術(shù)于一體，突破了傳統(tǒng)加工技術(shù)，能快速、低成本地加工出所設(shè)計(jì)的實(shí)物原型，極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，在模具制造、家電、生物工程、醫(yī)療等領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的用途。

　　二、光固化快速成形技術(shù)的工作原理及工藝流程

　　光固化快速成形技術(shù)是最早出現(xiàn)的原形制造技術(shù)之一，是目前制造技術(shù)中研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速原形制造方法。[2]光固化快速成形技術(shù)是首先在計(jì)算機(jī)上利用CAD軟件對(duì)零件進(jìn)行幾何建模，其次再用分層離散軟件將模型分層，然后再將分層離散后的參數(shù)輸入到數(shù)控成形系統(tǒng)中，最后運(yùn)用運(yùn)動(dòng)軌跡受控的激光束照射光敏材料的方法，將材料固化成形，形成實(shí)體零件的原型制造方法。

　　(一)工作原理

　　光固化快速成形的工作原理是利用液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合反應(yīng)而成形的。[3]這種液態(tài)光敏樹(shù)脂在受到一定強(qiáng)度(ω= 30mW )和波長(zhǎng)(λ=325 nm或λ=355 nm )的紫外光照射時(shí)，材料能夠迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。因此，只要通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外光的照射軌跡，就能夠使材料固化成所需要的形狀。

　　(二)工藝流程

　　光固化快速成形的工藝流程如圖所示： 首先是將液態(tài)光固化樹(shù)脂(如環(huán)氧樹(shù)脂、乙酸樹(shù)脂、或丙烯樹(shù)脂等)加入液池中至規(guī)定高度;然后由計(jì)算機(jī)控制的激光束在偏光鏡作用下聚焦成為光斑(液面高度始終控制在激光的焦平面上)，光斑由計(jì)算機(jī)的控制下在液面上逐點(diǎn)掃描，凡是光點(diǎn)掃描到的部位，液體迅速固化，沒(méi)有掃描到的地方始終處于液態(tài);掃描完一層成后，將工作臺(tái)的高度下降一層，這時(shí)液態(tài)的樹(shù)脂又布滿(mǎn)在已成形的層面上，用刮平器將黏度較大的樹(shù)脂刮去，然后再進(jìn)行新一層的掃描，這樣新固化的一層樹(shù)脂就牢牢地粘在了前一層上，如此往復(fù)運(yùn)行直到形成整個(gè)零件。然后將工作臺(tái)上升到容器上部，排除剩余的液態(tài)樹(shù)脂，取出工件，用溶劑清洗已經(jīng)成形的工件，并將工件放入到固化裝置中，進(jìn)行紫外線(xiàn)曝光固化處理，固化時(shí)間要根據(jù)樹(shù)脂的特性、零件的尺寸及幾何形狀而定，一般零件的固化時(shí)間在30分鐘以上，等工件完全固化后從工作臺(tái)上取下工件 ，拆去支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)行表面處理即完成了整個(gè)零件的制造。

　　三、光固化快速成形的特點(diǎn)，

　　(一)優(yōu)點(diǎn)

　　1.自動(dòng)化程度高，整個(gè)制造過(guò)程由計(jì)算機(jī)操控，完全可實(shí)行無(wú)人守候;

　　2.成形精度高，尺寸精度可以達(dá)到0 . 1 mm左右;

　　3.成型空間大，可制造600mm × 600mm× 600mm以?xún)?nèi)的零件;

　　4.成形的零件表面光滑，強(qiáng)度和硬度較高;

　　5.由CAD造型，能為復(fù)雜的工件建模，還可以加工內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁類(lèi)零件(最小厚厚可達(dá)到0 . 5 mm)，這是傳統(tǒng)的制造技術(shù)無(wú)法完成的;

　　6.加工速度快，可以達(dá)到8m/s;

　　7.可以進(jìn)行模具制造，特別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空心零件，能輕松地一次成型;

　　8.池內(nèi)的材料利用率高，可以隨時(shí)補(bǔ)充，沒(méi)有浪費(fèi)。

　　(二)不足

　　因?yàn)楣夤袒焖俪尚渭夹g(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，還處于不斷改進(jìn)和發(fā)展中，所以存在以下不足：

　　1.設(shè)備價(jià)格昂貴，加工費(fèi)用高，一般用戶(hù)很難承受。

　　2.光敏樹(shù)脂具有一定的毒性，需要進(jìn)行防護(hù)措施。

　　3.在成形過(guò)程中是分層固化，固化層容易發(fā)生錯(cuò)位，需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)以便于原形的固化，因此，前期軟件工作量比較大。

　　4.由于采用激光分層固化，材料會(huì)因發(fā)生相變而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而會(huì)導(dǎo)致制件的翹起和其他變形，

　　5.目前能使用的原材料種類(lèi)較少，常用的是液態(tài)光敏樹(shù)脂，而光敏樹(shù)脂材料又不能反復(fù)加熱熔化，在消失鑄造時(shí)只能被燒失。

　　四、光固化快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀與前景

　　(一)現(xiàn)狀

　　目前，最常用的光固化快速成型材料是一種型號(hào)為DSM Somos14120的新開(kāi)發(fā)的、專(zhuān)門(mén)用于SLA成型機(jī)的低黏度液態(tài)光敏樹(shù)脂，成型零件的強(qiáng)度和韌性是由材料的性能決定的。[4]通過(guò)科研人員多年來(lái)的不懈努力，光敏樹(shù)脂的性能已經(jīng)取得了很大的改善。這種材料只要避免陽(yáng)光和日光燈的直接照射，常態(tài)下性能穩(wěn)定，可以直接存放在成型機(jī)器的樹(shù)脂槽中，無(wú)需其它保存措施。光固化成形技術(shù)可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失模;可以用于各種模具(間接制模)的快速?gòu)?fù)制;制作的原型可以在一定程度上替代塑料件;可以制造有透明效果的制件;制件可以用于結(jié)構(gòu)性的驗(yàn)證和功能的測(cè)試。