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基于光固化成型技術(shù)的實(shí)體表面防變形方法分析論文
引言
3D打印技術(shù)屬于機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和新材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是一項(xiàng)多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的先進(jìn)制造技術(shù)。它從成型原理上提出一個(gè)全新的思維模式，即將計(jì)算機(jī)上制作的零件三維模型，表面三角化處理，存儲(chǔ)成STL文件格式，對(duì)其進(jìn)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(dòng)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(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序肴加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成打印實(shí)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(shí)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(diǎn):產(chǎn)品制造周期短、制造流程簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制造、制造材料的多樣性、可完成一些相對(duì)復(fù)雜的零件等，彌補(bǔ)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(diǎn)，諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(jiàn)光引發(fā)劑，并研究了樹(shù)脂各組分對(duì)樹(shù)脂固化前后幾個(gè)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(duì)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(duì)樹(shù)脂組分進(jìn)行優(yōu)化，從而改進(jìn)樹(shù)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(shí)間，避免SLA文件檢查與糾錯(cuò)，降低模型文件的規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)。
本文基于VisiJe} Crystal(液態(tài)光敏樹(shù)脂)實(shí)體材料，通過(guò)對(duì)三維模型抽殼方式達(dá)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(jìn)而減小打印實(shí)體的線性收縮。本文對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)表明該方法可有效防比打印實(shí)體變形。
1.SLA的工作原理
SLA所用打印材料為液態(tài)光敏樹(shù)脂和石蠟。液態(tài)光敏樹(shù)脂構(gòu)成打印模型的實(shí)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(shí)體肴加的精確性。
SLA的工作原理:用激光或紫外光聚焦到實(shí)體材料的表面，這樣將材料按照一定的順序進(jìn)行固化，完成當(dāng)前層面的“固化”后再控制垂直方向移動(dòng)一個(gè)設(shè)置好的高度再重復(fù)相同的操作來(lái)固化下一個(gè)層面，這樣層層固化肴加最終就能得到三維實(shí)體。
2.SLA防變形方案對(duì)比分析
在大量打印實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，山未經(jīng)處理的CAD模型打印而成的實(shí)體，其表面會(huì)發(fā)生嚴(yán)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(duì)三維模型進(jìn)行分層處理前，需要對(duì)模型進(jìn)行三角面片面化處理，即用若干三角形逼近實(shí)際模型的輪廓信息。在此過(guò)程中，往往會(huì)造成分層方向上的尺寸誤差，同時(shí)會(huì)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。
2)打印機(jī)誤差引起的變形。機(jī)器誤差是導(dǎo)致打印實(shí)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(tái)中導(dǎo)軌、絲杠的運(yùn)動(dòng)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(duì)其優(yōu)化。
3)成型材料固化過(guò)程引起的變形。SLA所打印出的實(shí)體的固化變形時(shí)絕對(duì)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(guò)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(shí)也發(fā)生了化學(xué)變化，本文只著眼于固化過(guò)程中的物理變化。在固化過(guò)程中樹(shù)脂的收縮會(huì)產(chǎn)生層間內(nèi)應(yīng)力，它是實(shí)體發(fā)生線性變形的根本原因。同時(shí)在固化過(guò)程中反應(yīng)的熱量在已固化實(shí)體中不斷積聚使固化部分產(chǎn)生的變形。
本文采用對(duì)三維模型抽殼的方式達(dá)到大幅增加支撐材料體積來(lái)對(duì)實(shí)體材料進(jìn)行支撐、抑制其形變;同時(shí)，抽殼會(huì)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(jìn)而減小線性收縮引起的線性變形;而且，山于打印實(shí)體具有壁厚，其模型固化過(guò)程進(jìn)行較為徹底，無(wú)需進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
選取某工藝品類小豬模型，包容外形尺寸(長(zhǎng)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(jī)Projet 3500-HDPLUS，實(shí)體材料為液態(tài)光敏樹(shù)脂CVisJet Crys}aD，支撐材料為石蠟(VisJe} S300)。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取了一系列不同抽殼厚度的模型，并逐一進(jìn)行打印，將打印后的實(shí)體與原始CAD模型各項(xiàng)尺寸、內(nèi)外輪廓信息進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抽殼后打印出的實(shí)體，其各項(xiàng)尺寸及輪廓信息要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未抽殼的，且十分接近CAD模型的各項(xiàng)參數(shù)。
4.結(jié)論
本文采用對(duì)三維模型抽殼的方法達(dá)到大幅增加支撐材料密度來(lái)對(duì)實(shí)體材料進(jìn)行支撐;減小不同分層層面間的接觸面積，進(jìn)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(guò)程進(jìn)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(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。
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