光敏树脂液相固化成型技术

光敏树脂液相固化成型技术

董帅江

摘要：光敏树脂液相固化成形（Stereolithgraphy，简称SL）属于先进制造技术

范畴，机械工程学科非传统加工工艺(或称为特种加工)。它通过叠加成型方法可以自动而迅速地将设计的三维CAD模型转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件。与传统的制造方法相比，它具有生产周期短，成本低的优势，并且可以灵活地改变设计方案，实现柔性生产，在新产品的开发中具有广阔的应用前景。

关键字：光敏液相固化法，概述，工艺原理，系统组成，工艺特点

1、光敏液相固化工艺——概述

光敏树脂液相固化成形，也称立体光刻（SLA）或光固化立体造型，于1984年由Charles Hull提出并获美国专利。1988年美国3D System公司推出世界上第一台商品化快速成形设备SLA-250。，由激光器发出的紫外光,经光学系统汇集成一支细光束,该光束在计算机控制下，有选择地扫描液体光敏树脂表面,利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理.一层一层地固化光敏树脂,每固化一层后,工作台下降一精确距离,并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描,使新一层树脂固化并粘在前一层已固化的树脂上,如此反复.直至制作生成该零件实体模型。能够自动制作出各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在制造领域具有划时代的意义。

2、光敏液相固化——工艺原理

SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（λ=325nm）和功率（P=30MW）的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态。

3、光敏液相固化——系统组成

由激光器、激光束扫描装置、光敏树脂、液槽、升降台和控制系统等组成。

(1)激光器大多采用紫外光式

两种类型：一种是氦-镉（He-Cd）激光器。一种低功率激光，以氦气和镉蒸气的复合气体作为工作物质，生成可见紫外激光射线，输出功率15~50mW，波长325nm，激光器寿命2000h；另一种是氩离子（Ar+）激光器，低功率激光光源，氩气为工作物质，输出功率100～500MW，波长351～365nm。激光束光斑直径一般为0.05～3.00nm，激光位置精度可达0.008nm，重复精度可达0.13mm。

(2)激光束扫描装置

数字控制的激光束扫描装置有两种形式：一种是电流计驱动式的扫描镜方式，最高扫描速度达15m/s，适合于制造尺寸较小的原型件；另一种是 X－Y绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，适合于制造大尺寸的原型件。

(3)光敏树脂

①SLA工艺的成形材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸

树脂等。

②要求SLA树脂在一定频率的单色光照射下迅速固化，并具有较小的临界曝

光和较大的固化穿透深度。为保证原型精度，固化时树脂的收缩率要小，并应保证固化后的原型有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性要小。

③光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发

剂的引发机理，光敏树脂可分为三类：自由基型光敏树脂、阳离子型光敏树脂、混杂型光敏树脂。

(4)液槽

①液槽采用不锈钢制作，其尺寸大小取决于成形系统设计的最大尺寸原型件

或零件。

②升降工作台由步进电动机控制，最小步距应在0.02mm以下，在225nm位移

的工作范围内位置精度为±0.05mm。

③刮平器保证新一层的光敏树脂能够迅速、均匀地涂敷在已固化层上，保持

每一层厚度的一致性，从而提高原型件的精度。

(5)控制系统

主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成。激光器光束反射镜扫描驱动器、X－Y扫描系统、工作台Z方向上下移动和刮刀的往复移动都由控制软件来控制。

4、光敏液相固化——成形工艺过程

(1)模型及支撑设计

①模型设计是应用三维CAD软件进行几何建模，并输出为STL格式文件。目

前典型的商品化CAD系统都有STL文件输出的数据接口，可以很方便地将CAD 系统构造的三维模型转换成STL格式文件，并在屏幕上显示转换后的STL模型，它是由一系列小三角形组成的三维模型。

②在成形过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件

截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作一些细柱状或肋状支撑结构，以便确保制件的每一结构部分都能可靠固定，同时也有助于减少制件的翘曲变形。

③成形完成后应小心地除去上述支撑结构，从而得到最终所需的工件。

(2)分层处理

①采用专用分层软件对CAD模型的STL格式文件进行分层处理，得到每一层

截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光中的扫描轨迹。

②分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽

补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。

(3)原型制作：

在计算机控制下，对液态光敏树脂逐层扫描、固化，完成原型的制作。

(4)后处理

①原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有时还需进行后

固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称为后处理。

②由于刚制作的原型强度较低，需要通过进一步固化处理，才能达到需要的

性能。后固化工序是采用很强的紫外光源使刚刚成形的原型件充分固化，这一工序可以在紫外烘干箱中进行。固化时间根据制件的尺寸大小、形状和树脂特性而定，一般不少于30min。

5、光敏液相固化——工艺特点

(1)尺寸精度高SLA原型的尺寸精度可达±0.lmm。

(2)表面质量好。

(3)成形过程自动化程度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制作完成。

(4)原材料利用率高原材料的利用率将近100%。

(5)能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。

(6)制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。

(7)缺点：成形过程中需要支撑，否则会引起制件变形；

设备运转及维护成本高等。

Stereolithgraphy Technology

Dong ShuaiJiang

Abstract：Stereolithgraphy Technology(SLT)—will belong to the advanced manufacturing Technology category, mechanical engineering discipline non-traditional machining process (or called special processing). It can be automatically by superposition shaping method and rapidly will design 3d CAD model into certain structural and functional prototypes or direct fabrication parts. Compared with the traditional manufacturing methods, which has production cycle is short, low cost advantage, and can design flexibility to change, realize flexible production, in the development of new products of the broad application prospect. Key words: Stereolithgraphy, summary, Process principle, System composition, Process characteristics

参考文献

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3、李俊杰等.快速原型制造技术教程[J].世界图书出版社，2008(9).

4、刘安心.快速原型技术在我国的发展[J].北京大学出版社，2010(2)