基于光固化成形技術(shù)的模具制造

摘要： 光固化快速成形技術(shù)是在計算機上利用CAD軟件對零件進行幾何建模，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，最后運用運動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，成為現(xiàn)代制造行業(yè)的一項支柱產(chǎn)業(yè)。特別是對于一些形狀復(fù)雜的鑄件的模具生產(chǎn)提供了安全可靠的保障。文中對光固化快速成形技術(shù)的工作原理、特點及其在模具制造中的應(yīng)用進行了論述。

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

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一、問題的提出

面對激烈的市場競爭，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)的競爭焦點。光固化快速成型（stereo lithography apparatus ， SLA ） 技術(shù)也稱光造型、立體光刻、及立體印刷，該技術(shù)是由美國的查爾斯·W· 赫爾于1982年提出，1984年獲得美國專利，1986年由美國3DSystemsgs公司生產(chǎn)出第一臺激光快速成形機SLA—250，是最早發(fā)展起來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)計的實物原型，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)是首先在計算機上利用CAD軟件對零件進行幾何建模，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，最后運用運動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)光敏樹脂的光聚合反應(yīng)而成形的。[3]這種液態(tài)光敏樹脂在受到一定強度（ω= 30mW ）和波長（λ=325 nm或λ=355 nm ）的紫外光照射時，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，只要通過計算機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)光固化樹脂（如環(huán)氧樹脂、乙酸樹脂、或丙烯樹脂等）加入液池中至規(guī)定高度;然后由計算機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），光斑由計算機的控制下在液面上逐點掃描，凡是光點掃描到的部位，液體迅速固化，沒有掃描到的地方始終處于液態(tài);掃描完一層成后，將工作臺的高度下降一層，這時液態(tài)的樹脂又布滿在已成形的層面上，用刮平器將黏度較大的樹脂刮去，然后再進行新一層的掃描，這樣新固化的一層樹脂就牢牢地粘在了前一層上，如此往復(fù)運行直到形成整個零件。然后將工作臺上升到容器上部，排除剩余的液態(tài)樹脂，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，進行紫外線曝光固化處理，固化時間要根據(jù)樹脂的特性、零件的尺寸及幾何形狀而定，一般零件的固化時間在30分鐘以上，等工件完全固化后從工作臺上取下工件 ，拆去支撐結(jié)構(gòu)，進行表面處理即完成了整個零件的制造。

三、光固化快速成形的特點，

（一）優(yōu)點

1.自動化程度高，整個制造過程由計算機操控，完全可實行無人守候;

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以內(nèi)的零件;

4.成形的零件表面光滑，強度和硬度較高;

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)無法完成的;

6.加工速度快，可以達(dá)到8m/s;

7.可以進行模具制造，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，可以隨時補充，沒有浪費。

（二）不足

因為光固化快速成形技術(shù)是一項新技術(shù)，還處于不斷改進和發(fā)展中，所以存在以下不足：

1.設(shè)備價格昂貴，加工費用高，一般用戶很難承受。

2.光敏樹脂具有一定的毒性，需要進行防護措施。

3.在成形過程中是分層固化，固化層容易發(fā)生錯位，需要設(shè)計支撐結(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，材料會因發(fā)生相變而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而會導(dǎo)致制件的翹起和其他變形，

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

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為DSM Somos14120的新開發(fā)的、專門用于SLA成型機的低黏度液態(tài)光敏樹脂，成型零件的強度和韌性是由材料的性能決定的。[4]通過科研人員多年來的不懈努力，光敏樹脂的性能已經(jīng)取得了很大的改善。這種材料只要避免陽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器的樹脂槽中，無需其它保存措施。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）的快速復(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)性的驗證和功能的測試。

Somos14120光敏樹脂與傳統(tǒng)的工程塑料（包括ABS與PBT ）的性能大多相似，能制作防水性能好、強度高、硬度大的零件，從而極大的拓展了光固化快速成型的應(yīng)用范圍。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前光固化快速成型技術(shù)已經(jīng)被汽車、醫(yī)療、家電等行業(yè)廣泛采用，可見，光固化快速成型技術(shù)已經(jīng)成為制造領(lǐng)域企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的必要手段。

目前光固化成形技術(shù)和制造設(shè)備都比較成熟，國外主要有美國3DSystemsgs公司生產(chǎn)的激光快速成形機，德國、日本和以色列也有各自比較成熟的光固化成形技術(shù)和設(shè)備。國內(nèi)以西安交通大學(xué)在光固化成形的研究為代表，已經(jīng)開發(fā)一整套光固化成形快速成形機設(shè)備，成形速度、零件精度等都已接近國外先進水平。

（二）前景

光固化成型法的發(fā)展趨勢是高速、節(jié)能環(huán)保與微型化的，不斷提高的加工精度使之最先在生物、醫(yī)藥、微電子等領(lǐng)域大有作為。[5] 光固化快速成型技術(shù)除了在汽車、醫(yī)療、家電等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用之外，在其他制造領(lǐng)域也有非常重要的應(yīng)用，如在模具制造和鑄造行業(yè)。下面就光固化快速成型技術(shù)在模具領(lǐng)域的應(yīng)用作以介紹。

現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品的特點是多型號、短周期，并且通過不斷地更新來適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展需求。雖然可以利用計算機的模擬技術(shù)完成各種強度、剛度及動力分析，但在新產(chǎn)品的研發(fā)中仍需要實物來驗證其外觀形象、可裝配性及可拆卸性。在研究結(jié)構(gòu)形狀十分復(fù)雜的零件時，可先用光固化成型技術(shù)制作出零件的試樣進行實驗，以驗證設(shè)計思想的可行性，并且檢測零件的可裝配性和可靠性。另外，光固化快速成型技術(shù)也可以用于流體分析。流體分析技術(shù)可以用于復(fù)雜零件內(nèi)的液體或氣體的流動狀態(tài)測試，即將透明的零件模型內(nèi)裝入某種液體介質(zhì)，并且在液體內(nèi)加入少量微粒狀或小氣泡類的物質(zhì)使其循環(huán)，從而觀察液體在管道內(nèi)的流動狀況。該技術(shù)的關(guān)鍵是透明模型的制造，目前已被用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)及進排氣管的研究。以上實驗如果采用傳統(tǒng)的制造方法進行檢測，則制造成本非常高、花費時間也比較長，而且還不夠精確，而用CAD造型的光固化快速成型技術(shù)則只需要4～5周的時間，且花費也只是傳統(tǒng)方法的1/3，最重要的是能制作出性能要求完全達(dá)標(biāo)的機體水箱和透明模型，并且模型的表面質(zhì)量也比較高。

別外，在鑄造生產(chǎn)中，特別是對于一些形狀復(fù)雜的鑄件（例如飛機發(fā)動機的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機的缸體、缸蓋等）模具的制造難度更大。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠有專用的大型設(shè)備，但這些專用設(shè)備價格昂貴，模具加工的周期又很長，再加上沒有很好的計算機軟件支持，所以機床的編程也很困難。而快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，為模具鑄造業(yè)的生產(chǎn)提供了安全可靠的保障。

[ 參考文獻]

[1] 楊強，李振發(fā)，魯中良，苗凱 基于光固化成形技術(shù)的空心葉片陶瓷鑄型復(fù)形精度控制《第16屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集（下）》 2015-10-31

[2] 談耀文，王永信 基于光固化成形的快速熔模鑄造組樹方法《熱加工工藝》 2015-03-06 16：09

[3] 魯中良; 周江平; 李滌塵; 楊東升; 董茵 基于光固化成形技術(shù)的復(fù)雜航空零件快速制造方法《航空制造技術(shù)》 2015-01-15

[4] 談耀文; 王永信 基于光固化快速成形的快速熔模鑄造設(shè)備 《機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量》 2014-11-15

[5] 吳海華; 黃川; 劉富林; 李廳 復(fù)雜精密鑄件整體式陶瓷鑄型間接自由成形工藝 《鑄造技術(shù)》 2015-02-18

作者簡介：張麗霞，女，漢族，1965年7月25日生，大學(xué)本科學(xué)歷，中共黨員，副教授，從事高職機械設(shè)計制造專業(yè)的教學(xué)研究。