光固化快速成型工艺过程分析及应用

第2章快速成型技术及其在铸造中的应用2.1 引言快速成型（Rapid Prototyping-RP）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。

它的核心技术是计算机技术和材料技术。

快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据CAD生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。

用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。

从制造原理上讲，快速成型（RP）技术一改“去除”为“堆积”的加工原理，给制造技术带来了革命性的飞跃式发展。

基于RP原理的快速制造技术经十几年的发展，在创新设计、反求工程、快速制模各方面都有了长足的进步。

RP技术的应用可大大加快产品开发速度，缩短制造周期，降低开发成本。

现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期，要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场，如新型电话机的市场寿命仅6个月，又如台湾和日本摩托车行业，每三个月就推出一种新型摩托车投入市场，摩托车几万辆就需改型。

二十世纪九十年代以来，在信息互联网支持下，由快速设计、反求工程、快速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。

快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。

Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。

同年，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司。

紫外光固化3d打印快速成型工艺的原理及优势随着科技的不断进步，3D打印技术已经成为了现代制造业中的一项重要技术。

其中，紫外光固化3D打印技术以其高效、精确和灵活的特点，成为了广泛应用的一种快速成型工艺。

本文将介绍紫外光固化3D打印的原理及其优势。

紫外光固化3D打印技术是一种利用紫外光照射液态光敏物质，通过逐层固化构建物体的制造方法。

其原理基于光敏物质的特性，即在紫外光的照射下，光敏物质会发生光化学反应，从而使其从液态转变为固态。

在3D打印过程中，首先需要将设计好的模型转化为3D打印机可识别的文件格式，然后通过3D打印机将光敏物质逐层喷射或涂覆在工作台上。

接下来，紫外光束会按照预设的路径照射到光敏物质上，使其发生固化反应。

随着每一层的固化完成，工作台会逐渐下降，以便进行下一层的打印。

最终，通过逐层堆积，一个完整的3D打印物体就会被制造出来。

紫外光固化3D打印技术相比于传统的制造方法具有许多优势。

首先，它具有高效的特点。

传统的制造方法通常需要制作模具或工装，而紫外光固化3D打印技术可以直接将设计好的模型转化为实体，无需额外的制造过程。

这大大缩短了制造周期，提高了生产效率。

其次，紫外光固化3D打印技术具有高精度。

由于紫外光束的直径可以控制在几十微米甚至更小的范围内，因此可以制造出非常精细的结构和复杂的形状。

这对于一些需要高精度的领域，如医疗器械和航空航天部件的制造，具有重要意义。

此外，紫外光固化3D打印技术还具有较高的材料选择性。

不同的光敏物质可以用于制造不同性能和功能的物体，如硬度、透明度、耐热性等。

这使得紫外光固化3D打印技术在各个领域都有广泛的应用前景。

除了上述优势，紫外光固化3D打印技术还具有一些其他的特点。

首先，它可以实现快速原型制作。

在产品开发的早期阶段，通过3D打印可以快速制作出样品，以便进行功能测试和外观评估。

这大大缩短了产品开发周期，降低了开发成本。

其次，紫外光固化3D打印技术还可以实现个性化定制。

光固化快速成型实验指导书1.实验目的快速成型（Rapid Prototyping）技术是20世纪80年代后期发展起来的一种新型制造技术，是近20年制造技术领域的一次重大突破。

通过实验使学生对快速成型技术的成型过程有较生动的理解，以及了解快速成型技术的应用。

2.实验仪器与设备（1）UG、3DMAX、CATIA、SOLIDWORKS等三维造型软件。

（2）数据处理部分主要使用光固化快速成形系统数据准备软件Rp Data对三维模型进行加支架、分层；（3）采用的SLA成型设备是西交大SLA（XJRP）激光快速成型机，型号为SPS450B，如图2-2；它采用高精密聚焦系统，在整个工作面上光斑直径<0.15mm，采用伺服电机、精密丝杠组成闭环控制系统，使Z向升降台重复定位精度达到±0.05mm；采用超高速扫描器，激光扫描速度可达到8m/s，制作速度可达到60g/h，特别适合于企业及激光快速成型服务中心。

SPS系列激光快速成型机成型效率高，适宜汽车等大型物件成型。

其技术参数如下表3-1。

表3-1 SLA技术参数图3-2 激光快速成型机3.实验原理光敏树脂液相固化成型（SLA—Stereolithography Apparatus）光敏树脂液相固化成形又称光固化立体造型或立体光刻。

其工作原理如下图所示。

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，有选择的扫描液态光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树脂，每固化一层后，工作台下降一段精确距离，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紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成一个零件实体模型。

激光立体造型制造精度目前可达±0.1mm,主要用作为产品提供样品和实验模型。

图3-3 光固化原理4.实验内容与步骤4.1 三维模型制作用CAXA、UG、等三维造型软件制作任意加工零件。

典型RP第章光固化快速成型SLA工艺快速成型技术（Rapid Prototyping Technology, RP）是指通过计算机辅助设计（CAD）系统对实体物体进行实时建模，并将模型信息传输至快速成型机，通过多种加工工艺制造出具有相应物理属性的实体模型，通常用于产品设计原型开发。

光固化快速成型技术（Stereolithography Apparatus, SLA）是快速成型技术中的一种，它首先通过计算机模型生成薄切片图像，然后将这些图像逐层投影到液化光敏树脂上，并利用紫外线光束再次照射树脂，使树脂分子之间发生化学反应，固化成具有形状和特定性质的固态物体。

SLA工艺是快速成型技术中的一种高精度加工工艺，能够制造出繁琐的空间精细构形，具有许多优越的特性，例如精度高、速度快、制造出的模型表面光滑、具有复杂的内部空腔结构等。

SLA工艺的基本流程SLA工艺的基本流程可以分为以下几个步骤：1.制作CAD模型：首先，需要利用计算机辅助设计（CAD）软件，制作出需要制造的实体模型。

2.制作STL文件：需要将CAD模型转化成为STL文件，STL文件实质上是将CAD模型切割成为不同的图层，在SLA加工时可以依次加工每个图层从而形成最终模型。

3.对STL文件进行切片处理：依据预设的SLA加工参数，将STL文件进行切片处理。

4.进行SLA加工：将切片后的图像逐层投影到液化光敏树脂上，并利用紫外线光束固化树脂，得到最终的实体模型。

需要注意的问题SLA工艺在加工时需要注意以下几个问题：1.液化光敏树脂的选择：树脂的选择对于模型的性能具有很大的影响，需要选择与实际需求相符合的树脂。

2.切片厚度的选择：切片厚度对于模型表面质量和制造时间都具有一定的影响，需要根据实际需求进行选择。

3.加工参数的设置：加工参数包括光敏树脂的固化时间、灯管功率、投影方式等，需要根据所使用的材料进行参数调整，以获取最佳的加工效果。

SLA工艺的应用SLA工艺在产品开发和生产领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.原型制作：SLA工艺可以制造出高精度、具有内部空腔结构的实体模型，用于验证设计的可行性和准确性，可以大大缩短开发周期。

叙述光固化快速成型的原理光固化快速成型（Stereolithography，简称SLA）是一种基于光固化原理的三维打印技术。

它通过逐层固化液态光敏聚合物材料，实现了高精度、高速度的三维物体制造。

光固化快速成型的原理是基于光敏聚合物材料的特性。

在SLA中，首先需要将设计好的三维模型输入到计算机中，并通过软件将模型分割成薄片状的层次，每一层都有自己的二维轮廓。

然后，通过激光或者LED光源照射到涂覆在建造平台上的光敏聚合物材料上，使其固化成固体。

在光敏聚合物材料中，含有光敏剂，其作用是吸收光能并引发聚合反应。

当激光或者LED光源照射到光敏聚合物材料上时，光敏剂会吸收光能，从而引发材料的聚合反应。

聚合反应使得光敏聚合物材料从液态变为固态，固化成一层薄片。

完成一层的固化后，建造平台会向下移动一定的距离，以便为下一层的固化提供空间。

然后，再次通过激光或者LED光源照射到新涂覆的光敏聚合物材料上，使其固化成固体。

如此循环，逐层堆叠固化，直到整个三维模型被构建完成。

在光固化快速成型过程中，需要注意的是光敏聚合物材料的选择和光源的选择。

光敏聚合物材料的选择应根据所需物体的特性和要求来确定，包括强度、韧性、透明度等。

而光源的选择则应根据光敏聚合物材料的特性和反应速度来确定，以确保固化过程的高效和准确。

光固化快速成型技术具有许多优点。

首先，由于采用了逐层固化的方式，可以制造出非常复杂的结构和细节，实现高精度的制造。

其次，光固化快速成型速度快，可以大大缩短制造周期，提高生产效率。

此外，由于光固化快速成型是一种无需模具的制造技术，因此能够节省制造成本，并且可以根据需要灵活调整和修改设计。

光固化快速成型技术在众多领域都有广泛的应用。

例如，在产品设计和开发过程中，可以通过光固化快速成型技术制造出产品样品，用于验证设计并进行市场测试。

在医疗领域，可以利用光固化快速成型技术制造出个性化的医疗器械和假体。

在航空航天领域，可以利用光固化快速成型技术制造出复杂的零部件和模型。

浅谈光固化成型工艺及发展前景1 概述快速成型技术是制造业领域迅速发展的一项新兴技术，其核心是数字化、智能化、快速化、高效化，实现了随时、随地按需生产。

其中光固化成型工艺由美国Charles W.Hull于1984年最早提出并获得专利，在1988年美国3D System 公司最先推出商品化成型设备后得到飞速发展与应用。

该工艺以光敏树脂为原料，采用材料逐层叠加原理，通过控制紫外光束，使液体光敏树脂固化成型，材料利用率接近百分之百。

光固化成型工艺是一种综合集成技术，其整体性能取决于各技术分支的发展。

光固化成型工艺原理简单、方法简捷，可实现对具有复杂几何形状、高加工精度要求的原型进行全自动制造成型，因而得到了广泛的应用。

目前，德国EOS公司、日本CMET公司及国内西安交通大学和华中科技大学等在成型工艺上取得了一定的进展与突破。

2 光固化成型工艺的基本原理及特点2.1 基本原理光固化成型工艺的成型过程如图1所示。

树脂槽中盛满液态光敏树脂，在控制系统的控制下，氦-镉激光器或氩离子激光器发出的特定波长与强度的紫外激光聚焦在材料表面，按零件的各分層截面信息进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层发生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。

一层固化完毕后，工作台垂直下移一个层厚的距离，在已固化好的树脂表面再均匀地敷上一层新的液态树脂，为了保证实体精度，采用刮板对黏度较大的树脂液面进行刮切，使表面更加光滑平整，然后再进行下一层的扫描固化。

新固化的树脂牢固地黏结在前一层上，如此重复直至整个零件成型完毕，得到一个三维实体原型。

将实体取出，而后将多余树脂排净，去掉支撑，清洗干净，最后将实体原型放在紫外激光下整体固化。

2.2 工艺特点2.2.1 优点。

（1）自动化程度较高，基于稳定的SLA系统，加工伊始至原型制作完成的整个过程可实现全自动化成型；（2）成型尺寸精度高，SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm，甚至更高；（3）优良的表面质量，可使上表面仍达到玻璃状效果；（4）模型适应性较强，可对具有复杂形状、精细尺寸的模型进行成型，特别是对一般切削刀具难以进入且内部结构复杂的模型，可顺利实现一次成型；（5）可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型；（6）制作的原型对塑料件有很强的替代性，且整个加工过程较为节能、环保；（7）整个制作过程相比传统工艺更加便捷、高效和智能。

快速成型技术及其应用一、本文概述随着科技的迅速发展和市场竞争的日益激烈，产品的设计、开发和生产周期已经成为决定企业竞争力的关键因素。

在这一背景下，快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP技术）应运而生，以其独特的优势在生产制造领域引发了深刻的变革。

本文旨在全面介绍快速成型技术的基本概念、发展历程、主要类型及其在各行业中的应用实例，分析快速成型技术带来的经济效益与社会影响，并展望其未来的发展趋势和挑战。

通过对这一技术的深入探讨，我们期望能够帮助读者更好地理解并应用快速成型技术，以促进企业创新能力的提升和产业升级的加速。

二、快速成型技术的基本原理与分类快速成型技术（Rapid Prototyping, RP）是一种基于三维计算机辅助设计（CAD）数据，通过逐层堆积材料来制造三维实体的技术。

其基本原理可以概括为“离散-堆积”。

将三维CAD模型进行切片处理，得到一系列二维层面信息；然后，按照这些层面信息，通过特定的成型设备，如激光烧结机、熔融沉积机、光固化机等，将材料逐层堆积起来，最终形成与原始CAD模型一致的三维实体。

根据成型材料的不同和成型方式的差异，快速成型技术可以分为以下几类：熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）：该技术使用热塑性材料，如蜡、ABS塑料等。

材料在喷头中加热至熔融状态，然后按照CAD模型的切片信息，通过喷头逐层挤出材料，冷却后形成实体。

光固化成型（Stereo Lithography, SLA）：使用液态光敏树脂作为材料。

在紫外光照射下，液态树脂逐层固化，形成实体。

该技术精度较高，适用于制造复杂结构和高精度的模型。

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）：采用粉末状材料，如塑料粉末、金属粉末、陶瓷粉末等。

在激光的作用下，粉末逐层烧结，形成实体。

该技术可以制造金属和陶瓷等高强度材料的零件。

快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点：快速成型属于离散／堆积成型。

它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件．然后进行坯件的后处理，形成零件。

快速成型的工艺过程具体如下：l ）产品三维模型的构建。

由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD 模型。

该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT 断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。

2 ）三维模型的近似处理。

由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。

由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。

它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3 个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。

STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。

典型的CAD 软件都带有转换和输出 STL 格式文件的功能。

3 ）三维模型的切片处理。

根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。

间隔一般取0.05mm~0.5mm，常用 0.1mm 。

间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。

光固化成型技术的应用和发展趋势华曙高科手板模型指出光固化成型技术的应用可分为：（1）用SLA制造模具。

用SLA工艺快速制成的立体树脂模可以代替蜡模进行结壳，型壳焙烧时去除树脂膜，得到中空型壳，即可浇注出具有高尺寸精度和几何形状、表面光洁度较好的合金铸件或直接用来制注射模的型腔，可以大大缩短制模过程，缩短制品开发周期，降低制造成本。

（2）对样品形状及尺寸设计进行直观分析。

在新产品设计阶段，虽然可以借助设计图纸和计算模拟对产品进行评价，但不直观，特别是形状复杂产品，往往因难于想象其真实形貌而不能作出正确及时的判断。

采用SLA可以快速制造样品，供设计者和用户直观测量，并可迅速反复修改和制造，可大大缩短新产品的设计周期，使设计符合预期的形状和尺寸要求。

（3）用SLA 制件进行产品性能测试与分析。

在塑料制品加工企业，由于SLA制件有较好的机械性能，可用于制品的部分性能测试与分析。

光固化快速成型技术的发展趋势：1、立体光固化成型法的的发展趋势是高速化,节能环保与微型化2、不断提高的加工精度使之有最先可能在生物,医药,微电子等领域大有作为.3、不断完善现有技术、探索新的成型工艺；复合工艺、基于快速原型制造技术的金属件、金属模具制造系统4、开发性能优越的成型材料复合材料、陶瓷材料等：进一步提高制件的强度、精度、性能和寿命。

5、研制经济、精密、可靠、高效、大型的制造设备大型覆盖件及其模具6、开发功能强大的数据采集、处理和监控软件7、网络化、桌面化没有完善的产品开发能力的公司可以直接从网络上得到产品的CAD模型，利用自己的RP技术和设备迅速制造出原型。

没有RP设备的公司也可以从网络上将自己的设计结果传送到其他公司或快速RP服务中心制造原型，从而实现远程制造。

基于RP技术的桌面制造系统成为研究人员日常的办公用具，与打印机、绘图仪一样作为计算机外设出现在办公室里。

8、拓展新的应用领域.产品设计、快速模具制造到医学、医疗领域、考古领域。

SLA（光固化成型）是一种广泛应用于快速成型工业的先进制造技术。

它是一种基于光固化原理的三维打印技术，逐层地将液态光敏树脂材料通过紫外线激光束逐点固化，最终形成所需的实体模型或零件。

SLA成型工艺的原理是通过光敏树脂的光聚合反应来实现材料的固化。

在SLA机器中，液态光敏树脂被注入到一个透明的槽内，然后在槽的上方通过一个光学系统投射紫外线激光束。

激光束的光能量会引起光敏树脂分子链的聚合反应，使其从液态转变为固态。

这个过程是逐层进行的，每一层固化后，建构平台会向上移动一个特定的高度，以便下一层的固化。

SLA成型工艺的优势之一是其高精度。

由于激光束的直径非常小，通常在几十微米到几百微米之间，因此，SLA可以实现非常精细的细节和复杂的几何形状。

此外，SLA成型还可以制造出光滑的表面质量和高度精确的尺寸。

这使得SLA成型广泛应用于需要高精度和高质量的领域，如医疗、航空航天和汽车工业。

然而，SLA成型也存在一些限制。

首先，光敏树脂材料的选择相对有限。

不同的应用需要不同特性的材料，而目前市场上可供选择的光敏树脂种类较少。

其次，SLA成型的制造速度相对较慢，因为每一层的固化需要一定的时间。

这限制了SLA成型在大批量生产中的应用。

此外，SLA成型的设备和材料成本相对较高，这也是其应用受限的因素之一。

尽管存在一些限制，SLA成型工艺仍然是一种非常有前景的制造技术。

随着材料科学和光学技术的不断进步，我们可以期待更多新型光敏树脂的开发和应用。

此外，SLA成型的制造速度也在不断提高，使其适用于更广泛的应用领域。

总的来说，SLA成型工艺将继续为制造业带来更多创新和发展机会。