光固化快速成型
光固化快速成型实验指导书
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。
SLA成型技术的基本原理
SLA成型技术的基本原理SLA成型技术，即光固化成形技术（Stereolithography，SLA），是一种先进的快速成型技术，它利用激光光束将光固化树脂逐层固化成所需的三维实体。
这种技术在现代制造业中得到了广泛应用，可以用于快速制作各种复杂的零部件、原型以及模型等。
1.设计模型：首先，根据需要制作的零部件或模型，利用计算机辅助设计（CAD）软件进行三维模型设计。
2.切片处理：将设计好的三维模型通过特定的切片软件进行处理，将其分解为多层薄片。
每一层的厚度通常在几十至几百微米之间。
3.光固化树脂槽：将液态的光固化树脂倒入一个槽中，以待后续固化。
4.激光扫描：将激光束按照预先设计好的路径在树脂表面扫描，通过逐层的照射，将光固化树脂逐渐固化成所需形状的实体。
5.等离子气氛处理：固化后的实体通过等离子气氛处理，移除未固化的残余物质，确保最终成品的质量。
6.后处理：经过固化和处理后，零部件或模型进行一些后处理工作，如去除支撑结构、抛光表面等。
SLA成型技术的关键是光固化树脂的选择和激光束的控制。
光固化树脂通常是一种特殊的光敏树脂，具有良好的流动性和固化性能，以确保制作出的零部件具有优良的质量。
同时，光束的控制也至关重要，激光束的功率、照射强度、扫描速度等参数都需要精确控制，以保证每一层固化的光固化树脂都能达到设计要求的质量。
除了SLA成型技术外，还有其他类似的快速成型技术，如选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、三维打印（3D Printing）等。
这些技术各有特点，适用于不同的应用领域。
在未来，随着快速成型技术的不断发展和完善，将会有更多的新技术出现，为现代制造业带来更多的便利和创新。
总的来说，SLA成型技术是一种高精度、高效率的快速成型技术，广泛应用于各个领域。
通过不断改进和优化，SLA技术将会为制造业带来更多的革新和进步。
叙述光固化快速成型的原理
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。
3D打印成形技术
感谢聆听
学习单元一
四、光固化快速成型技术的最新进展
当前SLA 技术的进展主要体现在以下几个方面： 1. 软件技术 随着越来越多的原型要在快速成型机上加工，RP 软件的性能在提高工作效 率、保证加工精度等方面变得越来越重要。因为虽然快速成型机的加工过程 是自动进行的，不需要人工干预，但RP 的数据处理却要由人来完成，特别 是由于目前通行的STL 文件总存在这样那样的问题。当操作员手中有大量的 原型要在短时间内加工出来时，数据处理就成了瓶颈，并且稍有疏漏，可能 导致一批零件的加工失败。
学习单元一
二、光固化快速成型的工作原理
将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处 理即得到满足要求的产品。 具体的工作步骤如下： （1）将液态的光敏树脂材料注满打印池。 （2）打印平台升起，直到距离液体表面一个层厚的位置时停下。 （3）水平刮板沿固定方向移动，将液体表面刮成水平面。 （4）激光器生成激光束，通过透镜进行聚焦后照射在偏振镜上，此时偏振 镜根据切片截面路径自动产生偏移，这样光束就会持续地依照模型数据有选 择性地扫描在液面，由于树脂的光敏特性，被照射到的液态树脂逐渐固化。 （5）在固化完成后，打印平板自动降低一个固定的高度，水平刮板再次将 液面刮平，激光再次照射固化，如此反复，直至整个模型打印完成。
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三ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光固化快速成型的特点
光固化快速成型的优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作 精度要求高、结构复杂的小尺寸工件。在使用光固化快速成型的工业 级3D 打印机领域，比较著名的是Object 公司。该公司为SLA 3D 打印 机提供100 种以上的感光材料，是目前支持材料最多的3D 打印设备。 同时，Object 系列打印机支持的最小层厚已达16 μm在所有3D 打印 技术中，SLA 打印成品具备最高的精度、最好的表面光洁度等优势。
光固化快速成型工艺
上海联泰科技有限公司: RS系列
第2章 光固化快速成型工艺
2.2 SLA设备
材 料 及 设 备
第一台RP商品化设备： 3D Systems公司的SLA250机型
第2章 光固化快速成型工艺
2.2 SLA设备
材 料 及 设 备
SLA5000机型
加工尺寸：508×508×584mm 激光扫描速度：5m/s 最小层厚：0.05mm
第2章 光固化快速成型工艺
2.2
CPS快速成型机
设备结构简介
材 1.机械结构 料 (3)树脂循环系统
及 保证在制作过程中树脂液面位置不变，以保证聚焦光斑大 设 小恒定。
备 利用树脂恒定补充，动态溢流的原理保持树脂液而不变。
基本结构: 树脂内槽、树脂外槽、排液口、液轮、 内流电机、溢流槽。
第2章 光固化快速成型工艺
有台阶不平及不同层面间的曲面不平；适合做小件及 精细、复杂件。
第2章 光固化快速成型工艺
缺点
2.1 1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。
基 2、成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。 本 3、光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温 原 度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
材
料
整套设备分为两部分，即成型 室部分和电器控制部分。
及
安装时，两部分合为一起保持
设
设备的整体性，分体的结构便
备
于包装和运输。
第2章 光固化快速成型工艺
2.2
材 料 及 设 备
CPS快速成型机 设备结构简介
1.机械结构 (1) Z轴升降工作台
完成托板的升降运动。 在制作过程中，进行每一层的步进， 制作完成后，实现工作台快速提升出 树脂液面，以方便零件的取出。
快速成型技术的种类
快速成型技术的种类
快速成型技术是一种以数字化模型为基础，通过逐层堆积材料，实现快速制造物品的技术。
快速成型技术的种类很多，常见的有以下几种：
1. 光固化快速成型技术：通过紫外线或激光束照射光敏树脂，使其固化成所需形状。
2. 喷墨式快速成型技术：通过喷墨头控制液体喷射，将粉末材料逐层喷涂并加固。
3. 熔融沉积式快速成型技术：将金属丝或粉末熔化，通过火焰或电弧喷射，逐层沉积成型。
4. 熔化层压式快速成型技术：将塑料或金属粉末加热或熔化，通过喷嘴或挤出机，逐层堆叠并加固。
5. 粉末烧结式快速成型技术：将粉末压缩成形，然后通过高温处理或激光束烧结，实现快速成型。
以上是常见的几种快速成型技术，它们各有优劣，可以根据具体需求选择合适的技术。
- 1 -。
第二章_光固化快速成型工艺
（4）节省能量。 各种光源的效率都高于烘箱。
（5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。 （6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。
第二节 光固化快速成型材料及设备
第二节 光固化快速成型材料及设备
❖ 2.2.1 光固化快速成型材料
1. 光固化材料优点及分类
光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料 具有下列优点：
（1）固化快 可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。
（2）不需要加热 这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。
图2-4 树脂对激光的吸收特性
第二节 光固化快速成型材料及设备
3.光固化成型材料介绍
下面分别介绍Vantico公司、3D Systems公司以及DSM公司的光固 化快速成型材料的性能、适用场合以及选择方案等。
（1）Vantico公司的SL系列
下表给出了Vantico公司提供的光固化树脂在各种3D Systems公司光 固化快速成型系统和原型不同的使用性能和要求情况下的光固化成型材 料的选择方案。
第二节 光固化快速成型材料及设备
2. 光敏树脂的组成及其光固化特性分析 （1）光敏树脂 用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物、光引 发剂、稀释剂组成。 齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的 末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大， 一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。 光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定波长的 光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚 合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而 呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。
快速成型技术及其应用
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。
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光固化快速成型
一、前言
随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。
在这种情况下，自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。
制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。
因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。
从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。
所以我们要掌握该技术，才能在未来的商业或国际竞争中立于不败之地。
快速成型(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，是基于离散－堆积成形原理的先进制造技术的总称。
被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。
它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。
即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。
快速成型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性
而得到了迅速发展，快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。
而采用全新的“增长”加工法——用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合,因此,它不必采用传统的加工机床和模具,只需传统加工方法的10%～30%的工时和20%～35%的成本,就能直接制造出产品样品或模具。
由于快速成形具有上述突出的优势,所以近年来发展迅速,已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术,实现并行工程(Concurrent Engineering,简称CE)必不可少的手段。
例如，可增加产品设计的自由度，可采用非均质材料，可采用客户定制以及及时制造的生产方式，易于实行异地制造等越是形状复杂且批量小的零件，越应当采用快速制造技术。
RPM的特点：(1) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；(2) 原型的复制性、互换性高；(3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；(4）加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关；(5) 高度技术集成，可实现了设计制造一体化。
近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。
尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。
快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。
目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有五种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、
选择性激光烧结法、熔融沉积制造法和三维印刷法等。
二、光固化成型
1、"Stereo lithography Appearance"的缩写,即立体光固化成型法。
用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面。
这样层层叠加构成一个三维实。
光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，它的成型原理是：SLA将所设计零件的三维计算图像数据转换成一系列很薄的模型截面数据，然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓。
下一层以同样的方法制造。
该工艺从零件的最底薄层截面开始，一次一层连续进行，直到三维立体模型制成。
一般每层厚度为0.076～0.381mm，最后将制品从树脂液中取出，进行最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色即可。
如图1：
图1
要实现光固化快速成型，感光树脂的选择也很关键。
它必须具有合适的粘度，固化后达到一定的强度，在固化时和固化后要有较小的收缩及扭曲变形等性能。
更重要的是，为了高速、精密地制造一个零件，感光树脂必须具有合适的光敏性能，不仅要在较低的光照能量下固化，且树脂的固化深度也应合适。
2、成型过程及应用
（1）成型过程
光固化快速成型的过程分为前处理、分层叠加成型及后处理三个阶段。
例如图1所示的成型过程，液槽中盛满液态光敏树脂，氦-镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件
的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产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，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工。
新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。
当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。
之后去掉支撑，进行清洗，然后再将实体原型放在紫外激光下整体固化。
（2）应用
1）、可以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。
2）、用SLA制件进行产品性能测试与分析
例如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。
3、光固化成型的优势
（1）、光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验。
（2）、由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,
无需切削工具与模具。
（3）可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。
（4）、使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本。
（5）、为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。
（6）、可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化。
4、光固化成型的缺憾
（1）、SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高。
（2）、SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻。
（3）、成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存。
（4）、预处理软件与驱动软件运算量大,与加工效果关联性太高。
（5）、软件系统操作复杂,入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。
（6）、立体光固化成型技术被单一公司所垄断。
三、快速成型的发展前景
RPM技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。
RP技术在制造工业中应用最多（达到67%），说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。
目前快速成形技术还存在许多不足，下一步研究开发工作主要在
以下几方面：
（1）改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；
（2）开发经济型的快速成形系统；
（3）快速成形方法和工艺的改进和创新；
（4）快速模具制造的应用；
（5）开发性能良好的快速成形材；
（6）开发快速成形的高性能软件等。
总而言之，快速成型技术是一种新型成型方法，虽然问世不久，但已广泛应用于国民经济的许多领域，给许多行业带来了巨大的经济效益。
随着市场一体化竞争的日趋激烈，要求新产品开发和生产周期越来越短，这为快速成型技术的生产与发展带来了广阔的空间。
RP 技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展发挥起到越来越重要的作用，并将给企业带来丰厚回报，其自身也将获得更大的发展。