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激光切割设备中的激光立体光制模技术

激光立体光刻(又称光固化)制模技术是指用紫外激光照射液态高分子聚合物,使其发生聚合反应,把单体聚合为大分子的一种快速传承性技术。随着分子之间距离的缩短,分子之间剪切强度增强。激光立体光刻制模的过程中,分层所有得到的每一膜层均由计算机控制激光束在液态树脂液面上扫描形成。在激光束扫描处,树脂或塑料被激活和固化,形成网状连接,并在液态树脂中形成一定几何形状的固化层。激光每次固化一个膜层,然后再保证相邻层可靠黏结的情况下,一层一层的逐渐堆积成三维实体零件。因此,零件的整体面型精度取决于每一膜层的精度以及堆积精度,堆积方式和堆积顺序,还与树脂受激光照射厚的单元固化形状,激光照射方式,光强分布以及材料特性等有关。

激光立体光刻制模的面型精度以及影响因素目前广泛应用于激光光刻(光固化)制模的材料种类很多,常用的主要有光敏树脂,丙烯基树脂,聚碳酸酯,尼龙,塑料,铜聚酰胺和石膏。常采用高的激光立体光刻制模方式有两种:轮廓扫描固化和填充扫描固化。激光立体光刻制模,首先由计算机辅助设计模型分层切片,以得到该层的上下轮廓信息和实体信息;经过面型化处理后得到的模型切片的轮廓数据实际上是一组收尾相接,有序排列的折线段,轮廓信息生成轮廓扫描数据,实体信息生成内部填充扫描数据;这样,激光束扫描每层树脂液面,然后一层层滴堆积成三维实体模型。

激光束扫描方式有多种,如交叉网络式,编制式以及ACES等。不同的激光扫描方式主要是为了减少层间的粘结应力。因为一旦在层间产生较大应力,则会发生固化后的翘曲变形现象,直接影响主体光刻制模的制作精度。另一方面,每一薄层的精度对立体光刻制模的面型精度也有影响,并与改层的模型中的位置有关。

任一薄层可认为是由杀昂下表面以及侧表面组成的,而零件的表面则是上下表面,上下倾斜表面,垂直表面以及具有不同特征的表面组成的,如果薄层是零件zui上面一层,则薄层的上表面将会影响零件的面型精度。一般情况下,薄层的上表面,侧表面或者下表面,测表面影响零件的面型精度。薄层表面是通过激光束扫描树脂液面形成的,因此页面的平整性直接影响零件的面型精度。当树脂粘度小,流动性好,铺以图层系统并刮平时,上表面的精度可以达到很高,其表面粗糙度是所有表面中zui小的。但是,如果填充扫描不是从一侧连续完成的,则在激光扫描的对接处会因树脂的收缩形成微量的凸起(这种凸起只能在后续处理中被磨掉)。

薄层的下表面精度不仅与单条扫描线对的固化形状有关,还取决于填充扫描的方式。单模He-Cd激光器发出的激光束,其光斑呈圆形,光强分布近似高斯分布,激光束扫描液面后,单条扫描树脂固化的形状。显然,减小扫描带之间的距离,或采用编制式扫描方式能够改善下表面的精度。

由于树脂固化时的收缩会造成下表面较差的平面度,因此,需要在后续处理中磨平下表面,薄层侧面的成型比较复杂,与单道扫描带的固化形状密切相关。实际上在形成薄层的侧表面时,并没有考虑其真实侧表面的形状。一方面是在处理数据时,薄层的侧表面的形状,特别是在偏转镜扫描式的成型机中,随着扫描半径(偏转系统轴线与扫描点的距离)的不同其形状是变化的,加之树脂对光纤的折射作用。这样造成了单位的差异,导致层层堆积时相邻层之间刹那生了台阶效应,大大降低了零件的面型精度,这是分层堆积快速成型法固有缺陷。

提高激光立体光刻制模面型精度的措施1)减小薄层厚度,增加分层数目 此种方法能提高模型离散的分辨率。但薄层厚度太小会给涂层带来困难。目前zui小层厚达0.05mm,zui大层厚达0.3mm。薄层厚度主要受激光功率的限制,一般选在0.1-0.2mm之间。2)减小模型表面与堆积方向的角度a a有一个zui大值,与制作方向的优化有关,a的取值要综合考虑到制作效率,支撑结构与方式,而不能只考虑精度。3)采用月牙光滑工艺 此种方法的过程是:在堆积第(i+1)层与第i层时产生台阶,在(i+1)层被扫描固化后,把被制的成形件降到液面下,然后再提升至扫描第i层的位置,这样在台阶处会存在一定的树脂,可通过激光扫描使其固化并与基体粘结在一起。这种方法在一定程度上可以起到光滑表面的效果。但因受到树脂粘性的影响,光滑效果较差。

4)变层厚的分区激光扫描固化工艺 正如前面提到的,为了得到较高的面型精度,应减少台阶效应。显然,减小台阶高度的zui有效措施是减小层厚,而这会影响制作效率,故可采用分区变层厚的方法,这种方法的思路是:将CAD模型分为轮廓区和实体区两个区域,在轮廓区采用小层厚扫描固化方法,而在实体区采用大层厚扫描固化方法,这样既能提高面型精度,又能保证制作效率。

5)采用整体涂刮工艺 这种方法类似表面喷涂工艺,即在零件制作完成后进行清洗,然后喷枪在零件表面上一层液态树脂,在进行固化,这种方法对宽敞的曲面较为合适。

 

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