基于冰上的光固化快速成型技术概要.docx

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基于冰上的光固化快速成型技术概要

2010年2月第38卷第4期

机床与液压

MACHINETOOL&HYDRAULICS

Feb12010

Vol138No14

DOI:

10.3969/j1issn11001-3881120101041001

收稿日期:

2009-02-05

作者简介:

唐少林（1985—,男,研究生,研究方向为CAD/CAM及先进制造技术。

电话:

139********,E-mail:

lzzjd_2003@yahoo1com1cn。

基于冰上的光固化快速成型技术

唐少林,樊军,王健

（新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830000

摘要:

为了解决快速成型技术实际应用中的精度与成本之间的矛盾,提出了基于冰上的光固化快速成型技术,该技术综合了现有的光固化（SL和熔融沉积成形（FDM设备的工作原理,实现了在保证原型精度的同时,大大降低了制造设备和成型的成本。

关键词:

冰;光固化;快速成型中图分类号:

TH164　　文献标识码:

A　　文章编号:

1001-3881（20104-001-2

StereolithographyRapidPrototypingTechnologyBasedonIce

TANGShaolin,FANJun,WANGJian

（SchoolofMechanicalEngineering,XinjiangUniversity,UrumchiXinjiang830000,China

Abstract:

Inordertosolvetheconflictbetweentheaccuracyandthecostinpracticalapplicationofrapidprototypingtechnology,stereolithographyrapidprototypingtechnologybasedonicewaspresented,whichcombinestheprincipleofstereolithographyandfuseddepositionmodeling.Theprototypeaccuracywasensured,thecostofequipmentandmachiningwasreducedbyusingthistechnology.

Keywords:

Ice;Stereolithography;Rapidprototypingtechnology

0　引言

快速成型（RP技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具,有效地缩短产品的研发周期,是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。

使用RP技术,把概念设计置于昂贵的模具制造这一工序之前,能给设计和制造人员以检验及修改设计的机会。

因此,在制造业飞速发展的今天,它的应用前景非常好。

目前已有的快速成型技术有激光光固化（Stereolithography,简称SL、熔融沉积成形（FusedDepositionModeling,简称FDM、分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing,简称LOM和激光选区烧结（SelectiveLaserSintering,简称SLS。

但是它们之间不同程度地存在着成型精度与成型成本的矛盾,这也在一定程度上阻碍了快速成型技术的发展。

为了平衡成型精度与成型成本之间的矛盾,促进快速成型技术的应用和普及,提出了基于冰上的

光固化快速成型技术（ISL[1]

。

1　工作原理

基于冰上的光固化快速成型技术（ISL是一种利用光敏树脂在特定波长的紫外光照射下固化和水在低温下凝固成冰的物理特性,并综合了现有的光固化（SL和熔融沉积成形（FDM设备的工作原理的新型快速成型技术,它在保证高精度的同时大

大降低了制造设备和成型的成本,将势必加速对快速成型技术的应用和普及。

原理如图1

所示。

1—0℃的光敏树脂溶液　2—导管　3—紫光灯　4—原型喷嘴　5—支撑喷嘴　6—0℃的水溶液（水+增稠剂　7—

三轴数控系统　8—支撑（冰　9—原型件10—升降平台　11—成型腔　12—CAD模型　13—计算机　14—温控系统

图1　基于冰上的光固化快速成型系统原理图

111　材料类型

采用光敏树脂做原型材料,能在特定波长的紫外光照射下发生光聚合反应而固化,膨胀系数小,凝固点应不高水的冰点且不溶于水。

用水做支撑材料,需添加适量的增稠剂,增加水的黏稠性,使水从喷嘴里喷出来在凝固之前不至于散掉而保证圆柱的形状。

112　成型步骤11211　图形处理

制造一个产品,首先要通过三维造型软件（如:

Pro/E、UG、SolidWorks进行产品的三维模型构造,然后将得到的三维模型转换为STL格式,再将STL格式的模型导入到专用的切片软件中（如华中科技大学的HRP软件进行切片,无需添加额外支撑。

11212　基底制作

为了将ISL原型的叠件与工作台牢固连接和确保原型能顺利地取下,需要制作基底。

基底是用水做的,为了使从喷头喷出的水流瞬间凝固成冰（喷头喷出的为0℃的水,需要将成型腔的温度控制在-10℃左右,从而使凝固的冰丝截面成圆形。

通常设3~5层的叠层作为基底,为了平衡冰丝之间的力,叠层可做成如图2

所示的形状。

图2　基底成形图

11213　原型制作

制作完基底后,原型制作就开始了。

首先根据切

片信息控制成型喷头完成一层的成型件制作（通过控制成型腔内均匀布置的紫外灯的强度,使喷出的0℃光敏树脂流瞬间固化,从而确保固化后的树脂为圆形,片层的其余部分再用支撑喷嘴将其填满,这样就完成了一整层的制作,接着将工作台下移一个层厚的距离,再制作下一层,如此反复直到整个原型制造完毕。

11214　余料去除

余料主要是冰,去除比较简单。

在制造过程中,原型（光敏树脂始终暴露在紫外光下,得到了一定的固化,为了使它彻底固化,在余料去除时继续对其进行紫外光照射,可以省去对原型进行二次固化。

停止对成型腔进行制冷,使其温度慢慢恢复到室温,同时余料（冰也慢慢地融化成水,从升降台的网孔排出,如图3所示。

最后工作台上留下的便是要制

作的原型。

图3　升降台俯视图

11215　后置处理

余料去除后,为提高原型表面质量或需要进一步翻制模具,则需对原型进行后置处理。

经过必要的后置处理工作,就能满足对快速原型表面质量、尺寸

稳定性、精度和强度等的特殊要求。

2　ISL的特点

表1　快速成型工艺的比较[2-6]

成型方法

成型头零件复杂程度精度材料

利用率

成型材料

主要特点及性能

突出优点SL

激光或

紫外光

中等

高

>99%

光敏树脂,光敏树脂+陶瓷（金属设备昂贵,原材料贵,加工成本高、激

光器寿命短、维护费用高,适合用于小件、精密件的制造。

分辨率高、度精高、表面质量好FDM喷头中等较低>99%

石蜡、热塑性塑料、金属（陶瓷自动加支撑,操作难度小,但制造速度慢;制造硬度高,但韧性稍差,不致密有空隙;精度中等。

原材料适用性好、成本较低SLS激光复杂较低>99%

石蜡、塑料、

金属

制件强度好、韧性好;既可做样件,也可做蜡模;制造价格适中,运行成本

低;精度中等。

原材料应用范围广LOM激光简单或

中等　高较差

纸、金属箔、塑料适用于制造大型实心样件、直接成形铸造木模,效率高、速度快。

加工速度快、成本低ISL喷头复杂

较高100%

光敏树脂+水（加了增稠剂设备便宜,余料去除容易,适用于复杂零件的制造,也可以直接制作熔模及精密铸造的具有中空的消失模。

性价比高

（下转第60页

图4　调速阀与节流阀的速度-负载特性比较

21312　采用溢流节流阀的进油节流调速回路此回路是在进油节流调速系统中,用溢流节流阀取代节流阀（或调速阀而构成。

泵不在恒压下工作（属变压系统,泵压随负载的大小而变,其效率比进口节流阀（或调速阀调速回路高。

此回路适用于运动平稳性要求较高、功率较大的节流调速系统。

3　结论

综上所述,进油节流调速回路适用于轻载、低速、负载变化不大和对速度稳定性要求不高的小功率场合。

由于进油节流调速在实现压力控制的方便性、停车后的启动性能、低速运动平稳性等方面优于回油节流调速,故实际应用中,为了提高回路的综合性能,很少采用回油节流调速回路,一般常采用进油节流调速,并在回油路上加背压阀,使其兼具二者的优点。

旁路节流调速回路,由于其速度-负载特性很软,低速承载能力差,所以该回路只用于高速、重载、对速度平稳性要求不高的较大功率的系统,如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。

参考文献:

【1】郑淑丽.节流调速回路的速度-负载特性研究[J].山东科技大学学报,2004（6:

40-431

【2】王伟.进回油节流调速回路性能比较[J].现代制造工程,2005（10:

95-981

【3】姚黎明,邹灵琳.节流阀节流调速系统速度平稳性分析[J].液压与气动,2007（11:

20-231

【4】党育哲,夏超国.旁路节流调速实验曲线下凹的原因分析[J].十堰职业技术学院学报,2000（2:

16-181【5】吴晓路.液压系统的调速方法[J].机械研究与应用,2006（6.

【6】何存兴,张铁华.液压传动与气压传动[M].武汉:

华中科技大学出版社,20001

（上接第2页

211　设备制造和成型的成本低

因为没有采用昂贵的激光头,且成型材料（光敏树脂的利用率达到了100%,加之用廉价的水作为支撑材料并且可以循环利用,从而大大降低了运行成本。

212　余料去除容易

没有添加额外的支撑,唯一的余料就是冰,只要提高温度,余料就自动消失了,避免了在这一过程中对原型造成损害。

213　较高的表面质量和精度

由于喷嘴中喷出的是液体材料,所以喷嘴的直径可以设计的比FDM中的小,从而确保有较高的原型精度和表面质量。

214　环保

虽然光敏树脂具有毒性,但它得到了百分之百的使用,对环境不会构成危害,再加上余料是水而且还可以循环利用,也就满足了环保的要求。

215　可以成型复杂零件

由于它是利用水做原型的支撑,去除方便、容易,也不会对原型造成损害,所以只要有CAD模型就能制造出原型,对零件复杂程度没有要求。

现将ISL与SL、FDM、SLS、LOM等4种典型快速工艺进行比较,如表1所示。

3　结束语

快速成型技术是一种处在发展完善过程的高新技术,其技术本身和应用领域尚需进行大量的开发研究。

基于冰上的光固化快速成型技术是在现有技术的基础上提出来的,它综合了激光光固化（SL和熔融沉积成形（FDM的一些特点,并结合实际情况对其进行了完善,在一定程度上可以降低快速成型技术应用的门槛,加快快速成型技术在各个领域中的应用和普及。

希望将其早日应用到实际生产上,从而为我国的快速自动成型事业的健康发展以及制造业水平的提高作出贡献。

参考文献:

【1】王运赣.快速成型技术[M].武汉:

华中理工大学出版社,1999.

【2】史玉升,莫健华,黄树槐,等.常用快速成形系统及其选择原则[J].锻压机械,2001（2:

1-7.

【3】周惦武.快速成型技术的研究发展与发展趋势[J].锻造设备研究,2003,4（2:

51-53.

【4】刘晓辉.快速成型技术发展综述[J].农业装备与车辆工程,2008（2:

10-13.

【5】孟宝全,赵淑玉.快速自动成型技术的原理及其发展趋势[J].装备制造技术,2008（4:

114-115.

【6】李毅生.快速成型技术简介[J].科技资讯,2008（9:

244-246.