基于光固化法的嵌套器件的工艺研究

作者：王章利扈宇姝杨晓冬信息来源:无忧测量 2008-3-31

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特别是对于多层嵌套器件的制作，用常规加工方法难以实现整体一次成型，而快速成型工艺占有绝对优势。本试验研究的嵌套件里外共三层，底面带有HIT字样，所用设备为西安交通大学先进制造技术研究所研制的LPS250A型激光快速成型（光固化）机。3 添加支撑结构的研究由于工件的各截面轮廓是在液态树脂中逐层固化成型的，为避免...

1 前言

快速成型制造技术80年代末期才发展起来的一种基于离散/堆积思想的成型技术。它可以实现从三维模型到实体的直接制作，而不需要任何工装，大大的缩短了产品的研发周期。该技术已广泛应用于产品设计评估、功能测试及快速模具制造等领域。特别是对于多层嵌套器件的制作，用常规加工方法难以实现整体一次成型，而快速成型工艺占有绝对优势。

本试验研究的嵌套件里外共三层，底面带有“HIT”字样，所用设备为西安交通大学先进制造技术研究所研制的LPS250A型激光快速成型（光固化）机。

2 三维造型及实体制作

激光快速成型机所能识别的是STL（三角面片）文件格式，它由一系列的小三角形平面来逼近模型自由曲面，对三维实体进行几何近似，见图1，大多三维设计软件都支持种格式文件的输出。三角形的大小是可以选择的，从而能得到不同的曲面近似精度。实物如图2。

3 添加支撑结构的研究

由于工件的各截面轮廓是在液态树脂中逐层固化成型的，为避免铲碎和层间漂移，设计必要的支撑结构来托起工件很关键。通过分析总结嵌套件的制作试验，设计和添加支撑可遵循如下技巧和原则：

（1）在设计过程中充分考虑到工件结构对加工过程的影响，尽可能的优化设计。如大平面加工容易发生坍塌、翘曲变形和铲碎，而“立式”加工又会延加工时间，故须综合考虑。

（2）务必使支撑与试件相连，并从实体内开始生长。注意摆放方向和倾斜角度，使工件与工作台接触尽量少，窄边着地，以便铲断。此时，为稳固工件，一般可在其总层数的1/3处添加稳定支撑。

（3）成型过程中，随着工件的逐层累积，注意成型件重心的变化也很重要，支撑应随重心的变化而变化。

（4）由于支撑的扫描速度慢，固化时间长，为提高成型效率，可尽量减少和简化支撑，降低高度（减少层数）。例如本嵌套件，为了减少支撑高度和层数，造型时可将中间球体向下略偏心一小段距离（1.5mm）。

（5）根据需要可使用宽度各异的支撑扫描线，较低支撑用一条扫描线即可，较高支撑可使用2 -3条扫描线，以提高强度。而对于较长的支撑线，可在垂直方向上添加一些短支撑。

（6）由于支撑会影响表面成型质量，成型件的光洁面尽量不加支撑。对于本嵌套件，带字底面朝上放置可避免支撑。此外，为提高外球的表面质量，也可将支撑添加在外球与中球之间，让支撑从外球体内开始生长，以避免长在外表面上。

4 提高面型精度的措施

从嵌套件的成形表面来看，其上表面较光滑，但侧面有较明显的台阶，相对较粗糙，这是由于：激光器发出的激光束光斑呈圆形，光强正态分布，单条扫描线树脂固化呈抛物线形，当光线沿轮廓逐层扫描时，轮廓层的理想侧面形貌和实际表面之间的差异便会累加，导致相邻层之间产生台阶效应，如图3。