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《山东大学》 2007年
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光固化快速成型工艺及成型质量控制措施研究

陈杰  
【摘要】: 快速成型技术(Rapid Prototyping,简称RP)的发展引起了制造业巨大变革,已成为众多企业和国内外知名高校的研究热点。光固化快速成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。该技术在各个领域获得了广泛应用,特别是在产品的样机制造、功能性试验、缩短研制周期、增加市场竞争力等方面越来越显示其强大的优越性,同时该技术又在不断的得到完善和发展。 本文在介绍光固化快速成型技术的基本原理、适用范围和工艺特点的基础上给出了光固化原型前处理、固化加工和后处理三个阶段的具体制作工艺,并介绍了实验用光固化快速成型设备及光敏树脂材料特性。 本文对影响光固化快速成型精度的因素进行了理论分析及确定,并对每个因素对成型精度产生的具体影响进行了阐述。对激光扫描固化过程进行了理论分析,给出了光敏树脂SOMOS11120(临界曝光量E_C=11.5mJ/cm~2,透射深度D_P=0.16mm)所对应的单线扫描时的固化线条的最大固化深度和最大固化宽度的理论模型以及光敏树脂SOMOS11120平面扫描时的最大固化深度的理论模型,同时对平面扫描最大固化深度的理论模型的准确性进行了实验验证,为本文通过控制工艺参数提高成型精度的实验研究提供了理论基础。 重点对影响形状精度的翘曲和圆柱内孔椭圆畸变现象、影响尺寸精度的加工方向高度增厚现象以及影响表面精度的台阶纹现象进行了实验研究,并给出了具体解决措施:(1)为减小翘曲变形,可以从改进材料配方、优化工艺参数、设计合理的支撑结构三方面进行考虑。适当降低固化层的厚度是改善翘曲变形的最优措施,而固化层厚度的调节可以通过改变激光功率与扫描速度的比值来实现。(2)通过减小制件数据模型前处理阶段的误差、Z轴补偿法、设计合理的支撑结构三方面措施降低圆柱形侧孔椭圆畸变程度。其中Z轴补偿法可以有效降低侧孔内表面悬空部分过度固化导致的增厚现象,并且不会对制件上圆柱侧孔以外其他的结构产生影响。(3)在前期数据处理阶段,对STL格式数据模型进行固化深度的Z轴补偿是改善高度方向尺寸精度的有效措施。(4)台阶纹与斜面法线方向和加工方向之间的夹角有关,夹角越小,台阶纹现象越明显。斜面法线方向和加工方向之间的夹角在0°~30°变化时,台阶纹现象较明显;夹角大于30°时,随着夹角变大,相邻台阶纹之间的距离变小,表面精度提高。(5)刮板同液面之间的距离对成型件的精度产生一定的影响。应使刮板上的针尖与液面恰好接触,刮板与液面距离保持恒定。 本文最后对具有微细结构特征的原型制作进行了实验研究,给出了提高微细结构成型质量的措施。针对Z轴补偿对微细结构的影响,本文提出采用STL文件数据模型“分割—Z轴补偿—缝合”的方法,可以有效降低Z轴补偿对微细结构的影响。影响微细结构表面质量的主要因素是台阶纹,为了降低台阶纹的影响,必须调整微细结构的加工方位,使微细结构所处斜面的法线方向与加工方向的夹角尽量增大,一般应控制在30°~90°范围内或者使微细结构处于制件的上水平表面。
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