CN104369378B - 一种减小成型件翘曲率的设备扫描参数的设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种立体光刻快速成型设备中减小成型件翘曲率的设备扫描参数的设置方法，对于同一种立体光刻快速成型光敏树脂，做件时在立体光刻快速成型设备中设置支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤2/15。本发明明确了做件翘曲率与支撑扫描速度和填充速度参数的影响规律：随着支撑扫描速度与填充扫描速度的比值越小，成型件翘曲率也随之越小，支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤1/3，成型件的翘曲率≤15％，支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤2/15，成型件的翘曲率≤10％；本发明优化影响立体光刻快速成型技术制件的翘曲率精度的工艺参数，进一步提高立体光刻快速成型技术的成型件精度。
Description
技术领域
本发明涉及立体光刻快速成型技术，尤其涉及一种立体光刻快速成型设备中减小成型件翘曲率的设备扫描参数的设置方法。
背景技术
快速成型技术主要是一种基于液态光敏树脂的光聚合和实体分层制造原理的技术。以光敏树脂为原料，在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，光敏树脂从液态转变成固态。液槽中盛满液态光敏树脂，在计算机控制下，激光束在偏转镜作用下在液态光敏树脂表面逐点扫描，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。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，刮板在已成型的层面上又涂满一层树脂并刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，除掉支撑，再进一步加工，得到一个三维实体模型。
快速成型技术已有将近三十年的研究和发展，其中立体光刻快速成型工艺是发展最为广泛，也是公认精度最高的技术之一。它具有材料利用率接近100％，能制作形状特别复杂、精细的零件，硬度和强度高，制作效率高等优势。但是除了设备和材料问题，成型精度是阻碍立体光刻快速成型技术发展重要因素之一。
在国外，关于快速成型技术的资料已经出现了不少，比如：《快速原型制造》(RapidPrototyping)、《快速原型制造杂志》(Rapid Prototyping Journal)、《快速成型制造报告》(Rapid Prototyping Report)以及《虚拟原型制造杂志》(Virtual PrototypingJournal)。这些资料主要是关于快速成型技术的工艺、新材料开发、快速模具制造和制件精度的方法。而关于快速成型技术的精度提高方法，如在1991年，Kruth J P在CIRP的年报中关于《材料增加通过快速成型技术制造》(Material increase Manufacturing by RapidPrototyping Techniques)；在1997年，卡罗尔·安德森在美国快速原型杂志上关于《快速成型和制造》(Rapid prototyping and manufacturing)；在2000年，Jack.G.Zhou,DanielHerscovici,Calvin C.CHen.在国际机床制造杂志中关于《参数化流程优化改善快速原型立体光刻技术部分的准确性》(Parametric Process Optimization to Improve theAccuracy of Rapid Prototyped Stereo lithography Parts)；在2004年，黑格R，曼苏尔，萨利赫N,et al在材料科学杂志上关于《用于快速制造的有限元树脂材料分析》(Materialsanalysis of stereolithography resins for use in rapid manufacturing)。这些文献没有涉及到支撑扫描速度与填充扫描速度的工艺关系。
在国内，有许多高等院校和企业正致力于提高立体光刻快速成型技术的成型精度的研究。比如，段玉岗、王素琴、陈浩、卢秉恒在西安交通大学的关于《激光快速成型中影响光固化材料收缩变形的研究》；王素琴、曹瑞军、段玉岗在西安交通大学的材料科学与工程学报中的第17卷第4期关于《激光快速成型工件翘曲变形与成型材料的研究》，文件编号：1004-793X(1992)04-0064-05；在2004年，赵毅在上海交通大学的高分子材料学与工程学报01期中关于《激光快速成形中光敏树脂特性的实验研究》；在2003年3月，段玉岗、王素琴、卢秉恒在西安交通大学学报中第34卷第3期关于《用于立体光造型法的光固化树脂的收缩性研究》；在2006年，山东大学材料科学与工程学院的路平、王广春、赵国群在机床与液压报刊中关于《光固化快速成型精度的研究及进展》；在2007年7月上半月，段玉岗、王素琴、曹瑞军、卢秉恒在中国机械工程学报中关于《激光快速成形中材料线收缩对翘曲性的影响》，文章编号：1004-132X(2002)13-1144-03；在2010年，南昌大学机电工程学院材料加工工程硕士研究生袁慧羚关于《光固化快速成型工艺的精度研究与控制》的研究论文。但是在这些论文中，他们关于提高立体光刻快速成型技术成型件精度的方法中主要是对光敏树脂材料特性、扫描速度、扫描间距和扫描系统进行研究，而对于设置立体光刻快速成型设备中支撑扫描速度与填充扫描速度的比值工艺参数来提高成型精度的方法都还没有涉及到。
立体光刻快速成型技术中，控制翘曲变形从根本上是要降低光敏树脂的收缩率，而零收缩率的光敏树脂很难实现。对翘曲变形的控制，也可以通过改变扫描方式、工艺参数甚至分区域扫描来实现。一般可以通过给模型添加辅助支撑平衡收缩应力的办法来消除制件制作过程的翘曲变形。在制件过程中，翘曲变形一般发生在制件的悬臂区域、基础底面。通过在制件的悬臂区域、基础底面中添加支撑，可以约束收缩引起的变形，提高制件的成型精度。因此，为了进一步研究光敏树脂的收缩性，减少做件时的翘曲率，提高产品的精度性能，那么控制立体光刻快速成型设备做件的做件参数就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种做件时，可有效减小成型件翘曲率的立体光刻快速成型设备中设备扫描参数的设置方法。
本发明提供的减小成型件翘曲率的设备扫描参数的设置方法，对于同一种立体光刻快速成型光敏树脂，做件时在立体光刻快速成型设备中设置支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤1/3。
优选地，对于同一种立体光刻快速成型光敏树脂，做件时在立体光刻快速成型设备中设置支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤1/5。
本发明为了减小成型件翘曲率，主要的方法是减小支撑扫描速度与填充扫描速度的比值，而不是限定支撑扫描速度及填充扫描速度的数值大小。对于同一种立体光刻快速成型光敏树脂，随着支撑扫描速度与填充扫描速度的比值越小，成型件翘曲率也随之越小。为了减少做件翘曲率，使成型件的翘曲率(Cf)≤15％，做件时立体光刻快速成型设备中支撑扫描速度与填充扫描速度的比值应当≤1/3；为了使成型件的翘曲率(Cf)≤10％，做件时立体光刻快速成型设备中支撑扫描速度与填充扫描速度的比值应当≤1/5。
所述填充扫描速度是激光光点扫描三维实体区域的速度，其决定了制作的速度。出于制作速度的考虑，本发明中，做件时在立体光刻快速成型设备中设置填充扫描速度优选为100～12000mm/s。
所述支撑扫描速度是激光光点扫描支撑区域的速度，其影响生成支撑结构的稳定性，一般支撑扫描速度较低，便于生成稳定可靠的支撑结构。综合制件速度和生成稳定可靠的支撑结构等方面的考虑，本发明中，做件时在立体光刻快速成型设备中设置支撑扫描速度优选为100～5000mm/s。
所述轮廓扫描速度是激光光点扫描二维轮廓线的速度，其影响轮廓的光洁度。综合制件速度和轮廓的光洁度考虑，本发明中，做件时在立体光刻快速成型设备中设置轮廓扫描速度优选为100～12000mm/s。
所述跳跨速度是激光光点由停泊位置到扫描区域、由扫描区域返回到停泊位置的跳转速度，其影响边界的光洁度。一般跳跨速度较高，结合轮廓上激光的开、关，提高边界的光洁度。综合制件速度和边界的光洁度考虑，本发明中，做件时在立体光刻快速成型设备中设置跳跨速度优选为1000-12000mm/s。
本发明明确了做件翘曲率与支撑扫描速度和填充速度参数的影响规律：随着支撑扫描速度与填充扫描速度的比值越小，成型件翘曲率也随之越小；优化影响立体光刻快速成型技术制件的翘曲率精度的工艺参数，进一步提高立体光刻快速成型技术的成型件精度。
附图说明
图1为双悬臂梁模型设计测试件；
图2为双悬臂梁模型实际成型件；
图3为支撑扫描速度与填充扫描速度的比值和翘曲率的关系图。
具体实施方式
本发明为了更好地说明支撑扫描速度与填充扫描速度的比值小于特定值时，对减小做件翘曲率的有益效果，主要是对双悬臂梁模型的翘曲率大小进行考察，考察方法如下：
参照图1和图2，将制得的双悬臂梁模型用测量工具测定d的长度。翘曲率用Cf＝(d-d0)/6mm来计算，其中d0为双悬臂梁模型悬臂顶端下表面距离下底面的设计尺寸(mm)，d为实际制作件所对应的尺寸(mm)。
本发明的三维实体双悬臂梁模型制作，主要包括以下8个步骤：
(1)设计三维实体模型
根据制件要求，用计算机三维软件(如Pro/E、3Dmax、SolidWorks、CAD、Magics等)设计出双悬臂梁三维模型。
(2)模型近似处理
由于三维模型往往有一些不规则的自由曲面，因此加工前必须对模型进行近似处理。利用三维软件(如Pro/E)的功能，对原有的三维模型文件保存副本选择*.STL，在设置零件的弦高度参数为0.01，经过计算基本无表面积和体积转化误差。
(3)模型的分层处理
分层处理是基于STL文件格式，确定成型的方向，沿成型的高度方向，进行切片分层处理，得到的截面和模型实体的交线再通过数据处理，生成截面的轮廓信息，用于控制光束的扫描轨迹。在Magics软件中导入STL格式文件，确定分层方向，选定分层的厚度0.1mm，此取值能得到相当光滑的成型曲面。
(4)支撑设计
支撑是三维模型同时制作的工装夹具，以保证三维模型在制作时相对于加工系统的精确定位，同时有助于减少制件的翘曲变形。
(5)原料的加入
在激光快速成型机的工作台中加入光敏树脂。
(6)设置工作参数
在激光快速成型机的控制软件RpBuilt中加载双悬臂梁成型数据文件，对主要的工艺参数进行设置。
(7)成型的加工
参数设置后，输出成型加工文件，即可在激光快速成型机中制造三维模型，整个过程是自动完成的。
(8)后处理
零件成型完成后，将零件从工作台上分离处理，用酒精洗干净，用刀具将支撑与零件分离，为获得良好的机械性能，可在后固化箱内进行二次固化。
本发明具体实施方式中，采用3台设备，分别是激光快速成型机SPS350、RS4500、SL600；每台激光快速成型机所对应的光敏树脂原料分别为UV8941M&Vrev9A、UV8941、UV8931。
激光快速成型机设备的参数为：
设备1激光快速成型机SPS350
设备2激光快速成型机RS4500
| 产品型号 | RS4500 |
| 额定功率 | 4.0KW |
| 额定电压 | AC220V，50Hz |
| 设备尺寸 | 1610mm(L)，1050mm(W)，1900mm(H) |
| 生产厂家 | 上海联泰科技有限公司 |
设备3激光快速成型机SL600
| 产品型号 | SL600 |
| 额定功率 | 2KW |
| 额定电压 | 220V |
| 设备尺寸 | 1580mm(L)，1300mm(W),2050mm(H) |
| 生产厂家 | 吴江中瑞机电科技有限公司 |
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的描述，以更好地理解本发明。
实施例1
按照上述三维实体双悬臂梁模型制作过程，采用激光快速成型机SPS350和光敏树脂原料UV8941M&Vrev9A，设置不同支撑扫描速度与填充扫描速度的比值，制备双悬臂梁模型，对其进行测定，数据如下：
实施例2
按照上述三维实体双悬臂梁模型制作过程，采用激光快速成型机RS4500和光敏树脂原料UV8941，设置不同支撑扫描速度与填充扫描速度的比值，制备双悬臂梁模型，对其进行测定，数据如下：
实施例3
按照上述三维实体双悬臂梁模型制作过程，采用激光快速成型机SL600和光敏树脂原料UV8931，设置不同支撑扫描速度与填充扫描速度的比值，制备双悬臂梁模型，对其进行测定，数据如下：
将实施例1、2和3的支撑扫描速度与填充扫描速度的比值和翘曲率的关系如图3所示，由图3可知：对于同一种立体光刻快速成型光敏树脂，随着支撑扫描速度与填充扫描速度的比值越小，成型件翘曲率也随之越小。做件时立体光刻快速成型设备中支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤1/3，则成型件的翘曲率(Cf)≤15％；做件时立体光刻快速成型设备中支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤1/5，则成型件的翘曲率(Cf)≤10％。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (5)
1.一种减小成型件翘曲率的设备扫描参数的设置方法，其特征在于，对于同一种立体光刻快速成型光敏树脂，随着支撑扫描速度与填充扫描速度的比值越小，成型件翘曲率也随之越小，做件时在立体光刻快速成型设备中设置支撑扫描速度与填充扫描速度的比值≤2/15，根据光敏树脂种类来选择合适的填充扫描速度。
2.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，做件时在立体光刻快速成型设备中设置的填充扫描速度是激光光点扫描三维实体区域的速度，为100～12000mm/s。
3.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，做件时在立体光刻快速成型设备中设置的支撑扫描速度是激光光点扫描支撑区域的速度，为100～5000mm/s。
4.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，做件时在立体光刻快速成型设备中设置的轮廓扫描速度是激光光点扫描二维轮廓线的速度，为100～12000mm/s。
5.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，做件时在立体光刻快速成型设备中设置跳跨速度是激光光点由停泊位置到扫描区域、由扫描区域返回到停泊位置的跳转速度，为1000-12000mm/s。
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