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§3D打印技术解密(第3页)

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图2-7为SLA技术的基本原理。

具体流程为:

第一步,将液态的光敏树脂盛满于液槽中,利用氩离子激光器或氦—镉激光器,将其发射出的紫外激光束,按照计算机的指令,根据三维实体分层截面后的二维数据,逐行逐点进行扫描,使得扫描区域的树脂薄层发生聚合反应,并固化为一个薄层。

第二步,完成一个薄层的固化后,工作台根据层厚移动到下一个薄层,在上一次固化好的树脂薄层上再叠加一个新的树脂薄层,用刮板刮平粘度较大的树脂液面,并对本层进行固化。

由于液态树脂具有较高的粘性,使得其流动性不强,因此每个薄层固化以后的液面抚平需要的时间较长,影响了三维实体的成型精度。

采用刮板刮平这一个环节,使得液态树脂均匀涂在叠层上,提高了成型精度和表面光滑度。

第三步,每个新固化的薄层,都将粘合在前一个薄层上。

如此循环,直到所有叠层粘合完毕,最终得到完整的三维实体模型。

最后,当初步完成成型后,取出工件,清理掉多余的树脂和支撑结构,并采用紫外灯对工件进行二次固化。

(2)技术特点

SLA技术的主要优点有:①尺寸精度高,可以达到0.1mm以内,甚至0.05mm。

②表面质量较好,尽管有时在固化阶段薄层的侧面或者曲面可能产生台阶,但是最终得到的实体模型的表面仍然类似玻璃状。

③系统分辨率高,可以构建具有复杂结构的各种工件。

④可以制作具有空中结构的消失模,该消失模可以用于熔模的精密铸造。

SLA技术的主要缺点有:①成型模件的尺寸稳定性不高,其原因是成型期间会有一些物理或者化学的变化,使得成型模件的硬度较低,薄弱部位甚至产生变形,严重影响了尺寸精度。

②还需要具备支撑结构,在成型模件没有完全固化以前,需要手工取出支撑结构,这很容易造成对表面精度的损坏。

③设备运营成本高,由于需要定期对激光器等元件进行维护和校对,且激光器和液态树脂材料的价格也比较高,因此设备运营成本高。

④能够使用的材料种类不多,当前使用的材料主要是感光性液态树脂,因此,SLA模件在多数情况下不能够进行热量、抗力等测试。

⑤液态树脂材料有毒性,有气味,因此需要将其放在避光位置,避免聚合反应提前发生。

⑥需要对成型制件进行二次固化,通常情况下,SLA成型制件还需要二次固化,这是因为首次固化后的树脂制件并没有被激光完全固化。

⑦不方便对SLA成型模件进行机械加工,由于液态树脂材料较脆,并且容易断裂,因此难以对其进行机械加工。

(3)技术现状

SLA技术主要用于小型和中型制件的加工,可以直接得到与塑料类似的产品。

当前,该技术现状主要存在以下问题:①费用。

费用昂贵是SLA技术的最大问题,严重限制了技术的广泛应用。

在国外,一套SLA成型设备的价格约为30万~80万美元。

同时,氖离子激光器、氦-镉激光器的价格约为2万~4万美元。

设备的运行费用最低为每小时200美元。

所以,降低SLA技术设备的成本,是当前最紧迫的问题。

②材料。

湿气的侵蚀使得SLA制件很容易产生膨胀,并且抗腐蚀能力也有限。

③工艺原理与数据处理。

SLA增材制造技术的关键是三维CAD数据模型。

改进CAD系统的数据分析和造型性能,是提高制模精度的重点问题。

SLA成型技术的原型文件为STL文件,该文件的三维CAD模型表面用很多小三角形来近似处理,很容易造成数据丢失现象,应该深入研究如何优化STL模型分层,使得模型的截面轮廓更加精确。

另外,设计精确、合理的支撑结构,也能够改善制模精度。

(4)技术应用

SLA技术的应用范围体现在艺术、生物医学、航空航天、大众消费、工业制造等方面,用于实现高精度、高复杂度结构零件的快速制造,其精度能够达到±0.05mm,基本接近传统的模具水平,但是比机械加工的精度略低。

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