第4-章-快速成型典型工艺—光固化快速成型工艺与设备ppt课件.ppt

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1、光固化快速成型制造技术光固化快速成型制造技术邵金友邵金友 Email:Tel:Tel:13609182384、83399529先进制造技术研究所先进制造技术研究所机械制造系统工程国家重点实验室西五楼机械制造系统工程国家重点实验室西五楼B305概概 述述 液液态态光光敏敏聚聚合合物物选选择择性性固固化化（Stereo Lithography Apparatus，简简称称SLA），又又称称立立体体平平板板印印刷刷技技术术，或或称称光光固固化化立立体体造造型型，是是目目前前世世界界上上研研究究最最深深入入、技技术术最最成成熟熟、应应用用最最广广泛泛的的一一种种快快速速成成形形方方法法。在在国国际际市

2、市场场上上占占的的份份额额最最大大，约为约为60左右。左右。快速成型制造技术快速成型制造技术激光器激光器扫描器扫描器立板立板网板网板树脂槽树脂槽光路板光路板反射镜反射镜沉块沉块刮板刮板光固化快速成型机结构光固化快速成型机结构快速成型制造技术快速成型制造技术激光器：提供光固化光源，波长激光器：提供光固化光源，波长355nm紫外光紫外光扫描器：使激光实现扫描器：使激光实现X-Y方向扫描方向扫描聚焦镜：使激光在焦点处会聚聚焦镜：使激光在焦点处会聚反射镜：光路调整反射镜：光路调整立板：固定立板：固定Z向工作台，固定液位调整系统向工作台，固定液位调整系统网板：支撑快速成型制件网板：支撑快速成型制件树脂槽

3、：盛装液体光固化树脂树脂槽：盛装液体光固化树脂沉块：调整液位，保证沉块：调整液位，保证XY方向扫描精度方向扫描精度刮平装置：真空吸附刮平装置，保证层厚度刮平装置：真空吸附刮平装置，保证层厚度1、利利用用计计算算机机控控制制下下的的紫紫外外激激光光，按按预预定定零零件件各各分分层层截截面面的的轮轮廓廓，进进行行填填充充扫扫描描，轮轮廓廓扫扫描描，使使被被扫扫描描区区的的光光敏敏树树脂脂薄薄层层产产生生光光聚聚合合反反应应，从从而而形形成成零零件的一个薄层截面；件的一个薄层截面；2、当当一一层层固固化化完完毕毕，移移动动升升降降台台，通通过过真真空空吸吸附附式式刮刮平平系系统统，对对大大平平面面补

4、补充充树树脂脂，并并刮刮平平装装置置刮刮去去多多余余的的树树脂脂。在在原原先先固固化化的的树树脂脂表表面面上上再再涂涂敷敷上上一一层新的液态树脂。层新的液态树脂。SLA成形原理成形原理SLA成形原理成形原理3、激激光光束束对对新新一一层层树树脂脂进进行行扫扫描描固固化化，使使新新固固化化的的一一层层牢牢固固地地粘粘合合在前一固化层上。在前一固化层上。4、重重复复2步步和和3步步，至至整整个个零件原型制造完毕。零件原型制造完毕。最最后后升升降降台台升升出出液液体体树树脂脂表表面面，即即可可取取出出工工件件，进进行行清清洗洗、后后固固化化以以及及表表面光洁处理。面光洁处理。SLA成形系统的组成及各

5、部分的作用成形系统的组成及各部分的作用 SLA成成形形系系统统由由激激光光器器、扫扫描描器器、光光敏敏树树脂脂、液液槽槽、升升降降台台、树树脂脂涂涂敷敷装装置置和和控制软件组成。控制软件组成。光固化快速成型计算机光固化快速成型计算机 SPS光光固固化化快快速速成成型型系系统统采采用用两两台台计计算算机机，一一台台用用作作分分层层和和加加支支撑撑，通通过过网网络络与与CAD工工作作站站直直接接连连接接，接接收收CAD系系统统设设计计的的STL文文件件。一一台台用用作作系系统统控控制制，分分层层数数据据文文件件和和支支撑文件通过并行接口传输给控制计算机。撑文件通过并行接口传输给控制计算机。SPS光

6、光固固化化快快速速成成型型系系统统的的中中央央控控制制部部件件采采用用工工业业控控制制计计算算机机，制制作作时时，实实时时生生成成扫扫描描矢矢量量及及各各种种控控制制指指令令，并并通通过过相相应应的的接接口口电电路路控控制制各各个个子子系系统统。计计算算机机通通过过3通通道道16位位数数模模转转换换器器控控制制振振镜镜扫扫描描系系统统，控控制制网网板板升升降降运运动动，刮刮平平系系统统运运动动等等；激激光光功功率率和和树树脂脂温温度度等等模模拟拟量量通通过过数数模模转转换换电电路路馈馈入入计计算算机机；通通过过I/O接接口口板板把把驱驱动动脉脉冲冲送送至至步步进进电电机机驱驱动动电电源，成型机

7、的各种光电开关信号也通过源，成型机的各种光电开关信号也通过I/O板馈入计算机。板馈入计算机。SLA成形系统的激光器成形系统的激光器1、SLA用激光器有两种类型：用激光器有两种类型：l氦氦镉镉（HeCd）激激光光器器，输输出出功功率率1550mW（毫毫瓦瓦），属于低能量激光，输出波长属于低能量激光，输出波长325nm，激光器寿命，激光器寿命2000h。l固固体体激激光光器器，激激光光物物质质YVO4，输输出出功功率率1001000mW，属属于于高高能能量量激激光光，输输出出波波长长354.7nm，激激光光器器寿寿命命5000h以以上，寿命主要决定于泵浦源。上，寿命主要决定于泵浦源。l聚聚焦焦后后

8、激激光光光光斑斑直直径径一一般般为为0.050.30m，激激光光位位置置精精度度可可达达0.008mm，重复精度可达，重复精度可达0.005mm。激光器技术激光器技术l原原子子在在正正常常分分布布状状态态下下，总总是是稳稳定定地地处处于于低低能能级级E1，如如无无外外界界作作用用，原原子子将将长长期期保保持持这这种种稳稳定定状状态态。一一旦旦原原子子受受到到外外界界光光子子的的作作用用，赋赋予予原原子子一一定定的的能能量量E后后，原原子子就就从从低低能级能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2，这个过程称为光的，这个过程称为光的受激吸收受激吸收。l光受激后，其能量有下列关系：光受激后，其能量有下列

9、关系：激光器技术激光器技术l处处于于高高能能级级E2的的原原子子在在光光子子的的诱诱发发下下，从从高高能能级级E2跃跃迁迁到到低低能能级级E1而而发发光光，这这个个过过程程叫叫做做光光的的受受激激辐辐射射。根根据据外外光光电电效效应应，只只有有光光子子的的频频率率等等于于激激发发态态原原子子的的某某一一固固有有频频率率时时，原原子子的的受受激激辐辐射射才才能能产产生生，因因此此，受受激激辐辐射射发发出出的的光光子子与与外外来来光子具有相同的频率、传播方向和偏振状态。光子具有相同的频率、传播方向和偏振状态。激光器技术激光器技术l在在外外来来光光子子的的激激发发下下，如如果果受受激激辐辐射射大大于

10、于受受激激吸吸收收，原原子子在在某某高高能能级级的的数数目目就就多多于于低低能能级级的的数数目目，相相对对于于原原子子正正常常分分布布状状态态来来说说，称称之之为为粒粒子子数数反反转转。当当激激光光器器内内工工作作物物质质中中的的原原子子处处于于反反转转分分布布，这这时时受受激激辐辐射射占占优优势势，光光在在这这种种工作物质中传播时，会变得愈来愈强。工作物质中传播时，会变得愈来愈强。l增益介质增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质。：处于粒子数反转分布状态的物质。l激激励励能能源源：使使原原子子从从低低能能级级跃跃迁迁到到高高能能级级，形形成成粒粒子子数数反反转分布的外界能量。转分布的外界能量

11、。激光器技术激光器技术l一一个个外外来来光光子子激激发发原原子子产产生生另另一一个个同同性性质质的的光光子子，这这就就是是说说一一个个光光子子放放大大为为N1个个光光子子，N1个个光光子子将将诱诱发发出出N2光光子子（N2N1）在在原原子子受受激激辐辐射射过过程程中中，光光被被加加强强了了，这这个过程就被称为光放大。个过程就被称为光放大。E2E1E2E1E2E1E2E1E2E1入射波入射波出射波出射波图 经过受激受激辐射光被放大的示意射光被放大的示意图受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射受激光放大受激光放大激励（泵浦）示意图激励（泵浦）示意图激光器技术（结构）激光器技术（结构）l为为了了使使受受激

12、激辐辐射射的的光光强强足足够够大大，通通常常设设计计一一个个光光学学谐谐振振腔腔。原原子子发发出出的的光光在在光光学学谐谐振振腔腔里里产产生生雪雪崩崩似似的的放放大大，从从而而形形成了强大的受激辐射光，该辐射光被称为激光。成了强大的受激辐射光，该辐射光被称为激光。光学光学谐振腔示意振腔示意图全反射全反射镜半反半透射半反半透射镜工作物工作物质激光束激光束激光器技术（原理）激光器技术（原理）l激光发生原理激光发生原理 一一个个原原子子吸吸收收能能量量之之后后，从从低低能能态态到到高高能能态态的的过过程程称称为为激激发发过过程程。反反之之，处处于于激激发发状状态态的的原原子子是是不不稳稳定定的的，总

13、总是是自自发发地地回回到到低低能能态态，同同时时有有光光子子发发出出，这这一一过过程程叫叫“自自发发辐辐射射”。如如果果原原子子吸吸收收外外界界光光能能而而跃跃迁迁到到高高能能级级，而而受受外外界界光光感感应应产产生生辐辐射又回到低能态，这一过程叫射又回到低能态，这一过程叫“受激受激发射发射”。但但是是，只只有有采采用用一一种种办办法法使使物物质质中中大大量量粒粒子子同同时时处处于于激激发发态态，并并通通过过外外界界光光感感应应，使使所所有有处处于于激激发发态态的的粒粒子子几几乎乎同同步步完完成成受受激激辐辐射射回回到到低低能能态态，这这时时物物质质才才能能发发出出一一束束强强大大的的光光束束

14、来来，称为称为“激光激光”。激光器技术（结构）激光器技术（结构）l 激光工作物质激光工作物质：即发光物质，可以是气体、液体和固体；即发光物质，可以是气体、液体和固体；l 泵浦源泵浦源：能量源，产生激励作用，有电能量源，产生激励作用，有电泵浦源、光泵浦源等泵浦源、光泵浦源等；l 谐振腔谐振腔：放置在发光物质两边的反射镜，其中之一为全反射镜，放置在发光物质两边的反射镜，其中之一为全反射镜，另外一个为部分反射、部分透射的半反射镜；另外一个为部分反射、部分透射的半反射镜；l 激光器的分类：激光器的分类：根据工作物质的不同，分为气体、液体和固体激光器。根据工作物质的不同，分为气体、液体和固体激光器。激光

15、器技术激光器技术激光有四大特性：激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。l 激光的高亮度激光的高亮度 普普通通光光源源发发出出的的光光是是连连续续的的，并并且且在在4立立体体角角内内传传播播，能能量量 十十 分分 分分 散散，所所 以以 亮亮 度度 不不 高高，如如 太太 阳阳 光光 的的 亮亮 度度 值值 约约 为为2103W/cm2Sr，而而气气体体激激光光器器的的亮亮度度值值为为108W/cm2Sr，而而固固体体激光器的亮度更高达激光器的亮度更高达1011W/cm2Sr。不仅如此，激光光束经过聚焦，光斑温度可以高达万度。不仅如此，激光光束

16、经过聚焦，光斑温度可以高达万度。l 激光的高方向性激光的高方向性 激激光光的的高高方方向向性性主主要要是是指指其其光光束束的的发发散散角角小小，紫紫外外激激光光发发散散角为角为0.5毫弧度。毫弧度。激光器技术激光器技术 激激光光具具有有高高平平行行度度，其其发发散散角角小小，一一般般约约为为0.18，比比普普通通光光微微波波小小23个个数数量量级级。激激光光光光束束在在几几公公里里之之外外的的扩扩散散范范围围不不到到几几厘厘米米，因因此此，立立体体角角极极小小；由由于于它它的的能能量量高高度度集集中中，比比同同能量级的普通光源高几百万倍。能量级的普通光源高几百万倍。激光器技术激光器技术l激光的

17、单色性激光的单色性 激激光光的的频频率率宽宽度度很很窄窄，比比普普通通光光频频宽宽度度的的十十分分之之一一还还小小，因因此此，激激光光是是最最好好的的单单色色光光。激激光光测测长长主主要要就就是是利利用用激激光光的的高单色性。高单色性。l激光的相干性激光的相干性 两两束束光光在在相相遇遇区区域域内内发发出出的的波波相相叠叠加加，并并能能形形成成较较清清晰晰的干涉图样或能收到稳定的拍频信号。的干涉图样或能收到稳定的拍频信号。激光器技术激光器技术时间相干时间相干 是是指指同同一一光光源源在在相相干干时时间间t内内的的不不同同时时刻刻发发出出的的光光，经经过过不不同路程相遇而产生的干涉。同路程相遇而

18、产生的干涉。空间相干空间相干 是指同一时间由空间不同点发出的光的相干性。是指同一时间由空间不同点发出的光的相干性。由由于于激激光光的的传传播播方方向向、振振动动态态、频频率率、相相位位完完全全一一致致，因因此激光具有优良的时间相干性和空间相干性此激光具有优良的时间相干性和空间相干性固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器气气体激光器体激光器半半导体激光器体激光器激光器的激光器的组成成激光器激光器激激光光器器增益介质增益介质激励能源激励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光产生激光能源能源粒子反转分布粒子反转分布固体激光器固体激光器 这这类类激激光光器器所所采采用用的的固固体体工工作作物物质质，是是把

19、把具具有有能能产产生生受受激激发发射射作作用用的的金金属属离离子子掺掺入入晶晶体体而而制制成成的的。在在固固体体中中能能产产生生受受激激发发射射作作用用的的金金属属离离子子主主要要有有三三类类：(1)过过渡渡金金属属离离子子（如如Cr3+）；(2)大大多多数数镧镧系系金金属属离离子子（如如Nd3+、Sm2+、Dy2+等等）；(3)锕锕系系金金属属离离子子（如如U3+）。这这些些掺掺杂杂到到固固体体基基质质中中的的金金属属离离子子的的主主要要特特点点是是：具具有有比比较较宽宽的的有有效效吸吸收收光光谱谱带带，比比较较高高的的荧荧光光效效率率，比比较较长长的的荧荧光光寿寿命命和和比比较较窄窄的的荧

20、荧光光谱谱线线，因因而而易易于于产产生生粒粒子子数数反反转转和和受受激激发发射射。用用作作晶晶体体类类基基质质的的人人工工晶晶体体主主要要有有：刚刚玉玉（NaAlSi2O6）、钇钇铝铝石石榴榴石石（Y3Al5，O12）、钨钨酸酸钙钙（CaWO4）、氟氟化化钙钙（CaF2）等等，以以及及铝铝酸酸钇钇（YAlO3）、铍酸镧（铍酸镧（La2Be2O5）等。）等。晶体两端镀膜构成谐振腔。晶体两端镀膜构成谐振腔。固体激光器固体激光器 固固体体激激光光器器的的增增益益介介质质是是固固态态物物质质。尽尽管管其其种种类类很很多多，但但其其结结构构大大致致是是相相同同的的，特特点点是是体体积积小小而而坚坚固固，

21、功功率率大大。目目前前输输出出功功率率可可达达几几千千兆兆瓦瓦。常常用用的的固固体体激激光光器器有有红红宝宝石石激激光光器、掺钕的钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器。器、掺钕的钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器。红宝石激光器红宝石激光器应用：焊接、切割应用：焊接、切割液体染料激光器液体染料激光器 使使用用Ar离离子子激激光光，KTPYAG激激光光或或紫紫外外激激光光泵泵浦浦含含有有染染料料的的有有机机溶溶液液，激激励励染染料料，并并使使该该染染料料的的谱谱线线在在谐谐振振腔腔内内振振荡荡放放大大而而输输出出波波长长连连续续可可调调的的激激光光。染染料料不不同同可可调调波波长长范范围围不不同同，如如果果

22、再再进进行行倍倍频频，则则可可获获得得紫紫外外光光，从从而而得得到到紫紫外外到到近近红红外外的的波波长长。液液体体激激光光器器输输出出激激光光的的工工作作物物质质是是液液体体。其其最最大大的的特特点点是是它它发发出出的的激激光光波波长长可可在在一一波波段段内内连连续续可可调调，连连续续工工作作，而而不不降降低低效效率率。液液体体激激光光器器可可分分为为有有机机液液体体激激光光器器，无无机机液液体体激光器以及鳌合物激光器等。激光器以及鳌合物激光器等。液体染料激光器液体染料激光器应用：物质分析，光化应用：物质分析，光化反应，激光演示，科学反应，激光演示，科学研究及光动力学治疗等研究及光动力学治疗等

23、气体激光器气体激光器 这这类类激激光光器器采采用用的的气气体体工工作作物物质质，是是所所使使用用的的工工作作物物质质中中数数目目最最多多、激激励励方方式式最最多多样样化化、激激光光发发射射波波长长分分布布区区域域最最广广的的一一类类激激光光器器。气气体体激激光光器器所所采采用用的的工工作作物物质质，可可以以是是原原子子气气体体、分分子子气气体体和和电电离离化化离离子子气气体体，为为此此，把把它它们们相相应应的的称称为为原原子子气气体体激激光光器器、分分子子气气体体激激光光器器和和离离子子气气体体激激光光器器。在在原原子子气气体体激激光光器器中中，产产生生激激光光作作用用的的是是没没有有电电离离

24、的的气气体体原原子子，所所采采用用的的气气体体主主要要是是几几种种惰惰性性气气体体（如如氦氦、氖氖、氩氩、氪氪、氙氙等等），有有时时也也可可采采用用某某些些金金属属原原子子（如如铜铜、锌锌、镉镉、铯铯、汞汞等等）蒸蒸汽汽，或或其其他他元元素素原原子子气气体体等等。原原子子气气体体激激光光器器的的典典型型代代表表是是氦氦一一氖氖气气体体激激光光器器。在在分分子子气气体体激激光光器器中中，产产生生激激光光作作用用的的是是没没有有电电离离的的气气体体分分子子，所所采采用用的的主主要要分分子子气气体体工工作作物物质质有有CO2、CO、N2、H2、HF和和水水蒸蒸气气等等。分分子子气气体体激激光光器器的

25、的典典型型代代表表是是二二氧氧化化碳碳（CO2）激激光光器器、氮氮分分子子（N2）激激光光器器。离离子子气气体体激激光光器器，是是利利用用电电离离化化的的气气体体离离子子产产生生激激光光作作用用，主主要要的的有有惰惰性性气气体体离离子子和和金金属属蒸蒸汽汽离离子子，这这方方面面的的代代表表型型器器件件是是氩氩离离子子（Ar+）激激光光器器、氪离子（氪离子（Kr+）激光器以及氦一镉离子激光器等。）激光器以及氦一镉离子激光器等。气体激光器气体激光器 气气体体激激光光器器的的工工作作物物质质是是气气体体。其其特特点点是是小小巧巧，能能连连续续工工作作，单单色色性性好好，但但是是输输出出功功率率不不及

26、及固固体体激激光光器器。目目前前已已经经开开发发了了各各种种气气体体原原子子、离离子子、金金属属蒸蒸汽汽、气气体体分分子子激激光光器器。常常用用的的有有CO2激光器、氦氖激光器和激光器、氦氖激光器和CO激光器。激光器。氦氖激光器氦氖激光器应用：检测，应用：检测，CO2激光器，应用于焊接、切割，激光器，应用于焊接、切割，快速成型快速成型半导体激光器 半半导导体体激激光光器器又又称称激激光光二二极极管管1(LD)。进进入入八八十十年年代代，人人们们吸吸收收了了半半导导体体物物理理发发展展的的最最新新成成果果，采采用用MBE（分分子子束束外外延延）或或者者CVD（化化学学气气相相沉沉积积）方方法法来

27、来制制备备的的量量子子阱阱(QW)和和应应变变量量子子阱阱(SL-QW)等等新新颖颖性性结结构构，和和折折射射率率调调制制Bragg发发射射器器以以及及增增强强调调制制Bragg发发射射器器最最新新技技术术，同同时时还还发发展展了了MBE、MOCVD及及CBE等等晶晶体体生生长长技技术术新新工工艺艺，使使得得新新的的外外延延生生长长工工艺艺能能够够精精确确地地控控制制晶晶体体生生长长，达达到到原原子子层层厚厚度度的的精精度度，生生长长出出优优质质量量子子阱阱以以及及应应变变量量子子阱阱材材料料。于于是是，制制作作出出的的LD，其其阈阈值值电电流流显显著著下下降降，转转换换效效率率大大幅幅度度提

28、提高高，输输出出功功率率成成倍倍增长，使用寿命也明显加长。增长，使用寿命也明显加长。半导体激光器半导体激光器 半半导导体体激激光光器器是是继继固固体体和和气气体体激激光光器器之之后后发发展展起起来来的的一一种种效效率率高高、体体积积小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单，但但输输出出功功率率小小的的激激光器。其中有代表性的是砷化镓激光器。光器。其中有代表性的是砷化镓激光器。半导体激光器半导体激光器应用：可作为光泵浦，产生激光。应用：可作为光泵浦，产生激光。SLA成形系统扫描装置成形系统扫描装置激光束扫描装置有两种方式：激光束扫描装置有两种方式：（1）.扫描器扫描器Galvanometer（扫描振

29、镜）（扫描振镜）电电流流计计驱驱动动的的扫扫描描振振镜镜方方式式，适适合合于于制制造造各各种种尺尺寸寸的的高高精精度原型件，扫描速度快，但存在焦距误差现象。度原型件，扫描速度快，但存在焦距误差现象。（2）.XY绘绘图图仪仪方方式式，精精度度高高，扫扫描描速速度度低低，适适合合于于制制造造大尺寸的高精度原型件。大尺寸的高精度原型件。SLA成形系统扫描器成形系统扫描器 振振镜镜是是一一种种矢矢量量扫扫描描器器件件，它它是是一一种种特特殊殊的的摆摆动动电电机机，基基本本原原理理是是通通电电线线圈圈在在磁磁场场中中产产生生力力矩矩，但但与与旋旋转转电电机机不不同同，其其转转子子上上通通过过机机械械纽纽

30、簧簧或或电电子子的的方方法法加加有有复复位位力力矩矩，大大小小与与转转子子偏偏离离平平衡衡位位置置的的角角度度成成正正比比，当当线线圈圈通通以以一一定定的的电电流流时时，转转子子发发生生偏偏转转到到一一定定的的角角度度时时，电电磁磁力力矩矩与与回回复复力力矩矩大大小小相相等等，故故不不能能象象普普通通电电机机一一样样旋旋转转，只只能能偏偏转转，偏偏转转角角与与电电流流成成正正比比，与与电电流流计计一一样样，故故振振镜镜又又叫叫电电流流计计扫扫描描器器（galvanometric scanner），反反射射镜镜安安装装在在转转轴轴出出端，由转子带动偏转。端，由转子带动偏转。SLA成形系统扫描器成

31、形系统扫描器 振振镜镜经经历历了了动动圈圈、动动铁铁、动动磁磁三三个个发发展展阶阶段段。动动磁磁式式的的转转子子用用稀稀土土永永久久磁磁铁铁做做成成，线线圈圈固固定定、便便于于散散热热。具具有有转转子子惯惯量量小、力矩常数大、动态性能好、发热小等特点。小、力矩常数大、动态性能好、发热小等特点。开开环环驱驱动动的的精精度度和和动动态态响响应应不不理理想想，因因而而广广泛泛采采用用闭闭环环控控制制，角角位位移移通通过过碟碟形形电电容容传传感感器器检检测测，精精度度取取决决于于电电容容传传感感器器。由由于于传传感感器器的的信信号号变变换换和和前前置置放放大大电电路路封封装装在在振振镜镜里里，振振镜镜

32、发发热热产产生生的的温温度度变变化化会会引引起起电电路路的的漂漂移移，故故要要求求在在振振镜镜里里面面采采取取恒恒温温措措施施，而而动动磁磁式式振振镜镜的的发发热热少少，可可不不用用恒恒温温控控制制，其其漂漂移移可控制在到可控制在到20ppm/。振振镜镜具具有有优优良良的的动动态态性性能能，可可达达到到0.95106rad/s2的的角角加加速速度度，若若扫扫描描半半径径为为800mm，则则相相当当于于光光点点0.76106/s2的的线线加加速速度度。可可以以达达到到40周周/秒秒的的扫扫描描速速度度，20扫扫描描范范围围，扫扫描描半半径径为为800mm，光斑扫描速度达到，光斑扫描速度达到48米

33、米/秒。秒。SLA成形系统扫描器成形系统扫描器l扫描器扫描器振镜振镜控制卡控制卡激光器激光器聚焦镜聚焦镜扫描器扫描器激光束激光束反射镜反射镜SLA成形系统扫描器成形系统扫描器l当指令电信号为交变电流时，振镜的转子运动实际上是一种有当指令电信号为交变电流时，振镜的转子运动实际上是一种有阻尼的受迫振动。它的运动方程可用一个二阶微分方程表达，阻尼的受迫振动。它的运动方程可用一个二阶微分方程表达，即：即：式中：式中：lJ转子的转动惯量；转子的转动惯量；Dm机械阻尼系数；机械阻尼系数；w弹簧丝的弹性弹簧丝的弹性系数；系数；ME机械或电磁力矩；机械或电磁力矩；偏转角度；偏转角度；t时间时间SLA成形系统扫

34、描器成形系统扫描器 通通过过给给定定初初始始条条件件t=0时时，=0和和边边界界条条件件d=0时时，=ME/w，可可以以求求解解出出激激光光束束的的角角速速度度、角角位位移移和和偏偏转转角角度度的的关关系系，从从而而求求解解出出光光斑斑在在层层数数据据轮轮廓廓边边缘缘的的动动态态行行为为，包包括括光光斑斑在在轮轮廓廓边边缘缘的的速速度度和和位位移移曲曲线线，计计算算出出光光斑斑在在轮轮廓廓边边缘缘的的过过冲冲量量（激激光光斑冲出轮廓边缘的量）。光光斑冲出轮廓边缘的量）。激激光光功功率率越越大大，则则激激光光扫扫描描速速度度越越快快，过过冲冲量量越越显显著著。光光斑斑在在边边缘缘的的过过冲冲，必

35、必然然造造成成扫扫描描精精度度的的丢丢失失，同同时时也也会会影影响响制制件的表面粗糙度。件的表面粗糙度。SLA成形系统扫描器成形系统扫描器振镜反射镜振镜反射镜 反反射射镜镜固固定定在在检检流流计计转转子子的的小小轴轴上上。对对于于高高功功率率激激光光系系统统，对对于于低低功功率率激激光光系系统统，反反射射镜镜不不需需要要冷冷却却散散热热，可可以以使使用用普普通通光光学学玻玻璃璃制制作作反反射射镜镜片片，然然后后镀镀高高反反射射膜膜，反射率可达反射率可达99%。SLA成形系统成形系统液槽液槽3、液槽、液槽l作用：盛放光敏树脂作用：盛放光敏树脂l采用不锈钢制作，其尺寸由原型件尺寸决定。采用不锈钢制

36、作，其尺寸由原型件尺寸决定。液位控制模块液位控制模块树脂树脂制件制件网板网板液位检测模块液位检测模块涂敷装置涂敷装置SLA成形系统成形系统升降台和网板升降台和网板4、升降台和网板升降台和网板作用：控制成形工件的升降。作用：控制成形工件的升降。在在真真空空吸吸附附式式涂涂敷敷装装置置使使用用之之前前，一一般般采采用用下下潜潜、提提升升的的运运动动方方式式，保保证证表表面面补补充充足足够够的的树树脂脂；在在采采用用吸吸附附式式涂涂敷敷装装置置后后，吸吸附附涂涂敷敷装装置置储储存存有有足足够够的的树树脂脂，用用于于补补充充表表面面，一一般般采采用逐次下潜一个层厚度的运动方式。用逐次下潜一个层厚度的运

37、动方式。升降台和网板的运动由电机控制，最小步距在升降台和网板的运动由电机控制，最小步距在0.02mm以下。以下。SLA成形系统成形系统刮平装置刮平装置5、刮平装置、刮平装置第一代刮平装置（双刃式刮平装置）第一代刮平装置（双刃式刮平装置）装装置置结结构构简简单单，存存在在的的问问题题是是：因因为为树树脂脂的的黏黏度度，在在刮刮刀刀推推动动表表面面树树脂脂的的同同时时，对对表表面面下下的的树树脂脂也也有有作作用用，在在刮刮平平装装置置作作用用之之后后，因因为为树树脂脂内内部部的的粘粘滞滞阻阻力力，刮刮平平装装置置下下方方的的树树脂脂会会发发生生回回流流现现象象，向向刮刮平平相相反反方方向向回回流流

38、，致致使使已已刮刮平平的的树树脂脂表表面升高。面升高。双刃刮平装置双刃刮平装置树脂回流树脂回流实际液面实际液面标准液面标准液面SLA成形系统成形系统刮平装置刮平装置真空吸附式刮平装置（最新进展）真空吸附式刮平装置（最新进展）真真空空吸吸附附式式刮刮平平槽槽内内储储存存有有足足够够多多的的树树脂脂，保保证证新新一一层层树树脂脂迅迅速速、均均匀匀的的涂涂覆覆在在已已固固化化层层上上，保保证证每每一一层层厚厚度度均均匀匀。并并且且可可吸吸收收多多余余树树脂脂。网网板板可可采采用用逐逐层层下下潜潜的的运运动动方方式式，不不必必采采用下潜、回升的运动方式，提高工作效率。用下潜、回升的运动方式，提高工作效

39、率。标准液面标准液面实际液面实际液面真空吸附涂敷装置真空吸附涂敷装置抽真空抽真空(a)(b)（a）刮刀刮平，层厚度）刮刀刮平，层厚度0.1mm。（b）真空吸附刮平，层厚度）真空吸附刮平，层厚度0.1mm刮刀刮平涂层标准偏差刮刀刮平涂层标准偏差真空吸附刮平涂层标准偏差真空吸附刮平涂层标准偏差No.of layerLayer average thickness0.1000.1190.1040.1130.1100.1060.102Average thickness0.108Stand deviation0.0119液位检测模块液位检测模块液位控制模块液位控制模块SLA成形系统成形系统液位检测与控制液

40、位检测与控制6.液位控制模块液位控制模块 因因为为温温度度的的作作用用，工工作作台台的的连连续续沉沉入入树树脂脂，以以及及制制件件的的取取出出，树树脂脂液液位位会会发发生生变变化化，影影响响到到X-Y精精度度，影影响响激激光光光光斑斑直直径。径。溢流式液位控制法（初期采用）溢流式液位控制法（初期采用）原原理理是是在在树树脂脂槽槽的的一一边边不不断断地地补补充充树树脂脂液液，利利用用树树脂脂槽槽最最低低的的侧侧壁壁高高度度来来控控制制液位，溢流式液位控制原理见示意图。液位，溢流式液位控制原理见示意图。这这种种溢溢流流式式液液位位控控制制装装置置结结构构简简单单、易于实现、可靠性较高。易于实现、可

41、靠性较高。溢流式液位控制法原理示意图溢流式液位控制法原理示意图SLA成形系统成形系统液位检测与控制液位检测与控制但是，溢流式液位控制法存在如下缺点：但是，溢流式液位控制法存在如下缺点：(1)由由于于树树脂脂粘粘度度很很大大，所所以以若若要要产产生生溢溢流流，补补充充边边液液面面必必须须比比流流出出边边液液位位高高出出一一定定高高度度，这这样样不不可可避避免免会会使使槽槽内内液液面面产产生生梯梯度度，造造成成工工件件向向溢溢流流口口方方向向倾倾斜斜。以以LPS250树树脂脂槽槽（300mm300mm）为为例例，流流入入流流出出基基本本稳稳定定后后，流流入入边边比比流出边高约流出边高约1mm左右。

42、左右。(2)液液位位理理论论上上只只有有一一个个稳稳定定位位置置，即即由由溢溢流流口口高高度度决决定定，不不能能调节，柔性较差。调节，柔性较差。SLA成形系统成形系统液位检测与控制液位检测与控制(3)溢溢流流的的流流量量变变化化又又使使上上述述倾倾斜斜呈呈不不确确定定性性。即即由由于于树树脂脂液液的的表表面面张张力力效效应应，液液体体存存在在“崩崩塌塌”现现象象。即即树树脂脂液液并并非非稳稳定定流流出出，而而是是积积累累到到一一定定高高度度后后瞬瞬间间泻泻掉掉，之之后后再再积积蓄蓄。如如此此循循环环，形形成成液液位位高高度度在在大大范范围围内内周周期期性性变变化化，这这会会导导致致制制件件的的

43、波波纹效应，如图所示。纹效应，如图所示。液位周期变化导致的波纹效应液位周期变化导致的波纹效应步进电机步进电机连轴器连轴器固定支座固定支座固定支座固定支座液液 槽槽沉沉 块块高分辩液位检测模块高分辩液位检测模块计算机计算机步进电机驱动器步进电机驱动器沉块式液位控制原理沉块式液位控制原理溢流液位控制测试结果：液位波动溢流液位控制测试结果：液位波动0.085mm沉块式液位控制测量结果：液位波沉块式液位控制测量结果：液位波动动0.03mmSLA成形系统成形系统液位检测与控制液位检测与控制液位控制作用液位控制作用1）保证光固化快速成型精度。）保证光固化快速成型精度。因因为为温温度度的的作作用用，工工作作

44、台台的的连连续续沉沉入入树树脂脂，以以及及制制件件的的取取出出，树树脂脂液液位位会会发发生生变变化化，影影响响到到X-Y精精度度，影影响响激激光光光光斑直径。斑直径。液面波动引起光斑半径及精度的变化液面波动引起光斑半径及精度的变化实际液面实际液面理想液面理想液面rr激光束激光束rSLA成形系统成形系统液位检测与控制液位检测与控制 假假如如液液态态树树脂脂的的实实际际液液面面位位置置与与相相对对理理想想的的位位置置发发生生h的的波波动动，如如图图所所示示，激激光光束束发发散散角角为为，则则引引起起光光斑斑直直径径变变化化，=2htg/2。同同时时引引起起光光点点位位置置的的变变化化=hctg，其

45、中，其中为光斑处于为光斑处于处光线与树脂液面的夹角。处光线与树脂液面的夹角。SLA成形系统成形系统液位检测与控制液位检测与控制2）保证光固化过程成型中层厚度均匀）保证光固化过程成型中层厚度均匀 因因为为液液位位的的波波动动，可可能能造造成成层层厚厚度度不不均均匀匀，过过厚厚的的层层厚厚度度，当当激激光光功功率率不不足足时时，导导致致成成型型层层之之间间的的剥剥离离，当当激激光光功功率率足足够够时时，固固化化层层位位置置可可能能超超过过真真空空吸吸附附槽槽刃刃口口，快快速速成成型型将将无无法法持持续进行；过薄的层厚度，导致过固化。续进行；过薄的层厚度，导致过固化。理想液位理想液位液位过高液位过高

46、升降托板升降托板升降托板升降托板液位过低液位过低液位变动对成型的影响液位变动对成型的影响(a)液位过高液位过高(b)液位过低液位过低导柱导柱导柱导柱PSDLD螺旋测微器容器树脂液托板底板液位检测与标定装置原理图光滑导柱PSDABLDOhA：零位反射光点；B：检测位反射光点；O：液面检测光点；：激光入射角；x：液面位置变化图3 斜射式测量法中的几何关系 7、液位检测模块液位检测模块真空吸附式涂敷装置真空吸附式涂敷装置光敏树脂光敏树脂SLA成形系统成形系统软件系统软件系统8、数据处理软件和控制系统软件、数据处理软件和控制系统软件作用：作用：（1）根根据据STL格格式式CAD模模型型的的拓拓扑扑信信

47、息息，确确定定成成型型方方向向、支支撑撑位位置置，对对模模型型加加支支撑撑，然然后后对对模模型型进进行行平平面面分分层层，得得到到每一个截面的形状。每一个截面的形状。（2）实实时时生生成成扫扫描描矢矢量量，控控制制激激光光器器、激激光光束束扫扫描描装装置置，控制网板升降、刮平装置的运动，控制液位，控制温度。控制网板升降、刮平装置的运动，控制液位，控制温度。STLSTL数据转换数据转换自动支撑自动支撑分层处理分层处理造型方向决定和平台配置等造型方向决定和平台配置等支撑手工编辑支撑手工编辑/追加追加/删除删除病态数据编辑病态数据编辑造型平台多模型配置造型平台多模型配置RPBuildRPBuild虚

48、拟设备列表虚拟设备列表参照参照SPISPI格格式式(恒通文件格式）恒通文件格式）模型修复及尺寸测量等模型修复及尺寸测量等数据输出数据输出XYXY补偿补偿Z Z向补偿向补偿 抽壳处理抽壳处理多重轮廓线多重轮廓线跨层处理跨层处理SPS350SPS350SPS450SPS450SPS600SPS600SPS600IISPS600IISLCSLC文件格式文件格式SLA成形的工艺过程成形的工艺过程1.模型设计模型设计 在在CAD造造型型软软件件中中完完成成原原型型件件的的几几何何建建模模，并并将将其其转转化化成成STL格式。格式。2.模型支撑、切片模型支撑、切片 采采用用数数据据处处理理软软件件对对ST

49、L格格式式文文件件进进行行加加支支撑撑处处理理、分分层层处处理理，得得到到每每一一层层的的截截面面轮轮廓廓图图形形数数据据，有有关关（支支撑撑）的的网网格格矢量数据，用于控制激光束的轨迹。矢量数据，用于控制激光束的轨迹。模模型型切切片片参参数数-层层厚厚度度设设定定应应考考虑虑包包括括激激光光功功率率、扫扫描描模模式、固化深度、扫描速度。式、固化深度、扫描速度。SLA成形的工艺过程成形的工艺过程3.原型制造原型制造 原型建立指液态光敏树脂逐层固化得到原型件的过程。原型建立指液态光敏树脂逐层固化得到原型件的过程。工工作作台台初初始始时时在在液液态态光光敏敏树树脂脂液液面面下下一一个个层层厚厚的的

50、距距离离，通通常常是是0.050.2mm。每每固固化化一一层层工工作作台台下下降降一一个个层层厚厚的的高高度。度。扫扫描描参参数数设设置置包包括括扫扫描描间间距距，扫扫描描模模式式，线线宽宽补补偿偿值值、收缩补偿因子的选择和确定。收缩补偿因子的选择和确定。SLA成形的工艺过程成形的工艺过程4.后固化处理后固化处理 后后固固化化处处理理指指的的是是用用很很强强的的紫紫外外光光照照射射刚刚成成形形的的原原型型件件，使之充分固化。使之充分固化。原原因因：激激光光扫扫描描快快速速成成型型过过程程中中，要要求求成成型型速速度度快快，变变形形小小，固固化化程程度度往往往往不不彻彻底底，建建立立的的原原型型