光敏树脂液位检测与控制

 从立体光固化成型技术的原理可知光敏树脂液位的稳定性是保证其成型精度的重要指标. 在模型打印过程, 如果光敏树脂液位变化没有得到及时检测与控制, 将会造成模型的形状误差. 研究表明,若液位过低, 固化层厚将小于设定液位层厚, 引起模型的形状误差, 发生模型过固化. 如果固化层厚大于设定液位层厚, 会导致固化不完全, 层间粘黏力小,模型易被剥离. 因此, 液位的稳定性对于加工顺利起关键性作用, 必须对液位的高度进行严格的检测和控制.

 光敏树脂液位检测与控制采用激光三角法非接触式激光距离检测技术, 激光三角法按照光线入射方式又可以分为直射式和斜射式. 立体

光固化成型技术利用直射式检测树脂液面高度,Farnsworth 设计了一种直射式液面深度精确控制的方法和装置, 由计算机控制激光测距仪系统直射入液面, 实现立体光固化液位闭环控制. 直射式检测方法容易受到外界光照干扰, 而且本身发射的激光因为散射原因, 只有部分光经反射接收, 测量精度不高, 斜射式检测方法能有效解决这一问题.

 1993 年美国3D Systems 公司提出立体光固化成型技术, 采用斜射式检测树脂液面高度, 设计了一种用于检测和控制光敏树脂液位的方法和仪器, 液位的检测采用激光非接触发射检测法, 目前立体光固化成型技术的液位检测基本采取这种方法. 该方法的装置由半导体激光器、位置敏感探测器(Position sensitive detectors, PSD)、A/D 转换器、机械装置和计算机控制系统等组成. 液位的高度通过激光光斑的位置来获得的, 即激光以一固定角度入射, 经发射的光到投影屏上, 通过控制反射光的高度达到控制液面的高度, 通过PSD 探测液位高度, 调整好光路后, 我们就根据液位控制目标的要求确定一合理的阈值. 立体光固化成型技术, 要求能检测出液位0.05mm 左右的变化, PSD 的位置分辨率可达到6微米.

 在立体光固化成型过程, 液态光敏树脂固化成型后, 将会发生体积收缩, 引起液位变化, 当PSD检测到液位波动超出阈值范围内时，需要对液位进行调节和控制. 目前, 立体光固化成型设备液位控制方法最主要方式有三种: 溢流式、容积调节式和液槽升降式. 1993 年索尼公司申请了立体光固化树脂溢流式液位控制系统, 该系统包括一个主液槽和补充罐, 溢流式控制法通过主液槽和补充槽内的液体相互流动, 补充槽向主液槽内添加光敏树脂, 使主液槽内的树脂达到动态平衡, 这是一种简单可靠的开环设计方式. 但是, 当光敏树脂粘度和表面张力发生变化时, 上述设计难以满足液位稳定控制要求.Almquist 等设计了一种容积调节式液位控制方法和装置, 装置包括: 一个主液槽和一个与其相连的浮筒, 通过浮筒的上下运动改变主液槽内的容积从而调节液位, 达到控制目的. 浮筒运动由液位检测信号和设定值比较确定, 该方式为闭环控制, 缺点是响应速度慢, 并且当浮筒体积不够时无法有效补充树脂. 美国3D Systems 公司的SLA 250 型号即采用这种方式控制液位[60]. 3D Systems公司于2005年设计了一种液槽升降式液位控制系统, 该系统是3D Systems公司目前使用的液位控制系统, 通过驱动电机控制液槽的升降来调节液位高度, 控制方式速度快, 但总体成本达到几十万至上百万人民币, 需要稳定性很好的升降驱动系统。

未完待续；