3D打印之SLA光聚合成型控制系统简介(六)

阅读 2688 发布时间:2017-02-08 18:52

成型精度误差控制

 立体光固化技术是精度最高的3D 打印技术之一, 因此提高立体光固化技术精度引起了3D打印技术行业的高度关注, 从业人员期待在立体光固化精度误差控制上产生重大突破. 立体光固化技术成型过程包括: 前期数据准备、成型加工和后处理过程, 如图10所示.

图10 立体光固话技术成型流程图

 成型精度误差主要有表面精度误差、形状精度误差以及尺寸精度误差. 表面精度误差主要在前期数据准备时, 对实物的三维CAD模型进行STL格式化和分层切片逼近导致, 也被称为台阶效应. 台阶效应无法被消除, 只能尽量减小层厚使误差变小, 然而这会相应增加数据处理时间. 文献提出了一种基于产品模型数据交互标准(Standard for the exchange of product model data, STEP) 的在CAD系统外直接对CAD 模型进行非均匀自适应分层的方法. 根据模型的表面形状, 当模型表面倾斜大时, 选择0.1mm的层厚; 反之, 选择0.2mm以上的层厚. 这样自动改变层厚提高成型精度. 形状精度误差的产生主要由翘曲形变[78] 及局部缺陷带来. 翘曲形变的发生在成型过程中, 液态光敏树脂在激光束照射下发生光交联反应, 导致固化聚合过程中体积收缩, 产生内应力导致模型产生形变(指当外部荷载去掉以后, 仍残存在物体内部的应力. 它是由于材料内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的). 目前主要有两种方法可以控制翘曲形变: 1) 改进材料配方的方法, 来控制光固化过程中产生的体积收缩, 从而提高成型精度; 2)Jacobs提出的“二次曝光法”原理, 具体操作是: 首先,以临界扫描速度Vc 对固化层进行第一次扫描, 首次扫描完成后会在液面上形成一个厚度略小于分层厚度的固化的薄层, 这个薄层并不与下面已固化的模型粘接. 这样, 经过第一次扫描形成的薄层将会自由收缩, 而不会与已固化的实体相互干扰,也就不会产生层间应力; 然后, 以透射速度Vp 对固化层进行第二次扫描,用来将薄层与下面已固化的模型部分粘接起来. 因为第二次固化的液态光敏树脂厚度很薄,所以其固化时产生的层间应力小, 因而比起传统固化方法可以有效地降低翘曲形变的发生. 二次曝光法主要是要确定临界扫描速度Vc 和透射速度Vp, 这也是该方法的难点. 由于第一次曝光时薄层未能与已固化模型粘接起来, 所以层与层之间存在漂移错位, 使得模型侧壁变得凹凸不平, 严重影响了成型表面精度. 西安交通大学提出“改进型二次曝光法”,该方法在原有二次曝光法的基础上, 先确定扫描区域内的连通域个数; 再在每个连通域以透射扫描速度Vp 扫描出初始的5 条线, 用来把薄层和已固化模型粘接起来; 随后的过程与二次曝光法相同. 该方法保留了传统二次曝光法翘曲变形小的优点, 同时也能弥补层间漂移等缺点. 文献利用了Tem01光强分布, 并用高斯函数来描述Tem01 光束的光斑半径和能量分布函数I:

能量分布函数I

式中, r是径向变量,ωOS表示截面的基模光斑半径,PL为激光功率。固化深度公式Cd:

固化深度公式Cd

式中, Eo为入射能量密度; Ec为临界曝光密度; Dp为透射深度. 当衰减为入射能量密度的时的固化深度:

入射能量密度的时的固化深度

 式中, Vs 为光斑扫描速度. 模型成型后还有一个后处理过程, 特别是去除支撑结构以及提高表面光洁度的处理措施, 需要严格执行相应操作流程, 否则会造成形状和尺寸精度的误差。


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