台式快速成型装置的光学系统研究与开发

　　1　引　　言

　　作为科学计算可视化与虚拟现实相匹配的新兴技术,快速成型技术提供了一种可测量可触摸的手段,是设计者、制造者与用户之间的新媒体。快速成型技术目前正向着降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展,其目的是普及和扩大快速成型技术的应用[1]。我们研制的台式快速成型装置具有体积小、成本低、材料完全国产化的特点,尤其适合于国内广大的中小企业。该设备噪音小、重量轻、无三废排放,可同打印机、复印机等一同用作办公设备。

　　台式快速成型装置包括机械装置、软件系统、控制系统及光学系统。本文只介绍光学系统的研究与开发过程。

　　2　光学系统设计准则

　　光学系统主要包括紫外灯、聚光镜、锥度光纤、控制电路等。光学系统的结构见图1。

　　设计光学系统时遵循了以下准则:

　　·获得尽可能高的光束质量;

　　照射在液面处的光斑应具有以下特点:

　　·波长范围在紫外光谱范围内,集中于330nm～380nm,越集中越好;

　　·光斑会聚性好,无明显散斑,能量密度高;

　　·光斑直径小,有利于提高加工分辨率。

　　·体积小、重量轻,以使成型装置结构紧凑;

　　·供电简单、功耗小、维护容易;

　　·价格便宜,易于商品化。

　　3　光源选择及控制

　　3.1　紫外激光器

　　系统可选光源主要有:紫外激光器、可见光激光器、紫外灯。一般常用的树脂固化范围位于紫外光谱范围内,要求光源的单色性较好,功率密度较大。因此,快速成型设备多使用激光器作为光源。

　　用于光造型的激光器通常有以下类型:

　　He-Cd激光器,其紫外线固化树脂能量效率高,温升较低,但树脂的吸收系数不易提高,固化分辨率较低。激光器寿命为2000h左右。

　　紫外线Ar+激光器,其树脂的吸收系数可用掺入染料等法得到大幅度提高,固化分辨率较高,可达水平方向2μm,垂直方向10μm,全方位5μm～10μm,但能量转化效率较低,曝光时间较长,发热量较大。

　　N2激光器,其输出功率为0.1mJ/脉冲～500mJ/脉冲,输出波长为337.1nm,使用寿命长达数万小时。另外,还有目前国际上使用较多的3倍频YAG激光器等。

　　以上几种紫外激光器国外的产品价格较高,一般为几万美元;国内的产品价格较低,一般为几万元人民币,但其体积都较大,性能不稳定,因此,就目前而言,采用紫外激光器作为光源仍不利于成型装置的商品化。

　　3.2　可见光激光器

　　可见光激光器有半导体激光器、Ar+激光器、He-Ne激光器等。同紫外激光器相比,采用半导体激光器固化的效果不够理想,但其价格便宜,体积非常小,寿命相当长,且易于控制,后两种激光器虽然固化效果比半导体激光器稍强,但其价格高,体积大,无法使系统小型化。随着波长越来越短的半导体激光器的不断研制成功,将有更廉价、更稳定的光源可供选择。