光固化快速成形工艺中过固化深度的研究

　　发展微米和中间尺度制造技术具有重要意义[1]。由于快速成形技术能实现任意复杂曲面的成形,其制作时间、成本与零件的复杂程度无关,能制作具有复杂内腔或复杂内流道的零件,因此,发展能满足微米和中间尺度制造技术要求的快速成形技术具有重要意义。光固化法激光快速成形技术法是现有快速成形技术中精度最高、表面质量最好的技术[2],因此光固化快速成形技术成为满足微米和中间尺度制造技术的重要制造方法。

　　利用光固化快速成形技术制作Z向的间隙微细结构时,成形时产生的过固化深度是导致间隙堵塞及间隙尺寸精度降低的主要原因。对光固化工艺的研究中,有很多对于固化线深度固化宽度以及固化层厚度方面的研究报道[3~5],但尚未见到为提高微细结构的制作精度,对过固化深度的研究。笔者根据光固化激光快速成形工艺的成形特点,建立了光固化激光快速成形工艺过固化深度的理论模型,据此模型提出了减小和控制过固化深度的措施。

　　1　过固化理论模型

　　1·1　过固化理论模型

　　光固化快速成形工艺中,下垂面由于过固化引起的过固化深度(悬垂量)是影响精度的主要原因[5]。制作堆积方向微小间隙结构时,过固化深度也是引起间隙堵塞的主要原因。为精确制作堆积方向微小间隙结构,必须对下垂面的过固化深度形成机理进行研究。

　　下垂面过固化量出现主要有两方面的原因:首先,制作下垂面最底层时,由于该层下面是液态树脂,当曝光量较大时,际固化层厚比分层厚度大,使最底层出现过固化量。

　　另外,固化与最底层相邻几层时,若曝光量足够大,激光束仍能穿透已固化层,使最底层下面的树脂固化,进一步加剧了过固化量的形成,而影响堆积方向精度。

　　对于造成过固化的第一种原因,可通过控制激光功率与扫描速度之比,使实际固化层厚与分层厚度接近,从而消除过固化量。对于造成下垂面过固化的第二种情况,可通过建模进行分析。

　　1·2　减小过固化的途径

　　式(10)显示,影响下垂面过固化深度的主要因素有:第一层的固化深度Cd1、分层厚度T、激光束在液态及固态光敏树脂中的透射深度之比Dp/Dsp以及引起过固化的总固化层数m。可采用以下措施减小过固化,提高堆积方向间隙结构尺寸精度。

　　(1)减小最底层固化深度Cd1最底层固化深度Cd1越大,过固化深度总量越大,要精确制作细微间隙结构,控制下垂量,首先要设法减小Cd1。可采取减小激光功率与扫描速度之比来减小Cd1。

　　(2)增大分层厚度。在制作细微结构时,总希望采用尽可能小的分层厚度,来提高制作分辨率,但是以上分析表明:较小的分层厚度会导致较大的过固化深度。欲制作堆积方向的细微间隙结构,在不影响堆积方向实体细微结构制作的前提下,应采用较大的分层厚度来减小过固化深度,提高细微间隙结构的制作精度。