快速成型工艺及其光学应用

      1.快速成型的原理

      传统的加工技术是采用去材料的加工方式，在毛坯上把多余的材料去除，得到我们想要的产品。而快速成型技术即是采用加材料的方式进行加工，材料从没有到有，一层层的叠加得到产品，有别于传统的加工方式。快速成型技术采用离散或积成型的原理，由三维的CAD 模型根据不同的加工工艺进行分层，每一层就变成了一个二维图形，从而由大量的二维图形取代了三维图形，只要所分的层是足够的薄，那么大量的二维图形叠加在一起就越逼近三维图形。然后经过对数据进行理，让每一个二维图形生成数控程序，利用数控系统把所得的数控程序以平面加工得方式还原成每一层二维图形的薄片，让薄片一层一层的叠加起来就得到了三维的模型

      2.快速成型的加工类型简介

      快速成型技术经过近年来的不断发展与完善，已经产生了很多种的加工方法。目前主要的有：光固化成型(StereoLithographyApparatus，SLA)、分层实体制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering,SLS)、熔融沉积法(Fused Deposition Modding,FDM)、三维打印法(Three Dimensional Printing and Gluing,DP)等常用的方法

 

      ①光固化成型技术（SLA）是以光敏树脂为原料，放在液槽里，激光器发出紫外激光经过扩束镜、聚焦镜把激光束聚焦到振镜扫描头上。计算机根据由三维实体图分割而成的二维图的形状控制振镜扫描头运动。激光所扫描到的液体上表面的地方，光敏树脂马上发生光聚合反应，形成一层薄层。激光没有扫描到的地方，树脂还是处于液体的状态。然后把托板往下移动，让液体再次充满上表面，再次进行激光扫描并凝固，即得到另外一层薄片，跟前面的一层薄片粘合在一起。这样一层一层的扫描凝固、粘合，直到把三维实体加工出来为止

      ②分层实体制造技术（LOM）是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热粘接在一起，系统根据所获得的二维数据，利用激光将纸切割成所制模型的内外轮廓，然后一层层的纸再叠加在上面进行切割，把每一层粘合在一起，生成模型

      ③选择性激光烧结技术(SLS)是利用各种粉末作为材料，以激光作为能源。在工作台上铺一层薄薄的粉末，设备控制激光按照从三维模型分割出来的二维图的形状扫描，扫描到的粉末被激光烧结，形成薄层，一层完成后再到下一层，烧结完成后，经过打磨、烘干等的后处理即可得到模型

      ④熔融沉积法(FDM)技术是以热融性的（ABS、尼龙、蜡等）作为材料，材料在喷头处被加热成液体。三维立体图被分割成大量的二维图后，设备的喷嘴受到系统的控制，根据二维图的形状一边运动一边挤出在喷头里融化了的材料，形成一层与二维图形状一样的薄层，一层一层的薄层叠加在一起即可得到三维的实体

      ⑤三维打印(3DP)技术是以特殊粉末与粘合剂为材料。系统把三维模型分割成适合打印机打印的二维截面图。在工作台上铺一层薄薄的粉末，根据打印机的原理，打印喷头喷出黏合剂，粉末遇到黏合剂即凝固，生成一层薄片层，工作台随即降低一层薄片层的高度，再铺一层新的粉末，重复整个过程，一层层薄层叠加在一起生成整个三维模型

      3.快速成型的应用

      ①在建筑行业的应用，建筑设计师设计时不但要考虑房子的结构与造型，还要考虑到房子的位置布局、房子的外观格调等是否与周围的环境能和谐的结合在一起，要做到面面俱到，对设计师来说是一个挑战。设计太复杂了，建筑工程师要读懂设计师的设计图纸实施工程的建设也有一定的难度。那么如果把整个建筑物及其周围的环境都做成模型，将会既可以让设计师检验房屋的布局、结构、外观等是否符合其设计理念，以便可以进行及时的修改，也有利于建筑工程师通过模型实物了解设计师的设计意图，避免在建造时出现偏差，浪费时间与成本，也可用作于房屋的展示，还可以制作城市里的整体或局部的立体地图

      ②在医学上的应用，在很多重大、复杂的手术上，医生都要进行手术的仔细研究，为了得到比较优化的手术方案，医生要进行多次手术的预演。这就要求能快速的制作出医学上用的三维模型用于手术前的研究与手术预演。在整形与骨头外伤手术上，结合逆向工程技术进行设计与制作假体植入人体也得到比较广泛的应用

      ③在快速模具制造上的应用,目前RPM的快速制模主要有用RPM原型间接制模和RPM系统上直接制模方式。间接制模法是以快速原型制造的精确造型为三维母型，以复型的原理翻制模具，通过浇铸、喷涂、电铸等间接工艺制造模具。常用的制模工艺有铸造，一般可用于制作铸造熔模、硅橡胶模和环氧树脂模等。采用PRM技术直接制模是将模具CAD的结果由RPM系统直接制造成形，而不经过中间转换环节。这种方法不依赖传统模具制造工艺，效率高，受到广泛重视

      ④在微机械制造业的应用，本文采用的微机械定义为: 总体尺寸约1cm3 以下, 零件最小长度在10um 左右、结构高度集成化, 由计算机进行智能控制的机械。与普通的机械相比, 微机械在加工方面的特点是: 尺寸小, 要求高的加工分辨率和大的加工自由度，一般的加工方法难以加工或者不能保证加工质量，快速成型的柔性化制造正好满足填补了这方面的技术空白

      ⑤在反求工程上的应用，现在企业为了尽快的吸收新技术和制造新产品加大了在逆向工程上的研究，由于逆向工程在得到三维模型后加工工艺还是无法短时期内解决，快速成型技术刚好可以解决此类问题，缩短产品的上市周期（如吉利和奇瑞汽车）。

      4．快速成型的发展

      快速成型技术是在一项在不断发展与完善中的技术。对于现代产品的多样化与复杂化来说，其应用于产品开发中有其较大的优势，能使得产品的开发周期大大的缩短，为开发产品节省了成本，赢得市场。但也具有机器与材料成本相对来说较高，精度难以达到工业上要求的缺点，使得该技术有一定的局限性，若能克服以上的缺点，快速成型技术将会有很好的发展前景。