约束液面面成型光固化3D打印关键技术的研究

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随着社会的高速发展,人们的消费方式逐步向快速化、多样化、个性化方向转变。这一消费方式的改变正逐步影响着传统制造业的生产方式,使用快速成型技术高效地实现多元产品的定制服务成为了当今时代制造业发展的主旋律。光固化快速成型技术中一个重要的发展方向是面曝光快速成型技术,也称为面成型3D打印技术。面成型3D打印技术以数字投影技术为核心,完成小型化、高精度、个性化产品的制造,广泛应用于航空航天、医疗和珠宝等领域。在成型过程中,打印的工艺参数直接影响制件精度和制件的性能,因此研究工艺参数的优化就显得尤为重要。  本文重点介绍了光固化快速成型中的面成型技术,以其研究现状、原理、技术特点为基础,针对面成型技术存在的问题和发展趋势,提出本文的选题背景和研究意义。在面成型工艺的机理分析中,对面成型3D打印工艺的原理及特点进行阐述。简要介绍了面成型光固化的工艺过程。实验采用本课题组自主研发的DLP快速成型机DeliPro D80为实验平台,以本单位吴立新课题组研制的光敏树脂C9-9为原材料,进行了光敏树脂光固化特性分析,基于光敏树脂的特性,对DeliPro D80的打印参数进行优化,提高打印精度及制件的力学性能。  实验中首先对光敏树脂C9-9进行了光固化特性分析,其中包括光敏树脂的吸收光谱、临界曝光量和透射深度、打印稳定性。通过测试不同光引发剂含量的光敏树脂的吸收光谱,分别得到不同光敏树脂对波长为405nm的吸收系数,光敏树脂在紫外波段的吸收性能与光引发剂含量成线性增加关系。结合Beer-Lambert定律,通过测量在不同光功率下打印的薄片的厚度,拟合出光敏树脂的曝光能量的自然对数和固化深度的关系曲线,最终得出C9-9的透射深度Dp=0.1168mm,临界曝光量Ec=8.85mJ/cm2,确定了工艺参数中的切层范围最佳光功率和光照时间。对光敏树脂C9-9进行稳定性测试,工艺参数为:树脂温度35℃,光照时间12.6s,切层厚度30μm,光功率1.136mW,提拉速度为2.5mm/s,打印模型为戒指模型,其中模型的底板尺寸为80mm×50mm,戒指直径为20mm,共按四行三列的排列方式,共12个戒指。实验中成功实现了连续打印12次戒指模型,证明了DLP快速成型机DeliPro D80和光敏树脂C9-9的稳定性良好,有利于重复利用光敏树脂,节约成本。  由于成型后的光敏树脂仍会有未完全固化部分残留,本文针对未固化及不同时间的后固化对制件拉伸强度的影响,通过后固化时间的优化,增强制件的拉伸强度和应力。基于C9-9的光固化特性,通过四因素三水平的正交实验来优化约束液面面成型的工艺参数,主要探讨光照时间(A)、切层厚度(B)、光功率(C)和提拉速度(D)对成型制件拉伸强度和表面粗糙度的影响。通过直观分析、效应曲线分析和方差分析,分别确定制件拉伸强度和表面粗糙度的主要影响因素,并对工艺参数进行了优化。对于制件的拉伸性能,影响较为显著的因素是切层厚度和光功率,此时最优的工艺参数是A3B**1C*31;对于表面粗糙度,影响较为显著的因素是光照时间和切层厚度,此时最优的工艺参数是A**1B*1C31;对于收缩率,影响较为显著的因素是光照时间和光功率,此时最优的工艺参数是A**1B2C*1D1。综合考虑制件的拉伸强度、表面粗糙度和收缩率可以得出优化后的工艺参数为A1B1C3D1。在实际应用中,应根据不同的需求来具体调节工艺参数,用来获得成型制件的良好性能。
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