第4章 快速成型典型工艺—光固化快速成型工艺与设备ppt课件.ppt

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1、光固化快速成型制造技术,邵金友 Email:Tel:13609182384、83399529先进制造技术研究所机械制造系统工程国家重点实验室西五楼B305,概 述,液态光敏聚合物选择性固化（Stereo Lithography Apparatus，简称SLA），又称立体平板印刷技术，或称光固化立体造型，是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法。在国际市场上占的份额最大，约为60左右。,快速成型制造技术,光固化快速成型机结构,快速成型制造技术,激光器：提供光固化光源，波长355nm紫外光扫描器：使激光实现X-Y方向扫描聚焦镜：使激光在焦点处会聚反射镜：光路调整立板：固定Z

2、向工作台，固定液位调整系统网板：支撑快速成型制件树脂槽：盛装液体光固化树脂沉块：调整液位，保证XY方向扫描精度刮平装置：真空吸附刮平装置，保证层厚度,1、利用计算机控制下的紫外激光，按预定零件各分层截面的轮廓，进行填充扫描，轮廓扫描，使被扫描区的光敏树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面；,2、当一层固化完毕，移动升降台，通过真空吸附式刮平系统，对大平面补充树脂，并刮平装置刮去多余的树脂。在原先固化的树脂表面上再涂敷上一层新的液态树脂。,SLA成形原理,SLA成形原理,3、激光束对新一层树脂进行扫描固化，使新固化的一层牢固地粘合在前一固化层上。,4、重复2步和3步，至整个零件原型制

3、造完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗、后固化以及表面光洁处理。,SLA成形系统的组成及各部分的作用,SLA成形系统由激光器、扫描器、光敏树脂、液槽、升降台、树脂涂敷装置和控制软件组成。,光固化快速成型计算机,SPS光固化快速成型系统采用两台计算机，一台用作分层和加支撑，通过网络与CAD工作站直接连接，接收CAD系统设计的STL文件。一台用作系统控制，分层数据文件和支撑文件通过并行接口传输给控制计算机。SPS光固化快速成型系统的中央控制部件采用工业控制计算机，制作时，实时生成扫描矢量及各种控制指令，并通过相应的接口电路控制各个子系统。计算机通过3通道16位数模转换器控制振镜

4、扫描系统，控制网板升降运动，刮平系统运动等；激光功率和树脂温度等模拟量通过数模转换电路馈入计算机；通过I/O接口板把驱动脉冲送至步进电机驱动电源，成型机的各种光电开关信号也通过I/O板馈入计算机。,SLA成形系统的激光器,1、SLA用激光器有两种类型：氦镉（HeCd）激光器，输出功率1550mW（毫瓦），属于低能量激光，输出波长325nm，激光器寿命2000h。固体激光器，激光物质YVO4，输出功率1001000mW，属于高能量激光，输出波长354.7nm，激光器寿命5000h以上，寿命主要决定于泵浦源。聚焦后激光光斑直径一般为0.050.30m，激光位置精度可达0.008mm，重复精度可达0

5、.005mm。,激光器技术,原子在正常分布状态下，总是稳定地处于低能级E1，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦原子受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E后，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。光受激后，其能量有下列关系：,激光器技术,处于高能级E2的原子在光子的诱发下，从高能级E2跃迁到低能级E1而发光，这个过程叫做光的受激辐射。根据外光电效应，只有光子的频率等于激发态原子的某一固有频率时，原子的受激辐射才能产生，因此，受激辐射发出的光子与外来光子具有相同的频率、传播方向和偏振状态。,激光器技术,在外来光子的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能

6、级的数目就多于低能级的数目，相对于原子正常分布状态来说，称之为粒子数反转。当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种工作物质中传播时，会变得愈来愈强。增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质。激励能源：使原子从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转分布的外界能量。,激光器技术,一个外来光子激发原子产生另一个同性质的光子，这就是说一个光子放大为N1个光子，N1个光子将诱发出N2光子（N2N1）在原子受激辐射过程中，光被加强了，这个过程就被称为光放大。,图 经过受激辐射光被放大的示意图,受激吸收,受激辐射,受激光放大,激励（泵浦）示意图,激光器技术（结构）,为了使受激辐射的光强

7、足够大，通常设计一个光学谐振腔。原子发出的光在光学谐振腔里产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光，该辐射光被称为激光。,光学谐振腔示意图,激光器技术（原理）,激光发生原理 一个原子吸收能量之后，从低能态到高能态的过程称为激发过程。反之，处于激发状态的原子是不稳定的，总是自发地回到低能态，同时有光子发出，这一过程叫“自发辐射”。如果原子吸收外界光能而跃迁到高能级，而受外界光感应产生辐射又回到低能态，这一过程叫“受激发射”。但是，只有采用一种办法使物质中大量粒子同时处于激发态，并通过外界光感应，使所有处于激发态的粒子几乎同步完成受激辐射回到低能态，这时物质才能发出一束强大的光束来，称为“激光

8、”。,激光器技术（结构）,激光工作物质：即发光物质，可以是气体、液体和固体；泵浦源：能量源，产生激励作用，有电泵浦源、光泵浦源等；谐振腔：放置在发光物质两边的反射镜，其中之一为全反射镜，另外一个为部分反射、部分透射的半反射镜；激光器的分类：根据工作物质的不同，分为气体、液体和固体激光器。,激光器技术,激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光的高亮度 普通光源发出的光是连续的，并且在4立体角内传播，能量十分分散，所以亮度不高，如太阳光的亮度值约为2103W/cm2Sr，而气体激光器的亮度值为108W/cm2Sr，而固体激光器的亮度更高达1011W/cm2Sr。不仅如此，激光光束

9、经过聚焦，光斑温度可以高达万度。激光的高方向性 激光的高方向性主要是指其光束的发散角小，紫外激光发散角为0.5毫弧度。,激光器技术,激光具有高平行度，其发散角小，一般约为0.18，比普通光微波小23个数量级。激光光束在几公里之外的扩散范围不到几厘米，因此，立体角极小；由于它的能量高度集中，比同能量级的普通光源高几百万倍。,激光器技术,激光的单色性 激光的频率宽度很窄，比普通光频宽度的十分之一还小，因此，激光是最好的单色光。激光测长主要就是利用激光的高单色性。激光的相干性 两束光在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰的干涉图样或能收到稳定的拍频信号。,激光器技术,时间相干 是指同一光源在相干

10、时间t内的不同时刻发出的光，经过不同路程相遇而产生的干涉。空间相干 是指同一时间由空间不同点发出的光的相干性。由于激光的传播方向、振动态、频率、相位完全一致，因此激光具有优良的时间相干性和空间相干性,固体激光器,液体激光器,气体激光器,半导体激光器,激光器的组成,激光器,固体激光器,这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子（如Cr3+）；(2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；(3)锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽

11、的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi2O6）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。晶体两端镀膜构成谐振腔。,固体激光器,固体激光器的增益介质是固态物质。尽管其种类很多，但其结构大致是相同的，特点是体积小而坚固，功率大。目前输出功率可达几千兆瓦。常用的固体激光器有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器。,红宝石激光器应用：焊接、切割,液体染料激光器,使用Ar离子激光，K

12、TPYAG激光或紫外激光泵浦含有染料的有机溶液，激励染料，并使该染料的谱线在谐振腔内振荡放大而输出波长连续可调的激光。染料不同可调波长范围不同，如果再进行倍频，则可获得紫外光，从而得到紫外到近红外的波长。液体激光器输出激光的工作物质是液体。其最大的特点是它发出的激光波长可在一波段内连续可调，连续工作，而不降低效率。液体激光器可分为有机液体激光器，无机液体激光器以及鳌合物激光器等。,液体染料激光器应用：物质分析，光化反应，激光演示，科学研究及光动力学治疗等,气体激光器,这类激光器采用的气体工作物质，是所使用的工作物质中数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广的一类激光器。气体激光器所

13、采用的工作物质，可以是原子气体、分子气体和电离化离子气体，为此，把它们相应的称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。在原子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主要是几种惰性气体（如氦、氖、氩、氪、氙等），有时也可采用某些金属原子（如铜、锌、镉、铯、汞等）蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是氦一氖气体激光器。在分子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的主要分子气体工作物质有CO2、CO、N2、H2、HF和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳（CO2）激光器、氮分子（N2）激光器。离子气体激光器，是利用电离化的气体

14、离子产生激光作用，主要的有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表型器件是氩离子（Ar+）激光器、氪离子（Kr+）激光器以及氦一镉离子激光器等。,气体激光器,气体激光器的工作物质是气体。其特点是小巧，能连续工作，单色性好，但是输出功率不及固体激光器。目前已经开发了各种气体原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有CO2激光器、氦氖激光器和CO激光器。,氦氖激光器应用：检测，CO2激光器，应用于焊接、切割，快速成型,半导体激光器,半导体激光器又称激光二极管1(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用MBE（分子束外延）或者CVD（化学气相沉积）方法来制备的量子阱(QW)

15、和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，和折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。,半导体激光器,半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一种效率高、体积小、重量轻、结构简单，但输出功率小的激光器。其中有代表性的是砷化镓激光器。,半导体激光器应用：可作为光泵浦，产生激光。,SLA成形系统扫描装置,激光束扫描装

16、置有两种方式：（1）.扫描器Galvanometer（扫描振镜）电流计驱动的扫描振镜方式，适合于制造各种尺寸的高精度原型件，扫描速度快，但存在焦距误差现象。（2）.XY绘图仪方式，精度高，扫描速度低，适合于制造大尺寸的高精度原型件。,SLA成形系统扫描器,振镜是一种矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流时，转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能象普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比，与电流计一样，故振镜又叫

17、电流计扫描器（galvanometric scanner），反射镜安装在转轴出端，由转子带动偏转。,SLA成形系统扫描器,振镜经历了动圈、动铁、动磁三个发展阶段。动磁式的转子用稀土永久磁铁做成，线圈固定、便于散热。具有转子惯量小、力矩常数大、动态性能好、发热小等特点。开环驱动的精度和动态响应不理想，因而广泛采用闭环控制，角位移通过碟形电容传感器检测，精度取决于电容传感器。由于传感器的信号变换和前置放大电路封装在振镜里，振镜发热产生的温度变化会引起电路的漂移，故要求在振镜里面采取恒温措施，而动磁式振镜的发热少，可不用恒温控制，其漂移可控制在到20ppm/。振镜具有优良的动态性能，可达到0.951

18、06rad/s2的角加速度，若扫描半径为800mm，则相当于光点0.76106/s2的线加速度。可以达到40周/秒的扫描速度，20扫描范围，扫描半径为800mm，光斑扫描速度达到48米/秒。,SLA成形系统扫描器,扫描器,振镜,控制卡,SLA成形系统扫描器,当指令电信号为交变电流时，振镜的转子运动实际上是一种有阻尼的受迫振动。它的运动方程可用一个二阶微分方程表达，即：式中：J转子的转动惯量；Dm机械阻尼系数；w弹簧丝的弹性系数；ME机械或电磁力矩；偏转角度；t时间,SLA成形系统扫描器,通过给定初始条件t=0时，=0和边界条件d=0时，=ME/w，可以求解出激光束的角速度、角位移和偏转角度的关

19、系，从而求解出光斑在层数据轮廓边缘的动态行为，包括光斑在轮廓边缘的速度和位移曲线，计算出光斑在轮廓边缘的过冲量（激光光斑冲出轮廓边缘的量）。激光功率越大，则激光扫描速度越快，过冲量越显著。光斑在边缘的过冲，必然造成扫描精度的丢失，同时也会影响制件的表面粗糙度。,SLA成形系统扫描器,振镜反射镜 反射镜固定在检流计转子的小轴上。对于高功率激光系统，对于低功率激光系统，反射镜不需要冷却散热，可以使用普通光学玻璃制作反射镜片，然后镀高反射膜，反射率可达99%。,SLA成形系统液槽,3、液槽作用：盛放光敏树脂采用不锈钢制作，其尺寸由原型件尺寸决定。,SLA成形系统升降台和网板,4、升降台和网板作用：控

20、制成形工件的升降。在真空吸附式涂敷装置使用之前，一般采用下潜、提升的运动方式，保证表面补充足够的树脂；在采用吸附式涂敷装置后，吸附涂敷装置储存有足够的树脂，用于补充表面，一般采用逐次下潜一个层厚度的运动方式。升降台和网板的运动由电机控制，最小步距在0.02mm以下。,SLA成形系统刮平装置,5、刮平装置第一代刮平装置（双刃式刮平装置）装置结构简单，存在的问题是：因为树脂的黏度，在刮刀推动表面树脂的同时，对表面下的树脂也有作用，在刮平装置作用之后，因为树脂内部的粘滞阻力，刮平装置下方的树脂会发生回流现象，向刮平相反方向回流，致使已刮平的树脂表面升高。,SLA成形系统刮平装置,真空吸附式刮平装置（

21、最新进展）真空吸附式刮平槽内储存有足够多的树脂，保证新一层树脂迅速、均匀的涂覆在已固化层上，保证每一层厚度均匀。并且可吸收多余树脂。网板可采用逐层下潜的运动方式，不必采用下潜、回升的运动方式，提高工作效率。,标准液面,实际液面,真空吸附涂敷装置,抽真空,（a）刮刀刮平，层厚度0.1mm。（b）真空吸附刮平，层厚度0.1mm,刮刀刮平涂层标准偏差,真空吸附刮平涂层标准偏差,液位检测模块,液位控制模块,SLA成形系统液位检测与控制,6.液位控制模块 因为温度的作用，工作台的连续沉入树脂，以及制件的取出，树脂液位会发生变化，影响到X-Y精度，影响激光光斑直径。溢流式液位控制法（初期采用）原理是在树脂

22、槽的一边不断地补充树脂液，利用树脂槽最低的侧壁高度来控制液位，溢流式液位控制原理见示意图。这种溢流式液位控制装置结构简单、易于实现、可靠性较高。,SLA成形系统液位检测与控制,但是，溢流式液位控制法存在如下缺点：(1)由于树脂粘度很大，所以若要产生溢流，补充边液面必须比流出边液位高出一定高度，这样不可避免会使槽内液面产生梯度，造成工件向溢流口方向倾斜。以LPS250树脂槽（300mm300mm）为例，流入流出基本稳定后，流入边比流出边高约1mm左右。(2)液位理论上只有一个稳定位置，即由溢流口高度决定，不能调节，柔性较差。,SLA成形系统液位检测与控制,(3)溢流的流量变化又使上述倾斜呈不确定

23、性。即由于树脂液的表面张力效应，液体存在“崩塌”现象。即树脂液并非稳定流出，而是积累到一定高度后瞬间泻掉，之后再积蓄。如此循环，形成液位高度在大范围内周期性变化，这会导致制件的波纹效应，如图所示。,液位周期变化导致的波纹效应,沉块式液位控制原理,溢流液位控制测试结果：液位波动0.085mm,沉块式液位控制测量结果：液位波动0.03mm,SLA成形系统液位检测与控制,液位控制作用1）保证光固化快速成型精度。因为温度的作用，工作台的连续沉入树脂，以及制件的取出，树脂液位会发生变化，影响到X-Y精度，影响激光光斑直径。,SLA成形系统液位检测与控制,假如液态树脂的实际液面位置与相对理想的位置发生h的

24、波动，如图所示，激光束发散角为，则引起光斑直径变化，=2htg/2。同时引起光点位置的变化=hctg，其中为光斑处于处光线与树脂液面的夹角。,SLA成形系统液位检测与控制,2）保证光固化过程成型中层厚度均匀 因为液位的波动，可能造成层厚度不均匀，过厚的层厚度，当激光功率不足时，导致成型层之间的剥离，当激光功率足够时，固化层位置可能超过真空吸附槽刃口，快速成型将无法持续进行；过薄的层厚度，导致过固化。,7、液位检测模块,真空吸附式涂敷装置,光敏树脂,SLA成形系统软件系统,8、数据处理软件和控制系统软件作用：（1）根据STL格式CAD模型的拓扑信息，确定成型方向、支撑位置，对模型加支撑，然后对模

25、型进行平面分层，得到每一个截面的形状。（2）实时生成扫描矢量，控制激光器、激光束扫描装置，控制网板升降、刮平装置的运动，控制液位，控制温度。,SLA成形的工艺过程,1.模型设计 在CAD造型软件中完成原型件的几何建模，并将其转化成STL格式。2.模型支撑、切片 采用数据处理软件对STL格式文件进行加支撑处理、分层处理，得到每一层的截面轮廓图形数据，有关（支撑）的网格矢量数据，用于控制激光束的轨迹。模型切片参数-层厚度设定应考虑包括激光功率、扫描模式、固化深度、扫描速度。,SLA成形的工艺过程,3.原型制造 原型建立指液态光敏树脂逐层固化得到原型件的过程。工作台初始时在液态光敏树脂液面下一个层厚

26、的距离，通常是0.050.2mm。每固化一层工作台下降一个层厚的高度。扫描参数设置包括扫描间距，扫描模式，线宽补偿值、收缩补偿因子的选择和确定。,SLA成形的工艺过程,4.后固化处理 后固化处理指的是用很强的紫外光照射刚成形的原型件，使之充分固化。原因：激光扫描快速成型过程中，要求成型速度快，变形小，固化程度往往不彻底，建立的原型件强度低，通过后固化处理才可达到要求的性能。固化时间一般为30min。,紫外灯,快速原型件,快速成型工艺过程,调入STL数据,选择成型方向,快速成型工艺过程,自动生成支撑,快速成型工艺过程,各种支撑形式,快速成型工艺过程,快速成型工艺过程,扫描控制系统中加载数据文件,

27、快速成型工艺过程,成型过程仿真,快速成型工艺过程,设置成型扫描模式,快速成型工艺过程,设置成型参数,SLA用的材料,SLA 采用的光敏聚合物有：丙烯酸树脂（Acrylic Resin）和环氧树脂（Epoxy），通过添加光敏引发剂，在外界紫外光的照射下，可以迅速固化。丙烯酸树脂（Acrylic Resin）的特点是黏度低，流动性好，便于涂敷，但变形大，强度、韧性低，较脆。环氧树脂（Epoxy）的特点是强度、韧性高，黏度、流动性差，通过设备改善工艺性。,SLA成形过程中的操作事项,1.SLA在建立原型件的过程中要设计支撑 支撑的作用：其一是支撑原型件的悬臂或是中空的结构，以顺利建立原型件；其二是使

28、原型件坚固地黏结在建立的底座上，从而避免固化层变形翘起，涂敷装置刮过表面树脂时，制件被破坏，以及制件在液槽升降运动中，更加稳定。,SLA成形过程中的操作事项,支撑的要求：支撑在原型件建立后应能方便的去除，所以要考虑其结构，在能够稳定支撑的前提下，尽量设计成容易去除的结构。支撑结构多为间距为6mm的薄片，与制件接触部分为点接触，称为点支撑。,激光扫描模式,扫描方式,填充扫描,轮廓扫描,激光扫描模式,步进扫描：从一点到另一点的快速运动，激光在运动终点才开启，扫描的路径并不重要，如用于光学开关、点焊和打孔中，SLA中的点支撑扫描。网形扫描：这种扫描工作在匀速条件下，扫描到线段的终点后又返回起点作第二

29、线段的扫描，如此重复进行。这种扫描也可以改变方向，如数据采集和打印，SLA成型过程中的填充扫描。矢量扫描：这种波形由一系列微步构成，变化速度超过系统带宽，当扫描开时扫描可匀速进行，激光关时随着复位运动稳定停止。例如激光打标、激光显示和快速成型等应用。,SLA成形的优缺点,一.SLA快速原型技术的优点 1.系统工作稳定。系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无需专人看管，直到整个工艺过程结束。2.尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。3.表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。4.系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。5.成形速

30、度较快。,SLA快速原型技术的缺点,二.SLA快速原型技术的缺点1.需要专门实验室环境，维护费用高昂。2.成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。3.光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，使聚合物收缩产生内部应力，导致软薄部分的弯曲和卷翘。,SLA快速原型技术的缺点,4.氦-镉激光管的寿命仅2000小时，价格较昂贵，运行费用高。5.可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和耐热性能试验。6.需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一

31、个结构部位都能可靠定位。支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。,光固化快速成型精度误差,聚焦误差,聚焦面,工作面,光固化快速成型精度误差,双振镜扫描场与“枕形”畸变,光固化快速成型聚焦误差,双振镜扫描模块在X-Y平面内扫描，其结构如图所示，设a为振镜2到像场中心的距离，两振镜间隔距离为b。则聚焦误差为：,由式中可看出，聚焦误差由光程的变化引起，与坐标x和y有关，光斑越接近扫描场边沿，则光程差越大，聚焦误差越严重。,光固化快速成型聚焦误差,光斑焦点扫描轨迹构成的像场为球面，与工作面不重合，称为系统的聚焦误差或Z轴误差。扫描范围越大，误差就越大，需要用硬件动态聚焦模块加以克服。动态聚焦

32、模块可在振镜扫描过程中同步改变模块焦距，调整聚焦位置，实现Z轴方向精度误差补偿，与双振镜构成一个三维扫描系统。,光固化快速成型精度误差,光固化快速成型静态精度误差,动态聚焦模块由一正一负两片透镜(L1，L2)组成，如图所示，高斯激光束，经扩束准直后，可以看作是均匀球面波的一种推广，二者经透镜的变化规律存在着密切的类比，因此，可使用牛顿公式求光斑位置。对于正透镜L1有牛顿公式：求微分：式中，设，当负透镜L2轴向位移时，L1像方的聚焦位置发生变化。工程中为了保证L2的直线位移对振镜扫描的可靠响应，一般限制du在5mm以内。工作距离r由扫描范围（像场大小）、光斑尺寸、振镜最大扫描角优化确定。,光固化

33、快速成型枕形误差,激光扫描系统的精度直接对成型精度产生影响，扫描精度分为静态精度和动态精度，对于静态精度而言，首先，原理上振镜扫描系统的偏转角和平面坐标之间存在着本质的非线性影射关系，如果采用线性映射直接控制振镜，则会产生所谓枕形误差，必须进行矫正。枕形误差原理：,光固化快速成型枕形误差,从上式可以看出，当振镜反射镜片2中心到扫描平面中心距离一定时，枕形误差与振镜偏转角度1和2有关，它随1和2的增大而增大，所以在扫描平面的中心附近枕形误差较小，而边缘的畸变较大。当扫描角度范围为20时，平面扫描范围为500500mm，相对枕形误差（x与扫描场500mm之比）约为3%，当1和2降为10 时，相对枕

34、形误差降至0.36%。,由于在振镜的偏转角与平面坐标之间存在着非线性对应关系，所以如果用简单的线性对应关系来控制振镜的偏转，则扫描的形状产生畸变，因而必须把指令的平面坐标值先转换成相应的角度，也即进行校正。其它非线性误差来源，（1）镜面偏置引起的误差，理论上要求扫描振镜转轴中心应通过反射镜面，但为了使扫描器有较好的动态性能，反射镜转轴中心通过反射镜几何中心，镜面偏置引起的误差与反射镜厚度有关。（2）扫描系统安装调整误差引起的误差，如激光束不可能正好入射到镜面中心，激光束不能保证严格垂直于反射镜转轴入射。（3）XY扫描镜的零位调整误差，即当控制电压为0时，激光束并不垂直投射到平面上的中心点。,光

35、固化快速成型枕形误差,光固化快速成型静态精度误差,双振镜扫描枕形误差的消除 枕形误差一般通过供应商提供的校正表对振镜扫描过程予以控制校正，扫描器供应商提供的校正文件与扫描器中心到成型表面（树脂表面）中心点距离有关，也就是说，快速成型制件的精度决定于机器的装配精度以及液面高度等因素。目前，可采用标准标定板，依次让扫描器定位到一系列名义坐标，用标准校正板测出光斑的实际坐标，即可得到定位误差。,光固化快速成型静态精度误差,图3 枕型误差产生原理,图4 枕型误差在线校正软件界面,光固化快速成型静态精度误差,双振镜扫描系统，不可避免地会出现枕型误差，扫描器供应商提供的校正文件与扫描器中心到成型表面（树脂

36、表面）中心点距离有关，也就是说，快速成型制件的精度决定于机器的装配精度以及液面高度等因素。而在实际生产中，扫描器中心到成型表面（树脂表面）的距离在1000mm左右，扫描器中心点至成型表面（树脂表面）中心点的距离测量十分困难，另外，成型表面（树脂表面）位置与树脂槽内树脂量、树脂温度有关。因此，扫描器中心到成型表面（树脂表面）中心点距离对于每台机器是不同的，通过给定扫描器中心到成型表面（树脂表面）中心点距离来确定制件精度的方法是不准确的，而且是十分困难的。,光固化快速成型静态精度误差,针对以上问题，西安交通大学开发了一种枕型误差在线检测、校正装置和方法。采用一标准检测平板，在整个表面内采用高精密数控机床加工刻度点，对于SPS600机器刻度点为54个，SPS350机器刻度点为33个，精度保证在5mm以内。通过水平仪等检测方法，将标准检测平板与成型平面（树脂表面）相重合，将激光光斑逐点尽可能逼近刻度点，生成一实际校正文件。这种方法能够保证在整个成型区域内，真正保证制件0.1mm的精度。,光固化快速成型动态精度误差,光斑过冲矢量接点延时,SLA成形的用途,SLA快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。,