1 SLA在航空航天領域的應用
在航空航天領域,SLA模型可以直接用於風洞試驗,檢驗可制造性和可裝配性。航空航天零件通常是在有限空間內運行的復雜系統。采用立體光刻機技術後,不僅可以基於SLA原型進行裝配幹涉檢查,還可以對可制造性進行討論和評估,以確定最佳的合理制造工藝。通過快速熔模鑄造、快速砂型鑄造等輔助技術,實現特殊復雜零件(如渦輪、葉片、葉輪等。)單件小批量生產,進行發動機等零部件的試制和試驗。
在航空領域,發動機的許多零件都是通過精密鑄造制造的。對於高精度的木質模型制作,傳統工藝成本高,制作時間長。采用SLA技術,可以直接從CAD數字模型制作熔模鑄造母模,可以顯著降低時間和成本。在幾個小時內,就可以從CAD數字模型中獲得低成本、結構復雜的熔模鑄造SLA快速原型母模。
立體光刻機技術可以用來制作各種殼體,裝上傳感器後可以直接在風洞中測試。通過這種方法,避免了制作復雜曲面模具的成本和時間,從而可以更快地從各種設計方案中篩選出最優的整改方案,大大縮短了整個開發過程中的驗證周期和開發成本。此外,采用立體光刻機技術制作的全尺寸導彈模型,在模型表面噴塗後,清晰地展現了導彈的外形、結構和作戰原理,其展示和講解效果遠超單純的計算機繪圖模擬方法,因此在正式批量生產前可以對其工藝性和可裝配性進行測試。
2 SLA在其他制造領域的應用
光固化快速成型技術不僅在航空航天領域非常重要,而且在汽車、模具制造、電器和鑄造等其他制造領域也非常重要並廣泛應用。下面簡單介紹光固化快速成型技術在汽車領域和鑄造領域的應用。
現代汽車生產的特點是多品種、短周期。為了滿足不同的生產需要,需要不斷修改。雖然現代計算機仿真技術在不斷進步,可以完成各種動力學、強度、剛度分析,但在研發中仍需制成實物,以驗證其外觀形象、夾具可安裝性和可拆卸性。對於形狀和結構復雜的零件,可以利用光固化快速成型設備技術制作原型零件來驗證設計者的設計思想,原型零件可以用於功能和裝配測試。
光固化快速成型技術也可用於發動機試驗研究中的流動分析。流動分析技術用於確定復雜零件中液體或氣體的流動模式。將透明模型安裝在簡單的測試臺上,中間循環壹些液體,在液體中加入壹些細小的顆粒或氣泡,以顯示液體在通道中的流動。該技術已成功應用於發動機冷卻系統(氣缸蓋、車身水箱)、進排氣管等的研究中。問題的關鍵是透明模型的制作。傳統的方法耗時長、成本高且不準確,而結合CAD建模的SLA技術僅需4~5周,成本僅為以前的1/3。制作的透明模型完全可以滿足水箱和缸蓋的CAD數據要求,模型的表面質量也能滿足要求。
除了上述應用,立體光刻設備技術還可以與逆向工程技術和快速模具制造技術相結合,用於汽車車身設計、前、後保險杠總成的試制、內門板等結構/功能樣品的試制、賽車零部件的生產。
在鑄造生產中,模板、芯盒、蠟模、壓鑄模具往往采用機械加工的方法制造,有時還需要鉗工進行修整,費時費錢,精度不高。特別是壹些形狀復雜的鑄件(如飛機發動機的葉片、船用螺旋槳、汽車和拖拉機的缸體和缸蓋等)。),模具的制造是壹個巨大的問題。雖然壹些大企業的代工廠也有壹些數控機床、仿形銑等先進設備,但是除了設備昂貴之外,模具加工的周期也很長,機床的編程也因為沒有好的軟件系統支持而非常困難。快速原型技術的出現為生產速度更快、精度更高、結構更復雜的鑄造模具提供了保障。
立體光刻設備技術的研究進展
光固化快速成型制造技術自問世以來,在快速制造領域發揮了巨大的作用,成為工程界關註的焦點。光固化原型的制造精度和成型材料的性能成本壹直是該技術領域研究的重點。目前,許多研究人員通過分析成型參數、成型方法和材料固化來分析影響成型精度的各種因素,提出了許多提高光固化原型制造精度的方法,如掃描線重疊區域固化工藝、改進的二次曝光方法、研發用CAD原始數據直接切片、工件加工前工藝參數優化等。這些方法都可以減少零件的變形,降低殘余應力,提高原型的制造精度。此外,SLA使用的材料為液態光敏樹脂,其性能直接影響成型件的強度、韌性等重要指標,進而影響SLA技術的應用前景。因此,近年來,人們對提高成型材料的性能和降低成本進行了大量的研究,提出了許多行之有效的工藝方法。例如,將改性納米二氧化矽分散到自由基-陽離子雜化光敏樹脂中,可以增加光敏樹脂的臨界曝光量,降低投影深度,明顯提高其成型件的耐熱性、硬度和彎曲強度;另壹個例子是在樹脂基體中加入SiC晶須可以提高其韌性和可靠性。開發壹種新型可見光固化樹脂,可以用可見光固化,固化速度快,對人體傷害小,提高生產效率,大大降低成本。
光固化快速成型技術發展至今,各種新型成型技術不斷湧現。從微光固化快速原型制造技術和生物醫學兩個方面對SLA技術進行了展望。
1微光固化快速原型制造技術
目前傳統SLA設備成型精度為0.1mm,可以滿足壹般工程要求。然而,在微電子和生物工程領域,壹般要求零件具有微米級或亞微米級的精細結構,傳統的SLA技術已經不能滿足該領域的需求。特別是近年來,隨著MEMS(微機電系統)和微電子技術的飛速發展,微機械結構的制作已經成為壹個極具研究價值和經濟價值的熱點。μ-SL(Micro Stereolithography)是在傳統SLA技術基礎上面向微機械結構制造需求的壹種新型快速成型技術。這項技術早在上世紀80年代就已經提出,經過近20年的努力研究,已經得到了壹定程度的應用。目前提出並實現的μ-SL技術主要有基於單光子吸收效應的μ-SL技術和基於雙光子吸收效應的μ-SL技術,可以將傳統SLA技術的成型精度提高到亞微米級,開辟了快速成型技術在微細加工中的應用。然而,大多數μ-SL制造技術的成本相當高,因此大部分仍處於實驗室階段,距離實現大規模工業化生產還有壹定距離。因此,今後該領域的研究方向是:發展低成本生產技術,降低設備成本;開發新的樹脂材料;進壹步提高光成形技術的精度;建立μ-SL數學模型和物理模型,為解決工程中的實際問題提供理論依據;實現μ-SL與其他領域的結合,比如生物工程[8]等等。
2生物醫學領域
光固化快速成型為傳統方法無法制作或難以制作的人體器官模型提供了壹種新方法。基於CT圖像的立體光刻機技術是修復體制作、復雜手術規劃和口腔頜面修復的有效方法。目前,組織工程學是生命科學研究前沿領域中的壹門新興交叉學科,是立體光刻設備技術中壹個非常有前途的應用領域。基於SLA技術可以制成具有生物活性的人工骨支架,具有良好的力學性能和與細胞的生物相容性,有利於成骨細胞的黏附和生長。如圖5所示,SLA技術制作的組織工程支架植入了小鼠前成骨細胞,細胞的植入和黏附性非常好[9]。