激光固化自由成形的原理

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：激光固化自由成形机由液槽、可升降工作台、激光器及扫描系统、计算机数控系统等组成。在这一层液态光敏树脂受到紫外激光束照射的部位，液态光敏树脂发生聚合反应而快速固化，形成相应的一层固态的成形件截面轮廓和支撑结构。

激光固化自由成形采用的设备是激光固化自由成形机（Stereo Lithography Ap-paratus，SLA，见图2-4），它是最早出现的一种商品化自由成形机。激光固化自由成形机由液槽、可升降工作台、激光器及扫描系统、计算机数控系统等组成。其中，液槽中盛满液态光敏树脂，带有许多小孔洞的工作台浸没在液槽中，并由步进电动机在升降臂的驱动下能沿高度Z方向作往复运动。激光器为紫外（UV）激光器，如固体Nd：YVO₄（半导体泵浦）激光器、氦镉（He-Cd）激光器和氩离子激光器，激光的波长为320～370nm（处于中紫外至近紫外波段）。扫描系统为一组X-Y扫描振镜，它能根据控制系统的指令，按照成形件截面轮廓图形的要求作高速往复摆动，从而使激光器发出的激光束反射并聚焦于液槽中光敏树脂的上表面，并沿此表面作X-Y方向的扫描运动。在这一层液态光敏树脂受到紫外激光束照射的部位，液态光敏树脂发生聚合反应而快速固化，形成相应的一层固态的成形件截面轮廓和支撑结构。

图2-4 激光固化自由成形机原理图

激光固化自由成形的工作过程如下（见图2-5）：开始时，工作台的上表面处于液面下一个截面层厚的高度（例如0.1mm），该层液态光敏树脂被激光束扫描而固化，并形成所需第一层固态截面轮廓图形后（见图2-5a），工作台下降一层高度，液槽中的液态光敏树脂流过已固化的截面轮廓层（见图2-5b），刮刀按照设定的层高作往复运动，刮去多余的液态树脂，再对新铺上的这一层液态树脂进行扫描固化，形成第二层所需固态截面轮廓图形，新固化的一层能牢固地粘接在前一层上，如此重复直到整个制件成形完毕（见图2-5c）。

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图2-5 激光固化自由成形过程

a）固化第一层 b）固化第二层 c）固化最后一层

这种自由成形机使用的光敏树脂通常有环氧树脂和丙烯酸酯两种类型，这些树脂由可进一步聚合的低聚体（oligomer）、活性单体（monomer）、光引发剂（pho-toinitiator）及其他助剂组成。经过适当波长的光（如紫外光）照射后，它们发生聚合反应，迅速固化成形。在光敏树脂中一般含有2％～5％的光引发剂，它在光的辐射作用下，由基态变为激发态，然后再生成活性自由基，引发低聚体和活性单体进行聚合固化反应。

激光固化自由成形的原理

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