基于NSGA-Ⅱ的面曝光3D打印工艺参数多目标优化

为改善面曝光3D打印制件的打印质量差、效率低等问题,采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对工艺参数进行优化。选择温度、分层厚度、曝光时间、回合等待时间为优化变量,成型试样的变形率、表面硬度、时间为优化目标,通过单因素实验确定优化变量约束范围。根据Box-Behnken实验方案,建立各优化目标的预测模型,使用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化,规定优先精度、优先硬度、优先速度原则,按照不同优化原则分析帕累托前沿得到对应的最优工艺参数,并进行打印验证。结果表明,优先精度原则下,变形率最小值为0.508%,与优化前相比,降低了9.290%;优先硬度原则下,表面硬度最高达到95.3 HD,与优化前相比,提高了0.316%;在优先速度原则下,打印时间与优化前相比缩短了17.220%,优化效果显著。

移动焦平面正反面曝光制备SU-8微结构及PDMS浓度梯度产生器

针对芯片实验室对浓度梯度产生器(CGG)的需求,为制作侧壁垂直的CGG,提出了一种移动焦平面正反面曝光制备SU-8光刻胶微结构的方法。该方法根据焦深将SU-8厚度分成多层,每曝光一次焦面向下移动一层,当曝光层数达到总层数一半时将样品翻转,同样采用移动焦面重复曝光的方式使SU-8内部形成光化学反应通道,得到充分曝光。最终利用SU-8微结构制作出聚二甲基硅氧烷(PDMS)CGG。测试结果表明:SU-8微结构实际轮廓侧壁垂直,没有出现“T”形结构,沟道高度为49.4μm;PDMS CGG侧壁垂直,沟道深度为49.3μm,满足CGG侧壁垂直要求。

面曝光3D打印机光强均匀性校正技术研究

为了提高面曝光3D打印机出光的光强均匀性,设计一套带有多个光功率传感器、可以沿着打印机成像幅面长度方向移动的工装。使用该工装采集成像幅面不同区域的光功率,建立光功率拟合曲面,并以测量的最小光功率为基准计算得到一张灰度掩膜图像。光功率较大区域对应的灰度掩膜图像像素的灰度值较小。打印机在后续投影图像时,使用该掩膜图像对投影图像进行灰度值修改操作,使得打印机投影成像图像的各个区域光强趋于一致。实验结果表明,提出的光强均匀性校正技术能够将打印机的光强均匀性(最小值/最大值)由81.3%提升至93.0%。

陶瓷面曝光快速成型工艺研究

利用投影机中微小反射镜阵列(Digital micromirror device,DMD)形成投影图案,以发光二极管紫外光(UV-LED)作为光源,建立了陶瓷面曝光快速成型试验系统。利用该系统研究了自开发的可光固化磷酸钙陶瓷浆料的光固化性能,确定了其临界曝光强度为14.24 mJ/cm^2,透射深度为149μm;优化了面曝光陶瓷成型的工艺参数,即分层厚度100μm,曝光强度54 mJ/cm^2,曝光时间3 s,并实现了带有复杂网状结构的陶瓷多孔支架的制造。该工艺所成型的陶瓷零件经烧结后,其致密表面和内部未见有裂纹和较大孔洞,压缩强度高达63MPa,可满足骨组织工程支架的机械性能要求。所述的面曝光快速成型工艺可直接成型多孔以及复杂结构的陶瓷零件,有望为陶瓷骨组织支架的制造提供新的发展方向。

面曝光快速成形关键技术及研究现状

全面介绍了面曝光快速成形关键技术、应用及研究现状,指出了其优势和存在的问题;阐述了面曝光快速成型系统组成、掩膜生成方法及关键器件工作原理,分析了LCD作为快速成型掩膜生成器件的失效原因,重点比较了LCD、DMD掩膜生成器件的分辨率、可靠性以及对快速成型的适用性;探讨了掩膜曝光快速成形过程中,树脂曝光固化引起翘曲变形的原理,介绍了改善翘曲变形的方法;最后,根据以上分析以及掩膜生成关键器件的发展现状,提出了面曝光快速成形技术的发展趋势。

面曝光快速成型过程中树脂收缩变形

为了研究面曝光固化过程中树脂收缩行为对成型零件变形的影响,设计并制作了基于DLP(digital light procession)技术的面曝光固化快速成型机,分析了光固化过程中树脂收缩的原因.对树脂在自由液面和约束液面2种曝光情况下的收缩行为进行实验,同时将固化成型件进行二次固化.结果表明:自由液面曝光时,B5B型树脂的收缩量与曝光时间成正比,最终稳定在4%左右,而在约束液面情况下由于溢出光固化效应导致收缩量随曝光时间增加而减小.二次固化过程中仍会产生收缩,收缩量占收缩总量的40%~50%.

面曝光固化快速成型曝光时间的参数优化研究

面曝光快速成型是光固化成型领域快速高速发展的一种工艺,曝光时间是成型工艺中的关键参数之一,对于成型质量有直接关系:若曝光时间过短,正在固化的树脂层硬度不够,在重力的的作用下会使其下落,进而影响下层树脂的固化,一层影响一层,最终使得逐层固化的树脂精度不高,导致制件变形较大;若曝光时间过长,正在固化的树脂硬度会比较高,但是其收缩也会比较明显,同时会在固化层和树脂槽之间会产生真空,真空力会使打印金属平台上升时所产生的拉力增大,容易造成固化层脱落遗留在树脂槽中,导致打印物件制造失败。通过比较不同曝光时间下样品的凝胶含量和双键转化率两大指标,确定样品随着曝光时间的增加固化程度也在不断增加;然后通过比较不同曝光时间下样品的拉伸储能模量,发现样品随着曝光时间的增加力学性能也随之增强。通过综合比较固化程度、成型力学性能、成型精度三大因素,确定整体成型最佳曝光时间。通过两个分层试验验证了前述最佳曝光时间的合理性。

面曝光快速成形系统中图像的畸变校正

针对面曝光快速成形系统中的视图发生器在成像过程中存在的光学畸变问题,依据相差理论建立了二元三次多项式畸变校正模型.在校正模型的基础上,分析比较了不同灰度重建方法的优缺点.采用空间可变双线性插值进行灰度重建,通过使用VC++6.0编译了图像畸变校正算法程序,实现图像畸变校正.实验表明,该方法在不依赖视图发生器内部参数的情况下,可方便、迅速地实现对视图发生器的校正,消除光学畸变.

面曝光快速成形系统制作工艺参数的优化研究

应用田口方法的信噪比(SN)对液面曝光辐照度、曝光时间、液面等待时间及面收缩补偿系数4个主要影响面曝光快速成形的因素进行了优化试验研究。采用自由度为26的L27(313)形式的正交表,通过实验得到各个因素不同水平对应的制作零件尺寸误差的信噪比。实验结果的直观分析和方差分析表明:面收缩补偿系数、液面曝光辐照度、面收缩补偿系数与液面曝光辐照度的交互作用及液面等待时间对制作精度有显著影响;面收缩补偿系数与液面等待时间之间的交互作用对制作精度有一定的影响。针对面曝光快速成形系统,得出了以曝光平面内的制作精度为优化目标的制作参数的最佳组合。试验结果表明:在最佳的制作工艺参数条件下,曝光平面内的制作误差在±10μm范围内,显著提高了面曝光快速成形制作精度。

面曝光快速成形系统中掩模图形的生成方法

针对STL模型生成掩模图形的问题,从现有的STL模型切层软件中获取轮廓数据,使用VC++6.0实现轮廓环内外轮廓属性的判断、轮廓环填充次序的确定和轮廓环的填充,得到适用于面曝光快速成形系统的掩模图形.验证结果表明,该掩模生成方法可对多层嵌套的轮廓环进行合理填充,生成正确的掩模图形.

用于面曝光快速成形系统的光照度测量系统研究

面曝光快速成形工艺中,视图平面上的光照度大小严重影响着零件的制作精度,为控制面曝光快速成形工艺中的制作精度,需要准确测量视图平面上的光照度,为此开发了基于硅光电池的光照度测量系统.系统采用硅光电池接收光信号并转换成微弱的电流信号,经I/V转换和放大后以电压信号传送至MCU进行A/D转换,再根据数字信号和硅光电池的线性灵敏度计算出实际光照度值.为能动态调整放大电路的增益,系统采用了数字电位器作为反馈元件.利用该系统测量了面曝光快速成形工艺中视图平面上的光照度,对测量数据用MATLAB进行3次曲线拟合,建立了光照度与灰度的模型关系,利用该关系,可方便地通过改变灰度来调整视图平面上的光照度.

基于收缩补偿的面曝光成型零件尺寸精度的改善

针对面曝光成型零件易收缩的问题,采用单因素实验研究了曝光时间、分层厚度、回合等待时间这3项工艺参数对圆柱形零件尺寸收缩率的影响,以获得合理的水平值,然后通过正交实验和极差分析法得到最佳工艺参数组合及该组合下的零件尺寸收缩率,在此基础上计算出收缩补偿因子,在零件分层之前对其尺寸进行收缩补偿,以获得高尺寸精度成型零件。结果表明,在同一工艺参数下Z向的收缩较XY平面方向更为严重;对Z向尺寸精度影响程度从大到小依次为分层厚度、回合等待时间、曝光时间;最佳工艺参数条件下XY平面方向的收缩补偿因子为1.001,Z向的收缩补偿因子为1.015 2。经过对复杂零件扩散器模型的收缩补偿,发现在最佳工艺参数下Z向尺寸收缩率由未收缩补偿前的1.59%降低至0.03%,显著提升了面曝光成型零件的尺寸精度。

面曝光3D打印机光强检测补偿系统研究与实现

针对面曝光3D打印设备投影仪光强分布不匀的问题,提出了一套完整的修正方案,通过在上位机软件中添加灰度掩膜的方式实施光强补偿。利用紫外光传感器、Arduino控制板、步进电机等搭建自动化数据采集设备;设计算法剔除测量误差,提升传感器测量精度至±10-5 W/cm2。本系统可根据传感器反馈逼近直接获取离散的补偿掩膜灰度数据,建立灰度分布数学模型并利用Qt setPixel函数完成掩膜绘制,在简化计算、提高校准效率方面效果显著。经仪器检测及实际打印验证,提出的投影仪光强检测及补偿方案能够有效消除数字投影仪光强分布误差,将所测投影仪光强极差由5×10-4 W/cm2缩小至5×10-5 W/cm2以下。对于文中选用的树脂材料,可在0.1mm成形精度等级降低投影仪光强不匀造成的负面影响。

后处理工艺及工作环境对面曝光快速成型制件性能的影响

为了研究后处理工艺与工作环境对面曝光增材制造零件性能的影响,按照国家标准设计了测试件,通过对采用不同后处理方式的制件进行拉伸和弯曲实验,研究了不同后处理方式以及所取工艺参数对制件性能的影响。结果表明,热处理对制件的拉伸和弯曲性能有很大的提升,在60℃的温度,3 h后拉伸强度由56. 9 MPa提升到了62. 7MPa,强度提升了10. 19%,弯曲强度由77. 6 MPa提升到了93. 1 MPa,强度提升了19. 97%;后固化对制件拉伸性能没有明显影响,后固化20 min时,弯曲强度由77. 6 MPa提升到了95. 7 MPa,强度提升了23. 32%;在水下工作环境中,随着时间的增长,弯曲性能基本不变,拉伸性能逐渐降低,泡水24 h后,拉伸强度从56. 9 MPa降低到47. 9MPa,降幅达到15. 82%。

面曝光快速成形系统中涂层技术的研究

针对面曝光快速成形系统对涂层工艺的要求,设计了一种浸入式涂层系统。该系统由步进电动机、丝杠、刮刀、导轨等组成。为了研究涂层参数对涂层性能的影响,建立了涂层厚度模型,通过试验比较同一涂层参数取不同值时涂层厚度的变化规律。试验结果表明:涂层厚度随刮刀间隙及刮削次数的增大而增大;涂层厚度随刮削速度的增大而减小。为了观察涂层厚度是否随制件高度的增加而变化,制作了高40 mm的台阶制件并测量其涂层厚度。测量结果表明:在所设计的浸入式涂层系统中,涂层厚度不随制件高度的增加呈现明显的变化趋势。

基于RPi的面曝光快速成形机控制系统

为了简化面曝光快速成形机的控制系统,降低其成本,提出了一种基于树莓派(Raspberry Pi,RPi)卡片电脑的面曝光快速成形机控制系统。系统以Raspberry Pi为控制核心,以Linux为操作系统,通过Python编程控制,实现了对面曝光快速成形机的掩模图形投影和工作台运动控制;利用接入以太网的Raspberry Pi,实现了对面曝光快速成形机的远程登录、文件传输以及实时监控。控制系统大大减小了面曝光快速成形机的占用空间,降低了成本,且具备远程操作功能,有利于面曝光快速成形机进入大众市场。

面曝光快速成形技术的变形

从理论分析和软件模拟两方面分析了面曝光快速成形技术中的变形问题.建立了小挠度温度应力弯曲微分方程,推导出变形与层数、温差及位置等参数间的关系式.利用仿真软件AN-SYS,采用"生死单元"的方法模拟了桥型零件固化过程中的变形,验证了层数、温差及位置对变形的影响,并阐述了产生变形的原因.通过实验,验证了理论分析和软件模拟的正确性.

利用改进扫描线法的面曝光快速成形的掩模图形

在对掩模图形的生成机理进行研究的基础上,提出用扫描线法生成基于STL数据模型的掩模.针对大数据量的轮廓边扫描效率较低的问题,改进传统的扫描算法:重新定义边数据结构,将边表分为3个动态区间以存储相应的边,从而实现了在无需判断截面曝光域与非曝光的情况下,直接借助边表填充截面轮廓,快速生成具有多层嵌套关系的排模图形.该方法可避免构建与维护活动边表,简化扫描线算法的实现过程,同时可解决传统算法较难解决的奇点问题.

面曝光快速成形系统升降工作台运动精度研究

介绍了面曝光快速成形实验系统的基本原理,构建了由运动控制卡、驱动器、精密滚珠丝杠、直线导轨等组成的升降工作台,并对其运动精度进行了测试和评定.工作台向下进给时,定位精度为10.9μm,单向重复定位精度为10.8μm;工作台向上进给时,定位精度和单向重复定位精度都为7.6μm.测试结果表明,该系统能够满足制作小尺寸零件的精度要求.

面曝光快速成形制件的拉伸强度

为了研究面曝光快速成形工艺的制作参数和制件放置方式对制件强度的影响,按照国家标准设计了测试件,在不同的制作参数和制件放置方式条件下,对测试件进行了拉伸实验,研究了不同制作参数和制件的放置方式对制件拉伸强度的影响.结果表明,曝光时间在60~360s范围时,随曝光时间的延长,拉伸强度由2.21MPa逐渐增大到15.94MPa;切层厚度在0.05~0.5mm范围时,随切层厚度的增大,拉伸强度由17.33MPa逐渐减小到1.90MPa;放置方式对测试件的拉伸强度有显著影响,沿长度方向放置制件时的拉伸强度最高.