紫外光快速成型技术及其应用研究

发布时间：2020-04-19 08:58

【摘要】：以累加思想实现零件制作的快速成型技术（RP），是制造技术领域的一项重大突破，它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想从CAD模型，物化为具有一定功能的原型或零件，进而实现对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，因此，这项技术能有效地缩短产品的研发周期。光固化成型技术（SL）是最早商品化、应用最广泛的RP技术，其理论、工艺的完善及价格的降低等，对于RP的普及应用，有着极其重要的影响。本文在分析比较各种紫外光源主要性能及光敏树脂的吸收光谱与光源辐射光谱匹配关系的基础上，论证了以远紫外汞氙灯辐射光源，替代He－Cd激光光源的设计方案，从而为实现降低光固化快速成型设备的成本及运行成本提供了依据；针对CPS250的光学系统进行了改进，提出了对辐射光能量施加与否进行实时控制的思想；首次从集光效率的角度出发，阐述了选择椭球集光方案的理论根据，用波动理论深入分析了椭球集光的聚焦点及其附近光能量的空间分布，同时分析了采用冷光膜技术的必要性；论述了光能在光纤中传输时的能量损失问题，分析了光纤弯曲对光能量传输所带来的影响；在分析对光纤耦合输入输出聚焦系统基本要求的基础上，首次推证了耦合聚焦光斑在空间分布的理论表达式。根据树脂光固化的基本理论及成型过程，首次对固化成型线条扫描成型全过程进行了详细分析，从理论上导出了匀速扫描时线条横截面形状的数学模型，并与实际截面形状进行了比较，分析了两者的差异；首次对扫描过程中加（减）速成型线条的纵向剖面形状进行了数学建模；同时对控光思想进行了实验研究及理论分析，制作了控光快门并进行了实验，给出了实验结果。对翘曲变形进行了详细分析，指出成型过程中树脂发生变相收缩和层与层粘结产生残余应力是导致翘曲变形的根本原因；首次阐述了离散点曝光方式、连续扫描曝光方式及掩膜平面曝光方式的特征，在此基础上，论述了各种固化方式与收缩变形之间的联系，从力学角度对各种固化方式下的翘曲变形问题进行了理论分析，并首次给出了相应固化方式下的数学模型及其收缩率计算公式；首次研究了掩膜曝光的二次曝光工艺，并对此进行了理论分析，指出合理运用这种成型工艺，对于改善翘曲变形以及大幅度提高成型效率都具有重要意义。在介绍了微电子机械系统（MEMS）基本情况的基础上，首次提出了将RP技术应用于 MEMS的思想以及平面掩膜式光固化快速成型方案；开发了实验用掩膜，，设计并制作了平面曝光成型的实验装置该装置；首次研究了将光刻技术、牺牲层技术、化学淀积镀膜与光固化快速成型制造技术等相结合，来制作MEMS件的工艺流程，并制作了实验样件。以应用RP技术制作三自由度电容式微型激励器为例，阐明了这种制造工艺的主要特点，探索了复杂微机械结构制作的新方法；详细分析了所设计微驱动器在静电力作用下的静态特性，推导出了可动极板线位移运动时存在稳定平衡位置的条件及驱动电压与可动极板线位移量之间的关系曲线；给出了可动极板吸合到固定电极上的吸合电压，指出了分析可动极板角位移静态特性的解析方法。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2001
【分类号】：TH16

【引证文献】