材料在添加法生产中的作用

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随着新材料的发展，原型快速成型（RP）技术的功能正在不断地扩大。

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立体平版印刷技术（SL）是最古老的、而又是应用最广泛的原型快速成型（RP）技术之一。目前，可选用的商用SL树脂达40多种，而立体平版印刷技术也确实是一种通用的技术，可以为任何RP技术中的各种大小和尺寸的零件提供最高的精度和最好的表面质量。

对于任何RP技术而言，立体平版印刷技术的多功能性取决于设备的能力和所提供的材料。一般来说，所提供的材料范围越广，该技术的应用范围也就越广。

在过去的几年中，由多家供货商开发的SL树脂，其品种和范围在不断地增加，包括具有不同物理性能的材料，它们类似于热工程塑料，例如像聚丙烯、ABS材料和聚碳酸酯。这些材料让SL的应用范围不断扩大，从最初创建概念化模型和母模，发展到创建功能性或配合/组装式模型，甚至代替了低批量生产应用领域中使用的铸造尿烷材料或注塑模压件。

此外，还开发了高度先进的合成树脂，它使SL技术的发展进入到了快速工具成型领域，为使用加工技术和立体平版印刷技术操作的机加工车间节约了大量的时间和费用。

巨大突破

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将立体平版印刷技术与选择性激光烧结（SLS）技术和熔融沉积制模（FDM）法进行比较。显然，采用SL技术可以生产出表面质量最好和精度最高的零件。然而，对于最终的使用而言，它要求产品具有高度的耐用性。直到最近，SLS技术和FDM技术才显示出比SL技术优越的一面，因为前两种技术应用了工程塑料，它们的韧性超过了SL树脂。

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图1  一种耐用性极高的SL树脂材料，其生产的零件细节复杂，精度极高

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然而，现在随着高耐用性SL树脂材料的引进，SL与其他两种方法之间的差别已经做了重新调整。这些高耐用性的树脂材料集中了各方面的特性。它们的物理特性接近于通过SLS或FDM工艺（见图1）生产的其他工程塑料。

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图2  SL具有高精度和类似于烧结状态的耐用特性

由于SL所具有的精度和烧结状的耐用特性，凡是在传统上使用铸造尿烷材料的应用领域，或者在某些情况下使用SLS或FDM技术的应用领域，也将这些树脂材料作为它们的应用目标。采用SL与耐用性树脂相结合的优点是：设计工程师可以获得一个较快的周转时间来生产耐用性零件，这种零件与SLS或FDM生产技术相比具有更高的精度和表面质量（见图2）。

合成树脂扩大SL功能

含有高填充合成物材料的专业化SL树脂正在不断地发展，它的发展扩大了SL的功能，特别是需要高刚性、高精度和热偏差温度等重要特性的应用领域。由于其模数特性可以达到11 000MPa的水平，其线性收缩率低于0.001in（1in=25.4mm），因此这些高填充材料为快速模具成型打开了大门。

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新一代纳米复合材料，含有大量的非结晶体纳米填充颗粒，其弯曲模数达10 500MPa，热偏差温度为260°C（在0.46 MPa压力下，热态后固化处理以后），线性收缩率<0.001”。与其他合成材料相比，它们具有更好的侧壁质量。

使用新一代的材料和SL工艺就可以生产出具有实际功能的塑料零件，以便将它们在产品设计阶段过程中进行试验。采用这些纳米复合树脂材料制成的模具不是生产用模具，但它们能够使设计工程师很快地获得具有很好成本效益的几百件零件，有时候甚至是几千件零件。其周转时间很快，在大部分情况下，其成本费用低于采用金属加工的模具，特别是一些模具的插件，需要大量的EDM加工处理。

下面的塑料就是采用这些树脂模具制成模型：这些塑料包括聚乙烯、聚丙烯、热塑弹性体材料、高冲击性聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯和玻璃纤维填充尼龙。一般来说，塑料的侵蚀性越大，其冲击数越少。

一般来说，这些模具对生产4in以下的塑料零件是非常有用的。从快速模具成型技术中获益的行业包括消费品生产行业、医疗行业、电子元件和汽车生产行业。

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除了尺寸方面的指导原则以外，还包括附加的设计指导原则，只要遵循这些指导原则，就可以保证达到理想的零件数量，而且可以使复合模具的损毁率降到最低。

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突出的优点

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通过立体平版印刷技术的模具快速成型比机加工技术具有更多的优点。一般来说，其半径处的精度优于由CNC数控机床加工的半径精度。形成较尖圆角的可能性是存在的，但不需要进行二次加工处理。下面的塑料件是由ABS材料模压成型的。它能承受1700次的打击，之后塑料件上的字母等细节才开始逐渐消退（见图3）。

图3  由纳米复合材料制成的模具，其内部含有大量的非结晶体纳米填充颗粒，因此由其生产的零件细节具有很高的分辨率

带有活动铰链的聚丙烯瓶盖和模具也属于塑料零件的生产实例，这些零件很容易采用这类树脂成型的快速模具生产（见图4）。模具本身采用直拉式设计，不需要机加工处理。

 

图4  立体平版印刷技术可能会造成较尖的圆角，但不需要二次加工处理

在这个实例中，采用立体平版印刷技术的另一优点是可以同时制造多个模具。有些SL系统的平台尺寸范围为10in×（10~29in）×25in，可用于其他SLA系统。大部分平台可以装满准备同时制造的各种零件；一切通过计算机系统控制，它可使激光直接精确地投射到整个平台的表面上。这就意味着型芯和型腔可以同时制造，而且还包括手工安装的型芯。

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纳米复合树脂的局限性

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由于这些树脂的特性类似于陶瓷材料，其散热速度不如金属模具那样迅速，与钢制或铝制模具相比，需要较长的散热周期。这是因为复合树脂的导热率要比钢材或铝材的导热率低得多，所以散热不那么容易。

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这些由纳米复合树脂材料快速成型的模具，其所需的散热周期一般为60~120s。冷却所需的时间取决于零件的大小、几何形状、壁厚和模压成形的塑料类型。这种模具成型方法不适合于大量生产；因此散热周期并不像项目整体的周转那么重要。采用这种方法能够快速地生产真正的注塑成型零件，并具有良好的成本效益，但生产的零件数量范围为1~100件，在大部分情况下，可以达到1000件以上。

由于所能提供的先进材料越来越多，因此立体平版印刷技术成为一项越来越有用的原型快速成型技术。由于SL零件正像任何RP技术那样可以永远用于概念化模型，因此SL技术的价值和重要性在零件制造中体现出来，这些零件可替代铸造尿烷，适合于功能性模型，甚至适合于直接生产。采用纳米复合树脂可提高模具制造车间的生产效率，使其可以与海外的快速模具在成型、周转时间和质量方面进行竞争。由于SL树脂供货商正在不断地扩大他们材料的技术能力，因此SL技术也将不断地向新产品领域发展。【MechNet】