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面曝光快速成形光固化实验研究

作　者: 杨剑
导　师: 胥光申
学　校: 西安工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 快速成形光学设计 ZEMAX 光固化固化深度固化宽度过固化
分类号: TH16
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着社会需求的不断增加,人们生活质量的不断提高,个人消费也逐步的个性化,从而对工业产品的生产不断提出新要求。在这种产品多元化,个性化,小批量和复杂化的同时,在激烈市场竞争的驱使下,制造企业为了保持产品在市场上的竞争力,必须缩短产品的设计周期和生产周期,传统的制造方法已经不能满足这种市场需要,于是产生了快速成形技术。快速成形技术,是当今世界上新型制造技术之一,最近在世界范围内发展很快。它是继数控技术之后,20世纪制造领域的又一重大突破,是当代先进制造技术的重要组成部分。面曝光快速成形技术是快速成形技术的一种,它的工作原理是,首先将绘制或者扫描得到的三维CAD模型分层,然后以DMD或者LCD在工作面成像作为动态掩膜,对成形材料进行曝光操作。每次曝光制作一层,逐层累加,最终生成与三维CAD模型近似的实体制件,其近似程度就是快速成形系统的制造精度。影响制造精度的主要因素有两个,分别是视图发生器的光学分辨率和光敏树脂的固化特性。本文首先对面曝光快速成形系统的总体结构做了介绍,分析了快速成形系统中视图发生器的组成和基本原理,提出了一种高分辨率视图发生器的实现方案,采用投影仪的DMD与物镜一体结构,有效的避免了光轴对偏导致的像面光照度不均和成像失真等问题。并在此方案的基础上,设计了新的光学成像系统。在光学成像系统设计的过程中,使用ZEMAX软件确定了光阑的位置,并对成像系统像差进行了优化。经过成像测试实验,结果显示其成像精度满足面曝光快速成形的实验要求。然后探讨了本实验用光敏树脂的成分和固化原理。通过理论分析,建立了面曝光快速成形系统工作面的光能量分布模型,使用高斯函数和像素光强累加的办法对工作面的光强分布进行描述,并建立了树脂光固化的数学模型,在此基础上计算了光敏树脂的临界曝光量和透射深度等参数,为进一步研究光敏树脂的固化特性打下了基础。通过综合光强分布模型和树脂的光固化模型,预测了曝光能量、掩模宽度和固化深度,固化宽度之间的关系。通过分析实验数据,得出光固化模型对树脂实际固化情况模拟得较好的结论。在此基础上建立了光敏树脂的过固化模型,对过固化形成原因和影响过固化深度的因素进行了深入研究。通过对实验数据的分析,找到了控制过固化深度的具体方法。最后在本文研究的基础上,制作了具有代表性的零件,来说明本研究的成果和实际意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-20
  1.1 选题背景  10
  1.2 快速成形技术简介、分类  10-13
    1.2.1 快速成形技术简介  10-12
    1.2.2 快速成形技术的分类  12-13
  1.3 面曝光快速成形技术原理及发展  13-17
    1.3.1 面曝光快速成形技术原理  13-14
    1.3.2 面曝光快速成形技术发展及现状  14-17
  1.4 快速成形技术的应用  17
  1.5 课题研究背景和研究意义  17-18
    1.5.1 课题来源  17
    1.5.2 课题研究背景和意义  17-18
  1.6 本文主要工作  18-20
2 高分辨率视图发生器光学成像系统设计  20-32
  2.1 引言  20-21
  2.2 光学设计概述  21-24
    2.2.1 光学系统设计的一般步骤和过程  21
    2.2.2 光学系统总体设计  21-22
    2.2.3 像差设计  22-23
    2.2.4 像质评价  23-24
  2.3 光学系统外形尺寸设计和计算  24-27
    2.3.1 组元1 的设计  25-26
    2.3.2 组元2 的设计  26-27
  2.4 光学系统优化和像差分析  27-29
    2.4.1 Zemax 光学模拟软件介绍  27
    2.4.2 光阑位置的确定和像差优化  27-28
    2.4.3 光学成像系统像差分析  28-29
  2.5 视图发生器成像测试  29-31
  2.6 本章小结  31-32
3 面曝光快速成形系统的光固化实验研究  32-53
  3.1 光敏树脂组成及固化原理  32-33
  3.2 固化单元数学模型  33-37
    3.2.1 树脂中的光能量分布  33-35
    3.2.2 树脂固化模型  35-37
    3.2.3 固化深度和固化宽度  37
  3.3 实验分析  37-45
    3.3.1 基础实验  37-40
    3.3.2 光固化实验设计  40-42
    3.3.3 实验数据拟合以及结果分析  42-45
  3.4 过固化实验  45-52
    3.4.1 过固化理论模型  46-49
    3.4.2 实验研究  49-52
  3.5 本章小结  52-53
4 模型制作  53-57
  4.1 制作步骤  53-54
  4.2 模型制作  54-56
  4.3 本章小结  56-57
5 结论与展望  57-58
  5.1 结论  57
  5.2 展望  57-58
参考文献  58-61
攻读学位期间发表文章  61-62
致谢  62

面曝光快速成形光固化实验研究

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