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篇1

關(guān)鍵詞 LED光源；快速成形；節(jié)能設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)062-0188-02

21世紀(jì)世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，已融入到了各國(guó)的議事日程。我國(guó)作為一個(gè)能耗大國(guó)，更應(yīng)在各領(lǐng)域采用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，以達(dá)到節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的目的。目前在快速成形系統(tǒng)方面，工業(yè)中大多采取傳統(tǒng)的工藝方法，能耗較大，成本較高，不利于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力提升。開(kāi)發(fā)新的技術(shù)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方面有著不可忽略的意義。

快速成形技術(shù)，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)突破，也叫快速原型制造技術(shù)Rapid Prototyping Manufacturing，簡(jiǎn)稱(chēng)RPM。它是基于材料堆積法的一種新的制造技術(shù)，可以精準(zhǔn)而快速地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿哪Ｐ?，因而為設(shè)計(jì)思想迅速轉(zhuǎn)換為實(shí)體原型提供了一種高時(shí)效低成本的手段。

成形技術(shù)中多采用立體光固化法，即用一定波長(zhǎng)的光束去照射液態(tài)樹(shù)脂的液面時(shí)，就會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，這樣，樹(shù)脂就會(huì)快速地從液態(tài)變成固態(tài)。利用樹(shù)脂固有的這種特性，有選擇地、逐步分層固化液態(tài)樹(shù)脂，使其逐步成形為三維實(shí)體的方法。立體光固化快速成形法必須使用紫外線光源，而光源的特性，如價(jià)格、功率、波長(zhǎng)等，都嚴(yán)重影響快速成形技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的紫外線光源以我國(guó)的自行研發(fā)的CPS快速成形設(shè)備和美國(guó)的高端紫外激光器為主。

CPS快速成形設(shè)備的光源主要采用紫外汞燈，其特點(diǎn)是：成本較低，但產(chǎn)生光束質(zhì)量較差，使用壽命短、且會(huì)使環(huán)境受到嚴(yán)重污染。紫外激光器雖有高亮度、高單色性、高方向性和高相干性等優(yōu)勢(shì)，但由于其在購(gòu)買(mǎi)價(jià)格和后期維護(hù)上，需要支付大量的費(fèi)用，也正是因?yàn)榭焖俪尚卧O(shè)備的生產(chǎn)和使用上要承擔(dān)巨額成本，所以這種方法在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中受到了極大地制約。

而LED材料的生產(chǎn)技術(shù)和工藝在近年來(lái)得到的不斷發(fā)展和應(yīng)用中逐漸完善，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸廣泛，從居家生活照明到工業(yè)設(shè)備信息存儲(chǔ)。LED材料的成本很低廉，適合于廣泛地生產(chǎn)，體積小也使得設(shè)備變得更易于存貯，并且還有著綠色環(huán)保無(wú)污染、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此，在快速成形系統(tǒng)中應(yīng)用LED光源的設(shè)計(jì)，具有廣泛的前景。

1 光源系統(tǒng)

因?yàn)樗x材質(zhì)的特性，對(duì)所吸收的光波長(zhǎng)有嚴(yán)格的要求，因而在試驗(yàn)過(guò)程中必須選擇能被UV樹(shù)脂吸收的光波，否則，在固化過(guò)程中，液態(tài)樹(shù)脂就不能達(dá)到固化的效果。在選擇波長(zhǎng)的時(shí)候，還應(yīng)注意成形設(shè)備工作時(shí)候，光波是在紫外區(qū)內(nèi)被吸收的，而在此區(qū)域內(nèi)的光敏劑會(huì)比其它情況下有所不同，只需要較低的光能密度就可以使得液態(tài)樹(shù)脂固化，所以在光固化成形的過(guò)程中通常使用的的紫外光源連續(xù)波波長(zhǎng)都介于250～380納米之間，輸出功率大于20 mW。在紫外光固化成形的過(guò)程中，UV樹(shù)脂對(duì)紫外光線的吸收遵循Beer-Lambert定律[2]，即：紫外光的能量密度E 隨著透射深度的增加呈指數(shù)衰減。理論及試驗(yàn)表明，只有當(dāng)液態(tài)UV樹(shù)脂接受的紫外線能量密度E 超過(guò)一定的閾值EC 后，才會(huì)產(chǎn)生凝膠（凝膠態(tài)是液態(tài)和固態(tài)之間的臨界狀態(tài)）。

說(shuō)明在一定體積下，樹(shù)脂表面吸收的紫外光的能量密度和光源的功率都有著這樣的關(guān)系：光功率越強(qiáng)，樹(shù)脂單位表面所接受到得能量越多，同時(shí)，掃描的速度和光斑在液面上的面積都會(huì)有所減小。由此可見(jiàn)，只有當(dāng)液態(tài)樹(shù)脂固化的深度超過(guò)了其厚度的時(shí)候，才可以使制件相鄰的兩層有效結(jié)合。否則，會(huì)造成制件層間的剝離，甚至造成制件失敗的結(jié)果。

在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，液態(tài)樹(shù)脂的固化深度與設(shè)備的掃面線寬度、速度有著密切的關(guān)系，除此之外，光源射出的光功率和其在樹(shù)脂液面形成的聚焦光斑的面積大小也存在很大的聯(lián)系。掃描速度與光源發(fā)射的功率成反比，而光斑的面積與液態(tài)樹(shù)脂固化的深度、掃面線寬度成反比。因此，要到達(dá)樹(shù)脂固化的最好效果，在對(duì)紫外光源進(jìn)行選擇，光源光線均勻，聚光性強(qiáng)的就在選擇范圍內(nèi)。所以紫外光源是紫外光固化快速成形設(shè)備的重要組成

部分。

2 UV-LED光源在成形系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，當(dāng)正向電流通過(guò)導(dǎo)線作用于P-N晶片的時(shí)非平衡載流子會(huì)在擴(kuò)散的過(guò)程中產(chǎn)生非相干光，這種自我發(fā)射光的過(guò)程與激光產(chǎn)生的原理不一樣。根據(jù)LED自我發(fā)光的原理我們能夠設(shè)計(jì)出了一個(gè)紫外LED的光源，并將其應(yīng)用于光固化快速成形設(shè)備上（見(jiàn)圖1）。

如圖1所示，加載UV-LED的光源的設(shè)備，它的光源系統(tǒng)主要是由包含光源的驅(qū)動(dòng)電路和光源耦合及整形聚焦光學(xué)兩部分組成，由LED發(fā)出的紫外光通過(guò)聚焦鏡的匯聚作用聚集到樹(shù)脂液面．聚焦鏡在隨著z工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下作用．根據(jù)零件當(dāng)前作業(yè)層的截面形狀做掃描運(yùn)動(dòng)，逐漸使得液態(tài)樹(shù)脂固化。在完成當(dāng)前層的固化制作后，z軸升降臺(tái)會(huì)下降1個(gè)層厚，繼續(xù)下一層的制作開(kāi)始。如此逐層反復(fù)累積．從而完成整個(gè)零件的制作。

結(jié)合上述設(shè)備的這些特點(diǎn)，我們可以斷定，該UV-LED光源必須要滿足以下幾個(gè)條件：光源系統(tǒng)穩(wěn)定，且能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，固化面上的光功率≥20mW，光斑直徑較?。还庠垂β士烧{(diào)。

在實(shí)際應(yīng)用中，光固化快速成形的工藝過(guò)程往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)，因此，UV-LED 光源的光固化快速成形設(shè)備在設(shè)計(jì)的時(shí)候也必須考慮到這個(gè)因素。應(yīng)保證LED光源能夠長(zhǎng)時(shí)間輸出穩(wěn)定的功率、波長(zhǎng)的紫外光束。由于LED在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，其波長(zhǎng)、功率等會(huì)受電流和環(huán)境溫度的較大影響。所以在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須要提供穩(wěn)定不變的工作溫度，才能使得LED芯片的可以穩(wěn)定地功率輸出，以及最好的工作效率。

如圖2所示，該組成分由UV-LED控制器和電路，UV-LED控制器完成包括對(duì)外部控制指令的接收和處理以及對(duì)功率、溫度等數(shù)據(jù)的采樣、計(jì)算。致冷器采用TEC作為執(zhí)行器件，它可以通過(guò)控制電流方向?qū)崿F(xiàn)致冷及加熱；溫度檢測(cè)采用數(shù)字式溫度傳感器，當(dāng)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度值相異時(shí)，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)TEC進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；光敏二極管可檢測(cè)對(duì)光功率，控制LED的恒

功率。

3 UV-LED與UV-LED、激光器和CPS成形設(shè)備的比較

下表通過(guò)對(duì)比UV-LED與UV-LED、激光器和CPS成形設(shè)備性能特點(diǎn)，說(shuō)明了UV-LED作為固化光源的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)上表的光源功率、特制模型的重量和設(shè)備累計(jì)完成工件的時(shí)間來(lái)計(jì)算單位質(zhì)量零件的耗能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，CPS成形設(shè)備每千克制件耗能最高，UV-LED成形設(shè)備耗能最低．約為傳統(tǒng)成形設(shè)備的千分之一。由此可見(jiàn)UV-LED的節(jié)能優(yōu)勢(shì)在快速成形系統(tǒng)上的效果是十分顯著的。

參考文獻(xiàn)