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摘?要 基于LED光源低廉的运营成本特点，在一定的成形工艺制件速度和精度基础上，有着突出的性价比。本文着重介绍了在快速成形系统方面如何有效利用紫外LED光源的固有特点，使其替代快速设备中的紫外激光器等传统光源。其基本原理是将一个紫外LED光源发射的光经聚焦作用汇聚到树脂液面，通过机械式扫描使得UV树脂固化；实验证明，该系统结构简单，各指标均能达到设计要求，具有可操作性。
关键词 LED光源；快速成形；节能设计
中图分类号 TH164 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0188-02
21世纪世界关注的热点问题，已融入到了各国的议事日程。我国作为一个能耗大国，更应在各领域采用先进节能技术，以达到节能减排，保护环境，促进经济的目的。目前在快速成形系统方面，工业中大多采取传统的工艺方法，能耗较大，成本较高，不利于我国的经济实力提升。开发新的技术在实现节能减排和经济增长方面有着不可忽略的意义。
快速成形技术，被认为是制造领域的一个重要技术突破，也叫快速原型制造技术Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM。它是基于材料堆积法的一种新的制造技术，可以精准而快速地将设计思想转变为具有一定功能的模型，因而为设计思想迅速转换为实体原型提供了一种高时效低成本的手段。
成形技术中多采用立体光固化法，即用一定波长的光束去照射液态树脂的液面时，就会发生聚合反应，这样，树脂就会快速地从液态变成固态。利用树脂固有的这种特性，有选择地、逐步分层固化液态树脂，使其逐步成形为三维实体的方法。立体光固化快速成形法必须使用紫外线光源，而光源的特性，如价格、功率、波长等，都严重影响快速成形技术的发展。传统的紫外线光源以我国的自行研发的CPS快速成形设备和美国的高端紫外激光器为主。
CPS快速成形设备的光源主要采用紫外汞灯，其特点是：成本较低，但产生光束质量较差，使用寿命短、且会使环境受到严重污染。紫外激光器虽有高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等优势，但由于其在购买价格和后期维护上，需要支付大量的费用，也正是因为快速成形设备的生产和使用上要承担巨额成本，所以这种方法在实际的应用过程中受到了极大地制约。
而LED材料的生产技术和工艺在近年来得到的不断发展和应用中逐渐完善，应用领域逐渐广泛，从居家生活照明到工业设备信息存储。LED材料的成本很低廉，适合于广泛地生产，体积小也使得设备变得更易于存贮，并且还有着绿色环保无污染、省电等优点，因此，在快速成形系统中应用LED光源的设计，具有广泛的前景。
1 光源系统
因为所选材质的特性，对所吸收的光波长有严格的要求，因而在试验过程中必须选择能被UV树脂吸收的光波，否则，在固化过程中，液态树脂就不能达到固化的效果。在选择波长的时候，还应注意成形设备工作时候，光波是在紫外区内被吸收的，而在此区域内的光敏剂会比其它情况下有所不同，只需要较低的光能密度就可以使得液态树脂固化，所以在光固化成形的过程中通常使用的的紫外光源连续波波长都介于250～380纳米之间，输出功率大于20 mW。在紫外光固化成形的过程中，UV树脂对紫外光线的吸收遵循Beer-Lambert定律[2]，即：紫外光的能量密度E 随着透射深度的增加呈指数衰减。理论及试验表明，只有当液态UV树脂接受的紫外线能量密度E 超过一定的阈值EC 后，才会产生凝胶（凝胶态是液态和固态之间的临界状态）。
说明在一定体积下，树脂表面吸收的紫外光的能量密度和光源的功率都有着这样的关系：光功率越强，树脂单位表面所接受到得能量越多，同时，扫描的速度和光斑在液面上的面积都会有所减小。由此可见，只有当液态树脂固化的深度超过了其厚度的时候，才可以使制件相邻的两层有效结合。否则，会造成制件层间的剥离，甚至造成制件失败的结果。
在设备运行的过程中，液态树脂的固化深度与设备的扫面线宽度、速度有着密切的关系，除此之外，光源射出的光功率和其在树脂液面形成的聚焦光斑的面积大小也存在很大的联系。扫描速度与光源发射的功率成反比，而光斑的面积与液态树脂固化的深度、扫面线宽度成反比。因此，要到达树脂固化的最好效果，在对紫外光源进行选择，光源光线均匀，聚光性强的就在选择范围内。所以紫外光源是紫外光固化快速成形设备的重要组成
部分。
2 UV-LED光源在成形系统中的设计
LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，当正向电流通过导线作用于P-N晶片的时非平衡载流子会在扩散的过程中产生非相干光，这种自我发射光的过程与激光产生的原理不一样。根据LED自我发光的原理我们能够设计出了一个紫外LED的光源，并将其应用于光固化快速成形设备上（见图1）。
如图1所示，加载UV-LED的光源的设备，它的光源系统主要是由包含光源的驱动电路和光源耦合及整形聚焦光学两部分组成，由LED发出的紫外光通过聚焦镜的汇聚作用聚集到树脂液面．聚焦镜在随着z工作台的驱动下作用．根据零件当前作业层的截面形状做扫描运动，逐渐使得液态树脂固化。在完成当前层的固化制作后，z轴升降台会下降1个层厚，继续下一层的制作开始。如此逐层反复累积．从而完成整个零件的制作。
结合上述设备的这些特点，我们可以断定，该UV-LED光源必须要满足以下几个条件：光源系统稳定，且能长时间运行，固化面上的光功率≥20mW，光斑直径较小；光源功率可调。
在实际应用中，光固化快速成形的工艺过程往往长达数十小时，因此，UV-LED 光源的光固化快速成形设备在设计的时候也必须考虑到这个因素。应保证LED光源能够长时间输出稳定的功率、波长的紫外光束。由于LED在长时间运行时，其波长、功率等会受电流和环境温度的较大影响。所以在设备实际运行时，必须要提供稳定不变的工作温度，才能使得LED芯片的可以稳定地功率输出，以及最好的工作效率。
如图2所示，该组成分由UV-LED控制器和外围电路，UV-LED控制器完成包括对外部控制指令的接收和处理以及对功率、温度等数据的采样、计算。致冷器采用TEC作为执行器件，它可以通过控制电流方向实现致冷及加热；温度检测采用数字式温度传感器，当检测温度与设定温度值相异时，可通过驱动电路对TEC进行温度调节；光敏二极管可检测对光功率，控制LED的恒
功率。
3 UV-LED与UV-LED、激光器和CPS成形设备的比较
下表通过对比UV-LED与UV-LED、激光器和CPS成形设备性能特点，说明了UV-LED作为固化光源的特点与优势。
根据上表的光源功率、特制模型的重量和设备累计完成工件的时间来计算单位质量零件的耗能。根据计算结果，CPS成形设备每千克制件耗能最高，UV-LED成形设备耗能最低．约为传统成形设备的千分之一。由此可见UV-LED的节能优势在快速成形系统上的效果是十分显著的。
参考文献
[1]吴懋亮,李涤尘,赵万华等.CPS紫外光固化快速成形系统的研究与开发[J].中国机械工程,2000,11(10):1120-1123.
[2]Neamen Donald A.半导体器件导论[M].北京：清华大学出版社,2006:616-621.
关键词 LED光源；快速成形；节能设计
中图分类号 TH164 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0188-02
21世纪世界关注的热点问题，已融入到了各国的议事日程。我国作为一个能耗大国，更应在各领域采用先进节能技术，以达到节能减排，保护环境，促进经济的目的。目前在快速成形系统方面，工业中大多采取传统的工艺方法，能耗较大，成本较高，不利于我国的经济实力提升。开发新的技术在实现节能减排和经济增长方面有着不可忽略的意义。
快速成形技术，被认为是制造领域的一个重要技术突破，也叫快速原型制造技术Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM。它是基于材料堆积法的一种新的制造技术，可以精准而快速地将设计思想转变为具有一定功能的模型，因而为设计思想迅速转换为实体原型提供了一种高时效低成本的手段。
成形技术中多采用立体光固化法，即用一定波长的光束去照射液态树脂的液面时，就会发生聚合反应，这样，树脂就会快速地从液态变成固态。利用树脂固有的这种特性，有选择地、逐步分层固化液态树脂，使其逐步成形为三维实体的方法。立体光固化快速成形法必须使用紫外线光源，而光源的特性，如价格、功率、波长等，都严重影响快速成形技术的发展。传统的紫外线光源以我国的自行研发的CPS快速成形设备和美国的高端紫外激光器为主。
CPS快速成形设备的光源主要采用紫外汞灯，其特点是：成本较低，但产生光束质量较差，使用寿命短、且会使环境受到严重污染。紫外激光器虽有高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等优势，但由于其在购买价格和后期维护上，需要支付大量的费用，也正是因为快速成形设备的生产和使用上要承担巨额成本，所以这种方法在实际的应用过程中受到了极大地制约。
而LED材料的生产技术和工艺在近年来得到的不断发展和应用中逐渐完善，应用领域逐渐广泛，从居家生活照明到工业设备信息存储。LED材料的成本很低廉，适合于广泛地生产，体积小也使得设备变得更易于存贮，并且还有着绿色环保无污染、省电等优点，因此，在快速成形系统中应用LED光源的设计，具有广泛的前景。
1 光源系统
因为所选材质的特性，对所吸收的光波长有严格的要求，因而在试验过程中必须选择能被UV树脂吸收的光波，否则，在固化过程中，液态树脂就不能达到固化的效果。在选择波长的时候，还应注意成形设备工作时候，光波是在紫外区内被吸收的，而在此区域内的光敏剂会比其它情况下有所不同，只需要较低的光能密度就可以使得液态树脂固化，所以在光固化成形的过程中通常使用的的紫外光源连续波波长都介于250～380纳米之间，输出功率大于20 mW。在紫外光固化成形的过程中，UV树脂对紫外光线的吸收遵循Beer-Lambert定律[2]，即：紫外光的能量密度E 随着透射深度的增加呈指数衰减。理论及试验表明，只有当液态UV树脂接受的紫外线能量密度E 超过一定的阈值EC 后，才会产生凝胶（凝胶态是液态和固态之间的临界状态）。
说明在一定体积下，树脂表面吸收的紫外光的能量密度和光源的功率都有着这样的关系：光功率越强，树脂单位表面所接受到得能量越多，同时，扫描的速度和光斑在液面上的面积都会有所减小。由此可见，只有当液态树脂固化的深度超过了其厚度的时候，才可以使制件相邻的两层有效结合。否则，会造成制件层间的剥离，甚至造成制件失败的结果。
在设备运行的过程中，液态树脂的固化深度与设备的扫面线宽度、速度有着密切的关系，除此之外，光源射出的光功率和其在树脂液面形成的聚焦光斑的面积大小也存在很大的联系。扫描速度与光源发射的功率成反比，而光斑的面积与液态树脂固化的深度、扫面线宽度成反比。因此，要到达树脂固化的最好效果，在对紫外光源进行选择，光源光线均匀，聚光性强的就在选择范围内。所以紫外光源是紫外光固化快速成形设备的重要组成
部分。
2 UV-LED光源在成形系统中的设计
LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，当正向电流通过导线作用于P-N晶片的时非平衡载流子会在扩散的过程中产生非相干光，这种自我发射光的过程与激光产生的原理不一样。根据LED自我发光的原理我们能够设计出了一个紫外LED的光源，并将其应用于光固化快速成形设备上（见图1）。
如图1所示，加载UV-LED的光源的设备，它的光源系统主要是由包含光源的驱动电路和光源耦合及整形聚焦光学两部分组成，由LED发出的紫外光通过聚焦镜的汇聚作用聚集到树脂液面．聚焦镜在随着z工作台的驱动下作用．根据零件当前作业层的截面形状做扫描运动，逐渐使得液态树脂固化。在完成当前层的固化制作后，z轴升降台会下降1个层厚，继续下一层的制作开始。如此逐层反复累积．从而完成整个零件的制作。
结合上述设备的这些特点，我们可以断定，该UV-LED光源必须要满足以下几个条件：光源系统稳定，且能长时间运行，固化面上的光功率≥20mW，光斑直径较小；光源功率可调。
在实际应用中，光固化快速成形的工艺过程往往长达数十小时，因此，UV-LED 光源的光固化快速成形设备在设计的时候也必须考虑到这个因素。应保证LED光源能够长时间输出稳定的功率、波长的紫外光束。由于LED在长时间运行时，其波长、功率等会受电流和环境温度的较大影响。所以在设备实际运行时，必须要提供稳定不变的工作温度，才能使得LED芯片的可以稳定地功率输出，以及最好的工作效率。
如图2所示，该组成分由UV-LED控制器和外围电路，UV-LED控制器完成包括对外部控制指令的接收和处理以及对功率、温度等数据的采样、计算。致冷器采用TEC作为执行器件，它可以通过控制电流方向实现致冷及加热；温度检测采用数字式温度传感器，当检测温度与设定温度值相异时，可通过驱动电路对TEC进行温度调节；光敏二极管可检测对光功率，控制LED的恒
功率。
3 UV-LED与UV-LED、激光器和CPS成形设备的比较
下表通过对比UV-LED与UV-LED、激光器和CPS成形设备性能特点，说明了UV-LED作为固化光源的特点与优势。
根据上表的光源功率、特制模型的重量和设备累计完成工件的时间来计算单位质量零件的耗能。根据计算结果，CPS成形设备每千克制件耗能最高，UV-LED成形设备耗能最低．约为传统成形设备的千分之一。由此可见UV-LED的节能优势在快速成形系统上的效果是十分显著的。
参考文献
[1]吴懋亮,李涤尘,赵万华等.CPS紫外光固化快速成形系统的研究与开发[J].中国机械工程,2000,11(10):1120-1123.
[2]Neamen Donald A.半导体器件导论[M].北京：清华大学出版社,2006:616-621.