（机械制造及其自动化专业论文）光固化快速成型制件的精度研究.pdf

摘要 激光固化快速成型技术( s l ) 是八十年代发展起来的一种材料累 加( m a t e r i a li n c r e s s ) 思想的快速成型( r p ) 技术，该技术的快速性、 高精度、以及使复杂制造的简单化而获得了迅猛的发展。而随着制造业 对这一技术的认识，光固化快速成型技术已经得到了广泛的应用，成型 精度和成型的效率就成了制约这项技术快速发展和广泛应用的关键。 影响光固化快速成型制件精度的因素较为复杂，涉及到机械、光学、 材料、控制和c a d 等多个领域。本文从理论上较深入地论述了光固化快 速成型的基本原理，系统地分析了快速成型数据处理阶段和成型阶段中 各种因素对成型精度的影响，以西安交通大学研制的s p s 系列成型机为 实验对象，在理论分析的基础上，进行了大量的基础性实验研究。 针对激光快速成型中制件的z 轴误差问题，设计了实验模型，进行 了实验分析；对尺寸偏差及其变化规律性问题，通过实验分析得出了树 脂特性、扫描线长及扫描系统等因素对制件精度的影响规律。 针对激光快速成型制件精度的多工艺参数影响，以三方向尺寸误差 为测量指标，设计并进行了多次试验，最后得出扫描速度及扫描间距等 参数对成型质量的影响规律，给出了一定范围内的最佳工艺参数组合。 最后，提出了提高制件精度的措施和方法，这对光固化快速成型技 术的发展及应用有一定的指导意义。 关键词：快速成型：光固化成型；成型精度；工艺参数 a b s t r a c t s t e r e o l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yw a gd e v e l o p e di nt h el a t e8 0 s , w h i c hi s b a s e do nt h ec o n c e p to fm a t e r i a li n c r e s s o v e rt h ep a s tf e wy e a r s ，s lh a s b e e nd e v e l o p e dr a p i d l yb e c a u s eo fi t sf a s t n e s s ，h i g ha c c u r a c ya n d s i m p l i f i c a t i o ni nt h ep a r tb u i l d i n gp r o c e s s w i t ht h ei n d e p t hu n d e r s t a n d i n g a m o n gm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e so ni t ，s lh a sf o u n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n s ， a n dt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c ya l eb e c o m i n gt h ek e y st oi t sf u r t h e r d e v e l o p m e n t ， n ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fs l p r o c e s s a r ec o m p l i c a t e d w h i c h i n v o l v em a n ya c a d e m i c d i s c i p l i n e ss u c ha sm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , c a d ， o p t i c s ，m a t e r i a ls c i e n c ea n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h ep a p e r , t h ep r o c e s s p r i n c i p l eo fs l i ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y a n dt h ef a c t o r st h a te f f e c tt h e f o r m i n ga c c u r a c yd u r i n g3 dc a d d a t aa n a l y s i sa n df a b r i c a t i o np r o c e s si s a n a l y z e dd e t a i l e d l y t h ep a p e rf o c u s e so nt h ef o r m i n ga c c u r a c yo ft h er a p i d p r o t o t y p i n gf o rs p s ( s o l i dp r o t o t y p i n gs y s t e m ) r ps y s t e mm a d ei nx i a n j i a o t o n gu n i v e r s i t y , a n dp l e n t i f u le x p e r i m e n t a ls t u d yw a sd o n eo nt h eb a s i s o fe m b e d d e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n tm o d e lw a sd e s i g nf o rt h ep r o b l e mo f t h e d i r e c t i o no fz ”i nr a p i dp r o t o t y p i n ga n dp a r ta n dt h er e s u l t sw a sa n a l y s i s a s f o rt h eq u e s t i o no fd i m e n s i o nw r a pa n di t sc h a n g et r e n d ，t h r o u g he x p e r i m e n t a n a l y s i st h er u l ew a so b t a i n e dt h a th o w t h er e s i nc h a r a c t e r i s t i c ，s c a n n i n g l e n g t ha na c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o no ft h es c a n n i n gs y s t e mt h a ta f f e c t t h ep a r tp r e c i s i o n i nt h ev i e wo ft h ei n f l u e n c eo ft h er a p i dp r o t o t y p i n gv a r i e t yo fp r o c e s s p a r a m e t e r s ，m a k i n gu s eo ft h et h r e ed i r e c t i o n 。sd i m e n s i o ne l l o r sa s m e a s u r i n gg u i d e l i n e ，t h er u l e sw a s s t u d i e dt h a th o wt h ef a c u l a r c o m p e n s a t i o n ，l a y e rt h i c k n e s s ，s c a n n i n gs p e e da n ds c a n n i n gs p a c ea f f e c tt h e f o r m i n gq u a l i t y , a n dt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o no fs l a i n c e r t a i ne x t e n tw a so b t a i n e d a tl a s t ，t h em e a s u r ca n dm e t h o do fe n h a n c et h ep a r tp r e c i s i o ni s p r e s e n t e d ，w h i c hc o u l db cag u i d a n c et ot h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no f s l k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ； p r o t o t y p i n gp r e c i s i o n ；p r o c e s sp a r a m e t e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文光固化快速成型制件的精 度研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者签名：越盛虹玺兰旦丛目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：五幽! 生圭旦! ! 旦 指导导师签名： 生旦 旦 第一章绪论 计算机、激光、材料、控制等学科的有机结合与快速发展促进了制 造技术的更新和发展，r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ，以下简称r p ) 就是 应用了这些技术，采用材料累加法制造( m a t e r i a li n c r e s s m a n u f a c t u r i n g ) “”理而产生的。这一技术为产品的设计和改进以及模 具制造提供了一个强有力的工具”。 1 1 快速成型( r p ) 技术简介 快速成型技术是8 0 年代后期发展起来的一种全新制造技术“】 ”，与 传统制造的铸造、锻造( m - - - - o ，材料主要改变形状，而不改变其质量) 以及切削加工( m o 。 其基本原理是先对c a d 模型进行分层，得到分层二维截面数据，然后根 据每一层的截面数据以待定的方法( 如使光敏树脂固化或者烧结金属粉 等) 生成与该层形状一致的薄片与上一层粘结起来，这一过程反复进行， 逐层累加，直至“生产出”实体模型。这种制造的过程可由下图来1 1 表示。 模 型 的 离 散 幽1 1 快速成型的离散一迭加过程 材 料 的 叠 加 快速成型技术使近2 0 年来制造技术领域的一次重大突破，是9 0 年代制造业的“分水岭”3 ，r p 技术是计算机技术、数控技术、材料科 学、激光技术、机械工程技术集成的结晶，它可以自动而迅速的将设计 思想物化为具有一定结构功能的实物原型，从而可以对产品设计进行快 速评价、修改及功能实验，有效的缩短了产品的研发周期。与传统制造 方法比较起柬，它具有如下特征： 1 ) 成型速度快。从c a d 设计到原型零件制成，一般只需几个小时 至几十个小时”1 ，速度比传统的成型方法快得多，快速成型技术可在产 品开发过程中提供设计验证与功能验证，检验产品的可制造性、可装配 性”。等：通过各种数字化转换技术，可以将r p 模型快速转换成对应的生 产模具叫，大幅度地缩短了产品的更新周期。 2 ) 设计制造一体化。由于快速成型技术采用了离散堆积技术，使 c a d 和c a m 很好地结合在一起，真正实现了设计制造一体化，并能为看 样定货、供货询价、市场宣传等方面及时提供精确的样品，大大提高企 业的营销效率“。 3 ) 自由成型制造。自由的含义有两个“”：一是指可以根据零件的形 状，无需专用工具的限制而自由地成型，大大缩短新产品的试制时间： 二是指不受零件形状复杂程度限制，可以生成几乎任意复杂形状的零部 件。 4 ) 高度柔性。仅需改变c a d 模型，重新调整和设置参数即可生产 出不同形状的零件模型“。 5 ) 制造费用低。其制造周期一般为传统数控切削方法的l 5 1 1 0 ，而成本仅为其1 3 1 5 ，模具的几何复杂程度愈高，这种效益 愈显著“3 1 。 6 ) 材料的广泛性。快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还 可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型“”。 7 ) 技术的高度集成。快速成型技术是计算机、数控、激光、材料 和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器和控制技术 高度发展的今天才可能诞生快速成型技术，因此快速成型技术带有鲜明 的时代特征。 正是基于以上的凡大特征，快速成型技术近几年来在国内获得了迅 猛的发展基本已经研究和开发完成了几种快速成型机的国产化，取得了 很大的成绩。 1 2 快速成型( r p ) 技术的分类 快速成型技术有很多种分类方法，最常用、也较为大家接受的两 种，一种是按照所使用的材料形态束分，另一种是按照制作工艺分类。 按照材料形态来分，可将r p 技术分为固相法( 其成型材料为粉末、 薄材、粉末加粘结剂、丝状热敏材料等；) 、液相( 其成形材料为液态光 敏树脂等液体材料) 法。 按照具体制件工艺柬分，目i j 订已经有2 5 种之多，技术上比较成熟 并占有较大市场的有立体光固化法( s l ) ，其它占有定市场的快速成 形方法有熔融堆积法( f 洲) ，分层实体制造法( l o m ) ，选择激光烧结法 ( s l s ) ，三维印刷法( t d p ) 等，下面对这些方法作个简单的介绍。 1 立体印刷( s l - - s t e r e o l i t h o g r a p h y ) ，又称立体光固化成型法， 是本文研究的内容，其工艺成型原理及技术特点见内容第二章。 2 分层实体制造法分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c t 龋a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) l o m 工艺通常以塑料薄膜、陶瓷膜和背面 涂有热熔胶的纸为原料，采用金属箔( 板) 的研究也已在进行1 其成型 原理如图1 3 所示， a o o 哥毒 纸带 ( 8 ) 工作过狸( b ) 平面横塑 图1 3 u ) m 法成型原理 激光头在计算机的控制下，根据三维模型每个截面的轮廓信息，对一层 薄型材料进行切割，并将无用的非图形区切割成网格状，得到一层截面 后，工作台下降一个材料厚度，然后将新的一层材料加在上面，通过热 压装晋将其与己切割层粘结在一起，依次逐层切割、粘结，直到完成整 个原型“。去除废料后即得到实体原型废料部分切成网格状是为了便 于清除。 3 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r ir i g ，简称s l s ) ，s l s 工艺一般采用激光器和粉未状材料 w 量力时继续吸入树脂到空腔内，当，嘎附力 v 则不能完全进行涂敷而产生失效，v v 时则完 全可以满足涂敷所需要的树脂，达剑理想效果。 2 4 第四章光固化快速成型精度的分析研究 4 1 激光固化快速成型精度概念 r p 技术自从诞生以来，精度就一直是人们关注的焦点，特别是在模 具制造方面的应用。如果没有了精度，这种先进的技术也就失去了意义 1 。激光固化法快速成型技术办是如此，不论是研究者、制造商、还是 客户，精度似乎成为谈论该项技术的开头语。然而，正确理解“精度” 这一含义应包含两个意思，一是精度本身的含义，二是评价精度的方法 及标准。 就精度本身来讲，在快速成型领域，应包括快速成型系统的精度， 以及系统所能制作出的零件精度，本文称为成型精度，前者是后者的基 础，后者远远比前者复杂，这由光固化快速成型技术是基于材料累加原 理的特殊成型工艺所决定的。成型精度的高低反映出一台设备或者一种 成型方法所能达到的零件精度的能力。成型系统的精度是系统制造时由 机械零件的加工及装配精度所决定的，而成型精度不仅与成型系统的精 度有关系，更大程度上决定于零件的几何形状、尺寸大小、树脂材料的 性能以及零件的成型工艺。 然而成型精度的评价方法如采用何种精度测试件、用什么样的方法 测量、如何对数据进行处理等，对客观地评价出一台设备的成型精度， 乃至一种成型方法的工艺能力，都是至关重要的。 本章以s p s - 系列成型机为背景，系统的分析和阐述激光固化快速成 型技术的精度概念，分析影响成型精度的各种因素及其影响机理，寻求 提高精度的途径，探索成型精度的评价方法，这不仅具有理论意义，对 成型技术还具有重要的实际意义。 4 1 1 快速成型系统的精度 快速成型系统的精度应包括软件和硬件两部分，不同的实现方法对 应的具体的精度项目有所不同。所谓的软件部分主要指模型的处理，类 似于传统加工领域的原始误差。而硬件部分的精度主要指成型设备的各 项精度。 软件部分主要指c a d 模型及层片信息的数据表达精度，而硬件部分 的精度项目与具体的实现方法有关，本文所涉及的有关扫描法激光固化 的快速成型系统应包括： ( 1 ) 激光束扫描的精度，因为它能直接影响到x y 方向的光点定 位精度以及扫描路径的精确度。 ( 2 ) 动态的聚焦精度，直接影响光斑的变化及其补偿的精度。 ( 3 ) 托板升降系统的运动精度。 ( 4 ) 涂层精度。 4 1 2 零件的精度 成型零件的精度仍然类似于制造领域中传统的零件精度概念，不外 乎尺寸精度、形状的位置精度以及表面的质量，但很大的区别是目前激 光快速成型的制件均为树脂，所以材料本身的应力应变等特性影响到零 件精度的稳定性，加之成型过程中产生的内应力，所以，精度的稳定性 也应是快速成型零件精度概念中必须重视的问题。 在激光快速成型中，研究零件精度概念时，还必须论及树脂的性能， 如粘度、机械性能、光敏性( 目前没有明确的衡量指标) 等，由于这种 技术所成型的零件精度与其成型工艺密切相关，而成型工艺又与树脂性 能是分不开的，所以，成型系统所能达到的零件精度与所用的树脂性能 是分不开的，换句话说，一台激光快速成型机用一种树脂能成型高精度 的零件，改换树脂后就未必能制出同样精度的零件，因此欲要达到此目 的，必须对树脂性能进行重新的测试和诊断，然后重新设定并不断的调 整、优化成型工艺参数。 对于系统的精度，上一章节从介绍了系统故障入手结合s p s 系列快 速成型机做了介绍，本章主要对零件的成型精度问题进行研究。 零 件 谈 差 前期数据处理议差 成型加t 过程的议差 后处理产生的议兰 s t l 格式文件转化产生的误差 分层切片产生的误差i 一托扳运动误差 机器误差l 州激光扫描误差 土要加t 参数 产生的淡羞 x 、y 方向定位误差 光斑半行及补偿误差 fi 描参数设置产生的误差 fl 描方式产生的误差 士除支撑g i 起的变形设差 后刷化发表由处理产生的议羞 i 鳘| 4 ，1 零州误筹产生原冈分类幽 4 2 零件误差形成机理及影响因素分析 4 2 1 零件误差产生原因分类 按照原型零件的形成过程，即从c a d 的电脑模型到三维实体的模型 ( 原型零件) 的转换过程，零件产生误差的主要因素可分为图4 1 所示。 由于激光快速成型涉及了多学科领域，如机械技术、c a d 技术、控 制技术、光学、光化学以及力学等多学科领域的多项技术，所以有些因 素的影响机理极其复杂。而且这项技术毕竟只有十多年的发展历史，国 内的研究时间更短，还有很多技术j 下在探索研究阶段，并且一项新技术 的诞生，对相应的各项单元技术提出了更新更高的要求，相应的还需要 测试或检测的手段，因此进行这方面的研究及探索工作具有很重要的理 论及实际意义。下面分类介绍各种因素的影响机理。 4 2 2 前期数据处理产生的误差 数据处理是快速成型的第一步，是指从c a d 模型获取成型机所能接 受的控制数据，其数据的精度之问影响到控制的精度，自然也就影响了 零件的精度。在这个过程中，产生误差的原因主要有两个，一个是s t l 格式文件转化的误差，一个是分层处理产生的误差。 1 s t l 格式文件转化产生的误差 s t l 文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维c a d 模型的外 表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要 求越高，选取的三角形应该越多。一般三维c a d 系统在输出s t l 格式文 件时都要求输入精度参数，也就是用s t l 格式拟合原c a d 模型的最大允 许误差。这种文件格式将c a d 连续的表面离散为三角形面片的集合，当 实体模型表面均为平面时不会产生误差，但对于曲面而言，不管精度 怎么高，也不能完全表达原表面，这种逼近误差不可避免地存在。如制 作一圆柱体，当沿轴线方向成型时，如果逼近精度不高时，则明显地看 到圆柱体变成了棱柱体，如图4 1 所示。 当曲率半径越大时，这种误差越 明显，消除这种误差的根本途径是能 直接从c a d 模型产生制造数据，而不 需要s t l 的转化，如文献 3 4 所述。 但是在目前实用中的技术尚未达到这 一步。现在的办法只能在对c a d 模型 进行s t l 格式转化时，通过恰当的选 取系统中给定的近似精度参数值宋消 除这一误差，但往往依赖于经验。 图4 1 圆柱体面型化的形状 表4 1 将球体转化成s t l 文件格式时产生的误差： 弦高度 三角形数目 转化后表面积转化后体积表面积误筹体积误差 参数( 一)( m 3 )( )( ) 21 4 00 0 2 9 9 0 0 0 0 0 4 7 5 64 8 2 69 1 6 7 l2 5 20 0 3 0 5 300 0 0 4 9 5 22 8 2 05 4 2 4 o 55 7 2o 0 3 1 0 l 0 0 0 0 5 1 0 31 ，2 9 22 5 4 0 0 12 4 9 60 0 3 1 3 2 0 0 0 0 5 2 0 30 3 0 60 6 3 0 0 0 55 1 0 8o 0 3 1 3 70 0 0 0 5 2 2 00 1 4 60 3 0 6 o 0 21 2 5 4 0 0 0 3 1 4 00 0 0 0 5 2 2 90 0 5 lo 1 3 4 例如：p r o e 软件是通过选定弦高度( c h c h o r dh e i g h t ) 作为逼近的精 度参数，下面以具有曲型形状球体为例( 球体的直径为l o o m ) 说明选 取不同弦高度参数时的近似误差，如表4 1 所示( 利用r p d a t a 据处理 软件计算出s t l 格式文件表面积和体积) ，图4 2 是球体在c h - - - - 2 ，c h = o 5 时所转化的s t l 格式文件情况。 o h = 2c h = 0 5 图4 2 当c h = 2 和c h = 0 5 时球体的s t l 文什格式 从表中可以看出，对于同一个三维模型，弦高度参数设霄不同，误 差相差很大；对于不同三维模型，同一设置参数，误差也不相同。如果 c h 值选的太小，要增大处理时间及存储空问，并且这种情况下由于软 件的问题s t l 文件也会产生错误，如某个三角形的项点在另一个三角形 的中1 b j ，三角形不封闭等问题实践中经常遇到的，这给后续数掘的处理 带来麻烦，需进一步检查修补。而精度要求越高，选取的三角形应咳越 多。但是，就本身面向快速成型制造所要求的c a d 模型的s t l 文件，过 高的精度要求是不必要的，因为过高的精度要求可能会超出快速成型制 造系统所能达到的精度指杯，而且三角形数目增加会引起计算机存储容 量的加大，同时带来切片处理时i 日j 的显著增加，有时截面的轮廓会产生 许多小线段，不利于光束的扫描运动，导致低的生产效率和表面不光洁 啪1 。所以，从c a d 软件输出s t l 文件时，选取的精度指标和控制参数应 该根据c a d 模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进行综合考 虑。 目i j i 快速成型制造精度多在o 1 0 2 m m 左右，这是由快速成型工 艺本身的特点决定的，所以过于提高s t l 格式精度，除了增加数据量之 外没有任何实际效果。较好的方法是根据工艺条件和成型零件精度要求 选择适当的s t l 格式精度。为准确求得实体截面轮廓线，现在研究的较 多的是对c a d 实体模型进行直接切片的方法，从而可以消除因s t l 文件 格式所导致的截面轮廓线误差，消除s t l 格式文件转换对制造精度的影 响。 2 分层处理对成型精度的影响 ( 1 ) 分层方向尺寸误差 分层切片是在选定了制件( 堆积) 方向后，需对c a d 模型进行一维 离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制件 方向与c a b 模型相截，所得到的截面轮廓交线就是薄层的轮廓信息，而 实体信息就是通过一些判别准测来获取的。平行平面之问的距离就是分 层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层， 破坏了切片方向c a d 模型表面的连续性，不可避免的丢失了模型的一些 信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。 如图4 3 所示，在分层时，每层总有一定的厚度，设为t ，模型 中的堆积尺寸l 及其公差t ( l ) 2 ，当l 不能被a t 整除，a 面恰好 落在一薄层的中间，这样在成型时，由于这一薄层的信息仅包含轮廓 a 1 和a 2 ，所以要么以a l 形成该薄层，要么就以a 2 形成该薄层，显然 两种结果是成型后： l 。= l 。 ( 4 1 ) 1 4 。= l 2 6l = l 。，一l - 。= l 一l 。= a t 因此，当制作方向的某一尺寸不能被分层厚度整除时，为了保证堆 积方向的尺寸精度，需要t t ( l ) ，即分层厚度要小于该尺寸的公差， 当尺寸公差不同时，应以精度的高低来决定分层的厚度。 另外的一类尺寸误差是堆积方向总尺寸的误差。如果总尺寸不能被层片 厚度整除，层数的取整造成总尺寸产生误差，误差大小与分层厚度有关， 但并不是分层厚度越小，误差越小。例如某一零件，在堆积方向的尺寸 为6 2 5 r a m 到4 2 7 9 r a m ，若层厚定为0 1 m m ，那么分层厚的坐杯尺寸就变 为6 2 0 到4 2 8 0 1 r 哪，那么在堆积方向就产生了0 0 6 唧的误差：若层厚 a 图4 3 分层造成的堆积方向尺寸误差 为0 0 5 r a m ，则分层后零件的尺寸范围为6 2 5 r a m 到4 2 8 0 r a m ，误差就减 小到了0 ，o l m m ；若分层厚度为0 0 9 m m ，分层后的零件尺寸范围恰好为 6 2 5 r a m 到4 2 7 9 m m ，理论误差为零。因此消除这一误差的方法是合理确 定分层的厚度。 切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度， 分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息， 而轮廓信息由于是用平面与c a d 模型的s t l 文件( 面型化后的c a d 模型) 求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构 成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之i 日j 的轮廓 信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面 误差。 ( 2 ) 阶梯误差分析 c 图4 4 零制的阶梯效应 界 由于快速成型采用分层叠加制造原理，c d 模型的切片由上下水平 面及中问曲面组成，上下水平面的轮廓并不相同，而在成型制造中，却 是由上层的层面信息构成的柱体完成一个厚度为t 的层面制作，用柱面 替代任意曲面如图4 4 所示，其在加工过程中必然会产生所谓的“阶梯 效应”现象。因此层层堆积产生的阶梯效应是一种原理误差，特别是相 对成型方向倾斜的表面，由于“阶梯效应”的存在，使曲面精度明显的 降低，而造成面型精度误差。 目前在快速成型技术中，评价阶梯效应程度指标一般有e 和6 。如 图4 5 所示，为层片堆积边界与c a d 模型的原始边界的最大距离；6 为沿c a d 模型的表面法向量方向测量出来的c a d 模型原始边界与层片叠 加实体边界的最大距离。e 值能够较好地说明实体的体积误差，而6 值 能较好地与实体的表面粗糙度相对应。 设实体总层数为n ，则：m a x ye 。、m a x y 6 ；分别表征了零件最大 一一 的体积误差和表面粗糙度。 图4 5 阶梯计算实验误差 设c a d 模型在当前分层高度实体表面某一点的曲率半径为r ，出于 分层厚度较小为了方便起见，可近似地认为当前分层厚度之i 日j 的轮廓圆 弧半径也等于r 。设该段圆弧起点处的法向量与堆积平面的夹角为口， 终点处的法向量与堆积平面的夹角为0 ，分层厚度为t ，如图4 。5 所示， 则： s i n = s i n 口+ f r ( 4 2 ) s 。r 【c o s a 一扛丽忑而_ 】 6 ；r 一磊面 ( 4 3 ) ( 4 4 ) 当口= 0 0 时，f = 6 r 1 , 1 ( f i r ) 2 】，即两种误差评价指标完全一 致。 当芦= 9 0 0 时，= r c o s a ，每一r d ( r f ) 2 一f ，即当此时c a d 模型 表面与实体边界沿实体表面法向方向的最大距离就是分层厚度。 由此可见，r p 成型工艺所产生的面型精度误差与实体表面的法向方 向、曲率半径以及分层厚度有关。 由以上分析，我们可以从减小分层厚度、优化制作方向等方面来提高制 件的面型精度。 1 ) 增加分层数量、减小分层厚度为了获得较高的面型精度，应尽可 能减小分层厚度，但是。分层数量的增加，使制造效率显著降低。同时， 层厚太小会给涂层处理带来一定的困难。另外，自适应性切片分层技术 能够较好的提高面型精度，是解决这一问题的较为有效途径。 2 ) 优化成型制作方向 优化成型制作方向，实质上就是减小模型表面与成型方向的角度， 也就是减小体积误差。如图4 6 直观地显示了成型方向对面型精度的影 响。图4 6 ( a ) 中切片模型的水平面p l 、p 4 和垂直面p 5 与c a d 模型的 相应表面完全一致，但是曲面部分就和c a d 模型的相应表面不一致，这 种不一致表现为对c a d 模型表面的阶梯形近似。而这神近似的精确程度 则直接受切片方向的影响。从图中可观察到接近垂直方向的表面p 3 受 阶梯效果的影响较小，而接近水平方向的表面p 2 的成型精度则受阶梯 效果的严重影响。当改变成型方向后，如图4 6 ( b ) 所示，表面p 2 的表 面精度改善较大。 由此可见，应该合理选择成型方向，使面型精度要求较高的表面法 向和切片方向垂直或水平，或尽可能使表面法向和切片方向一致( 如图 中p 3 ) ，避免使表面光洁度要求较高的表面的法向和切片方向成小角度 ( 如图中p 2 ) ，即使制件的体积误差最小，这就有必要建立体积误差目 标函数，来优化成型制作方向。 综上所述，通过优化制作方向来减少倾斜表面的数目或倾斜度，可 以有效的减小台阶效应对零件表面质量的影响。但在工艺上存在两方面 的困难：一是对于由很多个表面构成的复杂模型，同时都要减小各个表 面与成型方向的角度，设计与计算都过于复杂；二是优化制作方向除了 要考虑制造精度外，还需要综合考虑制作效率、支撑结构等。 p j p s d p t ( a ) 图4 6 成型方向选择对阶梯误差的影响 p 5 ( b ) p 3 层准备时产生的误差 层准备就是准备好一层待固化的液态树脂，由于这种成型技术是层 层固化并进行堆积的，所以，零件的精度与每一层的精度有直接的关系。 每一层的精度包括： ( 1 ) 液面的平整性及层厚度的均匀性。 ( 2 ) 液面位置的稳定性。 液面的平整性直接影响零件的形状精度及上表面的粗糙度，厚度的 均匀性影响成型零件z 向的尺寸精度，液面位置的波动一方面产生层厚 度误差，影响z 向尺寸精度，另一方向渡面位置的变化造成液面处扫描 光斑位置及直接的变化引起光斑半径补偿误差而产生x y 方向的尺寸 误差。如图4 7 所示，设实际液面位置相对理想位置产生l 的波动， 激光束发散角为o ，则弓 起光斑直径的耷变化巾为： 妒。2 l 喀口 同时引起光点傍置的变化馈r ， ( 4 5 ) a r = a l t g a ( 4 6 ) 其中a 为光斑处于r 处光线与树脂液面的夹角。 这两项误差将直接产生零件x 、y 方向的尺寸误差，并且有上式可 以看出，随扫描点位置的不同，因液面波动引起光点的位置误差还是变 化的。 3 3 图4 7 液面位置的波动引起光直径及光点位置变化 往 层准备误差不仅影响成型零件的尺寸精度，更严重的是对成型工艺 的可靠性及成型效率具有至关重要的作用。 4 2 ，3 成型加工过程产生的误差 成型加工过程中的误差包括机械误差和制造主要加工参数产生的 误差，下面分别介绍。 1 机器误差 机器误差是成型机本身的误差，它是影响制件精度的原始误差。机 器误差在成型系统的设计及制造过程中就应尽量减小，因为它是提高制 件精度的硬件基础。本文在这方面不做详细叙述。 2 光固化成型误差 ( 1 ) 光斑直径产生的误差 激光的快速成型系统光源光斑直径到达树脂液面上的直径0 1 唧， 成型中不能将光斑近似为光束能量聚集的光点，光能量分布在整个光斑 范围内，实际固化成型的零件轮廓是光斑中心运行轨迹上一系列固化点 包络形成的，固化的线宽大小等于在陔扫描速度下实际光斑直径大小， 如图4 8 所示。图中实线部分为实际成型制件；虚线部分为设计尺寸， 在成型过程中光斑中心沿虚线运动。 这一固化成型特点，使所做出的零件实体部分实际上每侧大了一个 光斑# 径，零件的长度尺寸大了一个光斑直径，使零件产生币偏差，虽 然摔制软件中采用自适应拐角延时算法，但由于光斑直径的存在，必然 在其拐角处形成圆角，导致形状钝化，降低了制件的形状精度，而使得 一些小尺寸制件无法加工。 龟蓐戚型线 j 瞪中电运甜轨连 d ：竞斑圈1 匕直径 图4 8 光斑对制件的影响 由上述分析可知，如果不采用光斑补偿，将使制件产生正偏差。为 了消除或减少j 下偏差，实际上采用光斑补偿，使光斑扫描路径向实体内 部缩进一个光斑半径。但现在由于技术的不完整在进行光斑补偿时所补 偿的半径往往是根据经验和视觉来判断，与实际激光到达液面的半径是 有一些误差的，所以进一步提高制件的精度就要对具体的光斑补偿的半 径进行准确的测量。 ( 2 ) 聚焦误差的动态补偿 双振镜实现二位平场扫描时， 程是变化的，从而产生聚焦误差 扫插点的位置不同，光线聚焦点的焦 图4 9 所示振镜扫描的原理。 剧4 9 振镜扫描原理 3 5 因此在扫描器中都配有相应的动态聚焦镜，用以进行扫描平面内每 一点聚焦误差的动态补偿，补偿的原理是根据查询校j 下电子表格结合线 性插值方法来对扫描系统进行控制的，校正表时当光路系统结构参数包 括两振镜偏摆轴线安装距离，振镜偏摆轴线到扫描平面距离确定之后， 根据理论计算生成的。不同之处在于校正表只是单轴插补，但需要与x 、 y 振镜联动。在配套的振镜控制器中，都是三轴( x 、y 振镜偏转，z 向 焦程) 联动的。 聚焦的误差将引起光斑直径的变化及直接影响线宽的补偿精度，最 终影响零件x 、y 方向的尺寸精度。 ( 3 ) 树脂收缩产生的误差 由于光固化快速成型的材料堆积过程主要是单体分子进行的聚和 反应的化学过程，所以其成型工艺并不是材料的简单物理堆积、产生误 差的因素与机理特别复杂，特别是树脂收缩引起的工件变形，不仅与成 型工艺密切相关，而且更大程度上取决于零件结构本身。 其一，在激光的扫描固化过程中，树脂由液态变为固态，由于分子 之间距离的改变，不可避免的产生体积收缩，对于单个扫描线而言，一 个方向的尺寸远大于另外两个方向的尺寸，可近似看作是线性收缩，而 因此将造成扫描方向尺寸的缩小，为此必须在扫描时加以补偿。通常用 线性收缩率e 来表示树脂收缩的大小并作为补偿量的计算依据，如果树 脂的线性收缩率位e ，欲得到固化后的实际尺寸l ，则激光光线扫描的 线长应为： l + le = l ( 1 + )( 4 7 ) 其中收缩率e 因树脂性能而不同。 其二，过固化时成型过程中很突出的问题，为保证两层可靠的粘结， 必须有一定量的过固化，但会造成零件z 向的尺寸误差。如图4 1 0 所 示，设计厚度为t ，在某一扫描速度下，树脂的固化深度为c 。一般采 用x - - y 和x y s t a 扫描方式时，第一次扫描后，经过一寸曝光，固化深 度c 。( 1 ) 小于t ，但是经过两次曝光时，固化的深度c 。( 2 ) 将大于厚度t ， 在非悬臂表面，不会引起任何误差，然而，当扫描悬臂的表面时，图中 的a 区域，则有a c 产c 。( 2 ) 一t ，过固化量，由此将产生z 方向的尺寸误 差。 消除这一误差的方法是采用变厚度的分层算法或者在悬臂区域采 用不刚的扫描速度。 实际表面 模型表面 图4 1 0 过同化引起堆积方向的尺寸误差 变层厚的分层算法是指在对模型分层处理时，既要考虑分层厚度是 否能被堆积方向的相关尺寸除尽，又要兼顾到过固化引起的尺寸误差， 从而使得悬臂面所在的层的层厚不同于其他部分的层厚。如在图4 1 0 中，区域a 所在的层厚去为t = c 。( 2 ) ，则扫描后，所形成的实际表面与 模型表面重合，丽不会产生尺寸误差。由于层厚的不同，则应采取不同 的扫描速度，以保证相邻层可靠的粘结。 4 2 4 后处理产生的误差 从成型机上取出已成型的工件后，需要进行去除支撑结构，有的还 需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面处理等，这些工序统称为后 处理。这类误差可分为以下几种： ( 1 ) 工件成型完成后，去除支撑时，可能表面质量产生影响，所以 支撑设计时要合理，不多不少，一般支撑1 a j 距为6 姗。如果大于6 r a m 将 不能很好的起到支撑作用，底面就发生变形，如何小于6 m 则比较浪费 树脂，并不能起到别的作用。支撑的设计与成型方向的选取有关，在选 取成型方向时，要综合考虑添加支撑要少，并便于去除等。 ( 2 ) 由于温度、湿度等环境状况的变化，工件可能会继续变形并导 致误差，并且由于成型工艺或工件本身结构工艺性等方面的原因，成型 后的工件内总或多或少地存在残余应力，这种残余应力会由于时效的作 用而全部或部分地消失，这也会导致误差。设法减小成型过程中的残余 应力有利于提高零件的成型精度。 ( 3 ) 制件的表面好坏和机械强度等方面还不能完全满足最终产品的 要求。例如制件表面不光滑，其曲面e 存在因分层制造引起的小台阶、 小缺陷，制件的薄壁和某些小特征结构可能强度不足、尺寸不够精确、 表面硬度或色彩不够满意。采用修补、打磨、抛光是为了提高表面质量， 表面涂覆是为了改变制品表面颜色提高其强度和其它性能，但在此过程 中若处理不当都会影响原型的尺寸及形状精度，产生后处理误差。 通过上述分析可以得出，影响光固化快速成型精度的因素主要有： 数据转换误差分层处理误差、分层制造引起的阶梯误差、机器本身误差、 光敏树脂性能引起的误差、光斑直径大小引起的误差、加工参数( 扫描 速度、扫描间距、扫描方式等) 设置产生的误差、后处理产生的误差等。 第五章光固化工艺试验 由于光固化成型原理及成型材料本身性能等条件的限制，要获得像 机械加工一样较高精度的制件有一定困难。本章以西安交通大学研发的 s p s 系列激光快速成型机及其1 4 1 2 0 型树脂为实验对象，进行了大量的 实验研究，探讨了诸多因素对光固化成型制件的精度影响规律，为优化 光固化成型加工参数提供了理论依据和实验数据。 5 1 实验一 5 1 1 实验的准备 ( 1 ) 实验的目的：通过设计简单的试件进行实验，根据实验数据及 所得到实验试件和观察的现象分析： 1 ) 通过实验数据分析x 、y 方向尺寸的误差的来源； 2 ) 设置不同的工艺参数对x 、y 方向尺寸精度的影响： 3 ) 观察试件发现其存在问题，在进行针对性研究。 ( 2 ) 实验设计 根据实验的目的及参考原始的试件设计如图5 1 模型 l - 一一一j 盟一一 幽5 1 实验试f l ( 1 ) 模掣结构 其中x 方向有1 2 个尺寸，y 方向有1 4 个尺寸。 5 1 2 实验的过程 激光快速成型系统中的成型过程如图5 2 所示： f 用户要求的设计i ；t 标 在c a d 软件中设计模型 上 s t l 文件格式的转化 上 i 确定零件的成犁方向 上 对s t l 文件分层 上 支撑设计 上 _ 【= 艺参数设置 二 光同化成型加1 ： 上 生成原型 0 去除支撑 0 表面处理 图5 2 光同化快速成掣i ：艺过稃 ( 1 ) 设计三维实体模型 试件的设计用p r o e 软件进行，并链够顺利的把文件转化成s t l 格 式的文件，按照图5 1 的结构建成图5 3 所示的三维实体模型。 ( 2 ) s t l 文件的转化 利用p r o e 软件的功能，保存副本选择 s t l ，在设置零件的弦高度 参数为0 叭，经过计算基本无表面积和体积转化误差，这也说明三维 实体表面为平面时，在转化为s t l 格式时不产生误差。 图5 3 实验试件( 1 ) 三维模型 ( 3 ) 模型的分层处理和支撑设计 在数据处理软件m a g i c s 中，导入s t l 格式文件，调整模型，确定 分层的方向，选定分层的厚度0 1 咖