（机械制造及其自动化专业论文）熔融沉积快速成型精度及工艺研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 熔融沉积快速成型技术( f d m ) 是目前国内外应用最为广泛的快速成型技术之一。 它可以快速、精确地将设计思想从c a d 模型物化为具有一定功能的原型或零件，从而 实现对产品的快速测评及修改，有效的缩短了产品的开发周期。在熔融沉积快速成型中， 成型精度对最终产品的质量起着决定性的作用，但是目前成型机的成型精度往往不高， 如何提高成型精度是当今快速成型研究的一个重要方向。 本文首先从原理性误差、成型过程中的误差及后处理过程中的误差三个方面分析了 整个f d m 成型过程中影响成型精度的各种因素，并提出了相应的对策，为后续的成型 件精度分析提供了理论依据。 选取成型方向、分层厚度等参数从制件的表面粗糙度、尺寸精度和机械性能三个方 面进行研究。提出了可用于评价f d m 成型表面粗糙度的阶梯误差计算模型，并基于此 模型，得出了与成型方向选取和分层厚度等参数相关的f d m 表面粗糙度变化曲线：与 本文试验中制作的实际试件进行比较，两者具有较好的吻合；针对a b s 丝在f d m 成型 过程中的一定成型方向上的丝宽参数设置，提出了理论补偿模型及成型尺寸补偿方程， 该方程也得到了较好的试验验证，并运用此理论补偿模型研究了成型方向对尺寸精度的 影响：最后研究了f d m 成型件的机械性能，通过拉伸试验和挤压试验研究了各参数对 制件机械性能的影响。 针对f d m 快速成型工艺中的尺寸精度，确定出影响成型件质量的主要工艺参数， 运用田口方法，通过正交试验法进行工艺实验，得出单目标下的参数优化组合，然后运 用灰色理论的相关知识在田口方法的基础上对多目标参数进行了优化，给出了参数优化 组合，并形成一套完整的基于参数优化设置的f d m 成型工艺规程，对成型精度和相关 工艺参数的选取都具有指导意义。 关键词：快速成型；工艺精度；成型方向；正交试验；田口方法 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 s t u d yo np r o c e s sp r e c i s i o no ff u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g a b s t r a c t f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i i 唱( f d m ) i so n eo f 吐圮n l o s t 嘶d e l yu s e dr 印i dp r o t o t ) 巾i n g t e c l u l o l o g i e s i tc 觚m a t e r i a l i z et i l ed e s i g m n gc o n c e p t 丘o mc a dm o d e lt 0p r o t o t ) ， p eo rp a n w i t hac e r t a i n f c a t u r eq u i c l 【l y 锄da c c u 阳舱l y ，m e r e b ya l l o w i l l gt h eq u i c kc v a l u a t i o na u l d m o d i f i c a t i o no f 廿i ep r o d u 鸭s h o n e i l i r 唱t h cp r o m l c td e v e l o p m e n tc y c l ee 琢c t i v e l y t h e p r o c e s sp r e c i s i o nh a sb i ge f r e c t so nm eq 眦l i 够o fp r o d u c t si i lf b e dd e p o s i l i o nm o d e l i n g ，b u t t l l ep r o c e s sp r c c i s i o no fr 习【p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n e si sl o w e r ，h o wt 0i m p r o v ct h ep r o c e s s a c c u r a c yo ft o d a y sr a p i dp r o t o 帅i n gi s 觚i m p o r t 锄d i r e c t i o nf o rr e s e a r c l l i n g t l l i sp a p 盯删y z c sv 撕o u sf k t o r s 血a ta f f e c t c u r a c yo f 也ee n t i r ef d m p r o c e s so n a s p e c t so f 如n d 锄e n t a le r r o r s 锄dm o l d i n gp r o c e s se r r o r s 锄dp o s t - p r o c e s s i n ge r r o r sa n dp u t f o r v 删c o 叫e n i l e a s u r e s ，p r 0 v i d i n gg i l i d a n c ef o rs u b s e q u e n tf o m i n gp i e c ep r e c i s i o na n a l y s i s t h i sp a p e r 呶l d i e so n 跚尥c er o u g h n e s s ，d i m e 璐i o n a l a c c u r a c y锄dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb ys e l e c t i i 玛p a r a m e t e r ss u c h 蕊d i 】陀c t i o na i 】【dl a y e rt h i c k n e 黯t l l et t l e o r e t i c a l f o m u l af o rc a l c u l a t i n gr o u g h n e s si s 9 0 tb ye 鳓如l i s h i n gs t a i r c a s ee r r o rm o d e la i l df i m l l y o b t a i n st h er o u g t u l e s sc u r v e c o m p a r e d 谢t l la c t u a lr o u g l l i l e s so f 廿l ep a r t ，b o t l ll l 乏l v eag o o d m a t c h t h c c o m p e n s a t i o ne q u a t i o no fd i m e n s i o ni s9 0 tb ye s t a b l i 幽n g 也e o r e t i c a l c o m p e n s a t i o nm o d e lo fa b sf i l a m e n tw i t l lc e r t a i nd i r e c t i o ni l lt l l em o l d i i l gp r o c e s s 锄l dt l l e f e a s i b i l i 妙o f l i sm o d e li sv e r i f i e d ，t 1 1 朗s t u d i e sn l ei i n p a c to fd i r e c t i o no nd i m e n s i o n a l a c c i l r a c yb yl l s i n gt l l i sm o d e l f i n a l l y ，也em e c l l a 面c a lp r o p e r t i e so ff d mp a r t sa r cg c u d i e d t h r o u 曲t e n s i l ea n dc o m p r e s s i o nt e s t sb yu s i n gv a r i o u sp a r 乏吼e t e r s t h i sp a p c rp r e s e n t se x p 嘶m e n t a li i l v e s t i g a t i o i l so ni 珂1 u e n c eo fi i l l p o r t 觚t p r o c e s s p 蹦吼e t e r so nd i m e n s i o n a la c c l l r a c yo ff u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g t h et a g u c l l im e t h o da n d o n h o g o n a lt e s tm e t l l o da r eu s e dh le x p c r i i i l e n t s 趾do b t a j no p t i m 啪l c v e lo fp r o c e s s p 猢e t e r su n d e r 圮s i n g l e o b ! je c t i v es i t u a t i o n g r e yt a g u c l l im e m o di sa d o p t e dt oo b t a i n o p t i m 哪l e v e io fp r o c e s sp 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选题背景 进入2 1 世纪后，市场环境发生了很大的改变，一方面消费者的需求日益个性化， 多样化，对工业产品提出更多的要求；另一方面制造商们不但要迅速的设计出符合人 们要求的产品，还要缩短设计周期和生产周期抢占市场，制造业的竞争愈演愈烈。 随着全球市场一体化的进一步形成与完善，产品的生产速度往往成为关系到竞争 成败的主要因素。为了保持和加强产品在市场上的竞争力，要求设计者不但能根据市 场的需求快速的设计出新产品，而且能在短时间内制造出产品或样品并在投放市场之 前进行必要的测试。在这种情况下，如果用传统的制造方法，不但需要多种机械加工 机床、工具、模具和高水平的技术工人，而且制造成本高、生产周期长，根本不能适 应迅速发展的时代要求，因此，研究低成本、高效率的产品生产技术是解决这个问题 的关键i i 圳。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着制造业的信息化，快速成型技术【5 】( r a p i dp r o t o 够p i n g ) 应运而生。自出现以来，这种高新的制造技术就以其全新的制造思想、迅速的产品制 造速度、灵活多变的产品模型而受到极大关注。这种技术将计算机辅助设计、辅助制 造、数字控制、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，成功地实现了原型制造 的自动化，极大地提高了原型的生产效率和制造柔性。在以市场响应速度为第一的方 针状况下，可以缩短市场开发周期，降低开发成本，提高企业的产值。成型技术由于 适应了现代先进制造技术的发展需求，发展十分迅猛，在发达国家已经成为一个新的 产业分支和先进制造技术的一门支柱产业，也是近年来制造技术领域中最热门的研究 课题之一。 1 2 快速成型技术概述 1 。2 1快速成型技术的原理及工艺过程 快速成型技术( r p 技术) 是集计算机辅助设计及制造技术( c a d & c a m ) 、逆向 工程技术、分层制造技术( s f f ) 、材料去除成形( m p r ) 、材料增加成形( m a p ) 技术等 为一体的多学科、多技术交叉的先进制造技术，又称自由制造( f r e e f o n i lf a b 订c a t i o n ) 、 添加成型( a d d i t i v ef a b r i c a t i o n ) 、桌面制造( d e s k t o pm a n u f a c t 谢n g ) 及三维打印 ( 3 d p 血t i n g ) 等。其成型方式【6 j 主要分为去除成型、添加成型、受迫成型和生长成型， 笼统地讲，快速成型属于添加成型，严格地讲，快速成型应该属于离散堆积成型。它 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 从成型原理上提出一个全新的思维模式的成型的原理，即在不使用传统模具和工具的 条件下，直接驱动c a d 模型，三角网格化后对其进行分层处理，得到各层截面的二 维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下， 选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成 三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件。 快速成型的工艺流程如图1 1 所示： i c a d 建模 上 i 三角网格化 分层 上 层面信息 上 堆积模型 i 后期处理 图1 1 快速成型的工艺流程图 f i g 1 1r pp r o c e s sf l o wc h a r t 其具体的工艺过程如下【6 j ： ( 1 ) 建造三维模型。通过三维( 3d ) 设计软件，设计出一个产品的三维c a d 实体模型；由于i 冲系统是由三维c a d 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的 三维c a d 模型。该三维模型可以利用c a d 软件直接构建，也可以将已有产品的二维 图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、c t 断层扫描，得到点 云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 ( 2 ) 对模型做近似处理。由于模型会不可避免的出现曲面或空洞，为了防止精 细机构的缺失，提高和实际模型的相似度，需将模型进行近似处理，由于s t l 格式文 件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的 大连理工大学硕士学位论文 小三角形平面来逼近原来的模型，典型的c a d 软件都带有转换和输出s t l 格式文件 的功能，这样3 d 模型文件就转换成s t l 格式文件； ( 3 ) 对三维模型进行切片。用成型系统自带控制软件从stl 文件模型的成型高 度方向上用一系列一定间隔的平面“切 出一系列的层片，层片的厚度根据加工要 求自行设置，这些片层按次序累积起来就是所设计零件的形状； ( 4 ) 传输信息并加工模型。将上述每一层片的信息传到控制软件，利用计算机 控制系统控制成型头( 激光头或喷头) 按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一 层一层地堆积粘结材料，最终得到原型产品； ( 5 ) 成型件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或 放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。 1 2 2 快速成型技术的特点 快速成型技术能得到飞速的发展与它自身的特点有很大关系【6 7 】： ( 1 ) 快速性。采用快速成型技术，从设计思想转变为具有一定结构功能的产品 原型原型，一般只需几个小时至几十个小时，从而可以对产品设计进行快速评估、测 试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争 的能力。 ( 2 ) 集成性。快速成型机通过计算机直接执行c a d 模型的数控指令，避免了数 控中的复杂编程，真正实现了设计制造一体化，大大提高了加工效率。与反求工程 ( r e v e r s ee n g i n e e 血g ) 、c a d 技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品快速 开发的有力工具。 ( 3 ) 高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变c a d 模型，重新调整 和设置参数即可，成型过程中不需要专门的夹具和工具，成型零件与c a d 模型具有 直接关联，零件可随时修改，随时制造。 ( 4 ) 无限制性。快速成型不受零件的形状和复杂程度的限制，可成型任意形状 的造型，这就摆脱了传统夹具、工具加工的限制，使高难度、高复杂度的模型的加工 变得相对较容易。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 低造价性。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1 5 1 l o ，而成本仅 为l 3 一l 5 ，它在保证一定精度和零件制作精度的基础上，具有最优的性能价格比， 这也是快速成型的到飞速发展的一个重要原因。 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 1 2 3 快速成型技术的应用 自问世以来，快速成型技术便受到了商业界和学术界的极大重视，此项技术己广 泛应用在机械、汽车、航空航天、医疗、艺术和建筑等行业中，并取得了显著的效果， 其主要应用( 8 ，9 】如下： ( 1 ) 新产品测评 在新产品问世之前，利用快速成型技术可以快速制造出所需模型，节约了大量成 本和时间。在开发过程中，可以完成整个产品从设计到批量生产的流程，包括外形设 计检测与改造、功能检测、手感检测、装配检测、生产可行性评估，并能迅速得到用 户对设计方案的反馈信息，可以随时对原始模型进行改进，直到用户满意为止。这样， 在产品大批生产之前就把可能出现的问题解决在设计阶段，从而减少了新产品开发的 成本和时间，提高了企业竞争力。 ( 2 ) 精密及快速模具制造 利用快速成型工艺方法s l s 、f d m 、l o m 可以快速直接制造出树脂模、陶瓷模 和金属模等普通模具及精密模具，例如，用精铸蜡为原料，直接成型精铸蜡模，再通 过传统铸造过程制造金属零件，把它用在发动机缸体及缸盖等零部件生产上，既提高 了制造精度又节约了时间和成本。也可采用间接制模法，先用快速成型技术制作模芯， 然后用此模芯复制硬模具，或者采用金属喷涂法获得轮廓形状，或者制作母模具复制 软模具等。快速模具广泛应用于汽车车身开发技术中，比如，西安交通大学先进制造 技术研究所针对某型汽车发动机盖板，采用快速模具开发手段，成功的开发出了用于 新车型研发和试制的快速模具。 ( 3 ) 生物医学领域 快速成型技术用于医学领域最早始于2 0 世纪9 0 年代初，它根据扫描得到的人体 分层截面数据，制造出人体器官的模型，并用于临床医学辅助诊断复杂手术方案的确 定，特别是在人工骨替代物的制造方面更显示出它的独特优势，它既可以用于制造非 生物活性骨( 如金属骨) ，也可以用于制造生物活性骨，例如美国的d a y t o n 大学曾经 利用l o m 法制造出人工骨。组织工程是快速成型目前应用的一项新技术，利用快速 成型制造的细胞支架可以修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤到正常状态，除 此之外，快速成型还可以用于制造医药产品，例如美国新泽西州的一个医疗器械公司 运用一种称为“t h e r i f o 加”的变种3 维打印制作药品传送系统原型，运用f d a 认证材 料，制造出一些医用胶囊等产品。 ( 4 ) 微型机械 大连理工大学硕士学位论文 通过采用某些工艺加工方法，如光固化法方法，快速成型制造技术可以用于微型 机械的制造和装配， ( 5 ) 艺术领域 快速成型技术还可以用于复制文物，制作工艺品的设计原型，展览模型等。 1 1 4 快速成型技术存在问题及发展趋势 快速成型技术主要存在的问题【6 】如下： ( 1 ) 成型材料问题 目前在成形材料上主要是有机高分子材料，在功能性上不完善，需借助其他手段 得到想要的产品模型。相对而言，成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。 ( 2 ) 成型设备问题 目前的快速成型系统普遍精度不高，不稳定，如何研制出工作精度高、可靠性好、 效率高而且廉价的制造设备，是今后需要解决的一个问题。 ( 3 ) 成型软件问题 如今的快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发，各公司的成型软件没 有统一标准的数据格式，且功能较少，数据转换模型s t l 文件缺陷较多，不能精确描 述c a d 模型，这都影响了快速成型的成型精度和质量。因此发展数据格式统一并使 用曲面切片、不等厚分层等准确描述模型的方法的软件成为当务之急。 ( 4 ) 应用问题 虽然快速成型技术已在许多领域都己获得了广泛应用，但大多是作为原型件进行 新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个 重要问题。随着快速成型技术的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展 的必然趋势。 快速原型技术经过近2 0 年的发展，正朝着实用化、工业化、产业化方向迈进。 其未来发展趋势m 1 2 1 归纳如下： ( 1 ) 开发新型材料。材料是快速成型技术的关键，因此，开发全新的l 冲新材料 如复合材料、纳米材料、非均质材料、活性生物材料，是当前国内外i 冲成型材料研 究的热点。 ( 2 ) 开发功能强大标准化的成型软件和经济稳定的快速成型系统，提高快速成 型的成型精度和表面质量。 ( 3 ) 金属模具直接成型，即直接制造金属模具并应用于生产中。 ( 4 ) 大型模具制造和微型制造。 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 ( 5 ) 反求技术。反求技术常用于仿制、维修和新产品开发，可大大缩短产品开 发周期，降低成本，同时也是人体器官成型的核心与基础，在快速成型领域其已成为 研究热点。 ( 6 ) 低温成型及生物工程。低温成型成本低，制件方便，属于绿色制造。由于 只有在低温下，生物材料和细胞才可能保持其生物活性，因此开发低温下的成形制造 新技术，将生物材料或细胞或它们的复合体喷射成形，对生物制造具有决定性的意义。 ( 7 ) 研究具有特定电、磁学性能的梯度功能材料及纳米晶材料。 ( 8 ) 生长成型。伴随着生物工程、活性材料、基因工程、信息科学的发展，信 息制造过程与物理制造过程相结合的生长成型方式将会产生，制造与生长将是同一概 念。以全息生长元为基础的智能材料自主生长方式是i 冲m 的新里程碑。 ( 9 ) 远程制造。随着网络技术的发展，设计和制造人员可以通过各种桌面系统 直接控制制造过程，实现设计和制造过程统一协调和无人化，实现异地操作与数据交 换。用户可以通过网络将产品的c a d 数据传给制造商，制造商可以根据要求快速地为 用户制造各种制品，从而实现远程制造。 1 3 熔融沉积快速成型技术 1 3 1熔融沉积快速成型技术简介 熔融沉积快速成型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) ，又称熔融挤出成型( m e l t e d e x t m s i o nm o l d i n g ) ，由美国学者s c o t tc m m p 博士于1 9 8 8 年率先提出【6 j 。 这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型可以直接 用于失蜡铸造。用a b s 制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方 面得到广泛应用。近年来又开发出p c ，p c a b s ，p p s f 等更高强度的成形材料，使 得该工艺有可能直接制造功能性零件。近几年，该工艺发展极为迅速，目前f d m 系 统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为3 0 。 融沉积制造快速成型基于离散堆积的原理，以a b s 为成型材料，其工艺原理如 图1 2 所示。 大连理工人学项士学位论文 平面 f n m 运动系统 o 图l _ 2f d m 工艺原理图 f j g l2 p r o c e s s p n c 岫l eo f 缸e dd e p i t i o n m o d e l i n g a b s 成型材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的喷头，并在喷头中加热至熔 融态，另外加热喷头在计算机的控制下按照相关截面轮廓的信息作x y 平面运动，同 时挤压并控制液体流量，使粘稠液体均匀地铺撒在断面层上。这样成型材料和支撑材 料就被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，一层成型完成后，喷头 上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，撮终得到所需产品原型。其 工艺流程图如图l3 所示： 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 驾圈兰网 切片& 参数设 置 ? 厂上 囝酉型酉幽数据路径 图1 3f d m 流程图 f i g 1 3 f 1 0 w c h a r to ff u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g f d m 发展如此迅速，主要是因为它有以下其它工艺无法比拟的优点： ( 1 ) 不使用激光，维护简单，成本低。多用于概念设计的f d m 成型机对原型精 度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。 ( 2 ) 塑料丝材，清洁，更换容易。与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝 材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。材料性能 一直是f d m 工艺的主要优点，其a b s 原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年 来又发展出p c ，p c a b s ，p p s f 等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在 某些特定场合( 试用，维修，暂时替换等) 下直接使用。虽然直接金属零件成型( 近 年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究，是当今快速原型领域的一个研究热 点) 的材料性能更好，但在塑料零件领域，f d m 工艺是一种非常适宜的快速制造方 式。随着材料性能和工艺水平的进一步提高，会有更多的f d m 原型在各种场合直接 使用。 ( 3 ) 后处理简单。仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用。 而现在应用较多的s l ，s l s ，3 d p 等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需 要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末 或液体污染，二是增加了几个小时的时间，不能在成型完成后立刻使用。 ( 4 ) 成型速度较快。一般来讲，f d m 工艺相对于s l ，s l s ，3 d p 工艺来说，速 度是比较慢的，但是其也有一定的优势。当对原型强度要求不高时，可通过减小原型 密实程度的方法提高f d m 成型速度。通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成 型速度已经可以达到6 0 立方厘米小时。通过软件优化及技术进步，预计可以达到2 0 0 立方厘米j 、时的高速度。 三园 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 熔融沉积成型技术国内外现状 ( 1 ) 国内外f d m 产品的发展现状 目前f d m 产品制造系统应用最为广泛主要是s t r a t a s y s 公司，s 仃a t a s y s 公司于 1 9 9 3 年开发出第一台f d m 1 6 5 0 机型后，先后推出了f d m _ 2 0 0 0 、f d m 一3 0 0 0 和 f dm 一8 0 0 0 机型。引人注目的是1 9 9 8 年s t r a l a s y s 公司推出的f d m q u a l l t l 盯n 机型， 最大造型体积为6 0 0 m m 5 0 0 m m 6 0 0 i 砌。由于采用了挤出头磁浮定系统，可在同一 时间独立控制两个挤出头，因此其造型速度为过去的5 倍。1 9 9 9 年s t r a 妇s v s 公司开 发出水溶性支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔洞中的支撑材料难以去除或无法去 除的难题，并在f d m 一3 0 0 0 得到应用，另外从f d m 2 0 0 0 开始的快速成型机上，采 用了两个喷头，其中一个喷头用于涂覆成型材料，另一个喷头用于涂覆支撑材料，加 快了造型速度。目前s t r a t a s y s 公司的主要产品有：适合办公室使用的f d m v a l l t a g e 系 列产品以及在此基础上开发的可成型材料更多的f d m t i t a n 系列产品，另外还有成型 空间更大且成型速度更快的f d m m a x 唧系列产品，还有适合成型小零件的紧凑型 p r o d i g y p l u s 成型机【o j 。 s t r a t a s y s 公司1 9 9 8 年与m e d m o d e l e r 公司合作开发了专用于一些医院和医学研究 单位的m e d m o d e l e r 机型，并于1 9 9 9 年推出可使用聚脂热塑性塑料的g e n i s y s 型改进 机型g e l l i s y s x s 。该公司自2 0 0 2 年起在年i 冲设备销售台数上超过美国3 ds y s t e m 公 司，成为世界上最大的i 冲设备销售商，目前s t 肌s y s 公司每年销售的i 心设备占到 全球销售总量的一半左右。 在国内，上海富力奇公司的t s j 系列快速成型机采用了螺杆式单喷头，清华大学的 m e m 2 5 0 型快速成型机采用了螺杆式喷头，华中科技大学和四川大学正在研究开发以 粒料、粉料为原料的螺杆式双喷头。其中，北京殷华公司通过对熔融挤压喷头进行的 改进，提高了喷头可靠性，并在此基础上新推出了m e m 2 0 0 小型设备，m e m 3 5 0 型 工业设备以及基于光固化工艺的a u r o 一3 5 0 型设备。此外，殷华公司近几年推出了专 门用于人体组织工程支架的快速成形设备m e d t i s s 。该型设备以清华大学激光快速成 形中心发明的低温冷冻成形( l d m ) 工艺为基础，最多可同时装备4 个喷头。该设备 成形材料广泛，可成形p l l a 、p l g a 、p u 等多种人体组织工程用高分子材料。成形 的支架孔隙率高，贯通性好，在组织工程中有良好的应用前景【1 3 】。 ( 2 ) 国内外f d m 技术的研究现状 在系统方面，丹麦科技大学( t e c h i l i c a lu n i v e r s 时o f d e 啪a r k ) 的b e l l i i l i 舢m a 将 一个微型挤出器安装在一个精确定位系统上，它能直接使用颗粒状原料，从而扩大了 f d m 工艺的使用范围，提高f d m 制件的性能，达到使用f d m 工艺制造特殊原型和 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 快速制造的目的。目前，该系统和使用该系统的制件已经制作出来，但是一些工艺参 数( 如颗粒度等) 还需要进一步优化。 在材料方面，新加坡国立大学( n a t i o n a lu n i v e r s 时o fs i n g 印o r e ) 的d i e t l n a rw 等 人研制了一种新型p c l 材料用于组织工程中，并通过数据说明了支架的多孔性和抗压 性之间存在极大的关系【1 4 j 。 在工艺方面，西安交通大学把f d m 工艺中材料挤出过程改为由空气压缩机提供 的压力挤出。结果表明，以气压作为挤压动力有效可行，系统工艺简单，成形材料选 择范围广泛，可完成传统f d m 的快速设计任务，还可完成制造人工生物活性骨的模 型加工【15 1 。 在实验方面，印第安科技大学( i n d i a i li n s t i t u t eo f t e c l l i l o l o g y ) 的k t 耐m 删c h u l u 等人以成型件的成型时间和表面粗糙度为测试对象，通过遗传算法求出最优的成型方 向，并通过实验验证了其合理性，该算法可以用来获取任意成型件的最优成型方向。 新加坡国立大学( n a t i o n a lu 1 1 i v e r s 时o f s i n g a p o r e ) 的d i e t m a rw 等人用f d m 制作组 织工程中的细胞支架并研究其机械性能及机体对于支架的反应、接纳程度，实验结果 证明在3 4 周的时间里，新的组织可以在f d m 制造的支架下生长。大连理工大学的 郭东明教授人也进行了f d m 工艺参数优化设计，先是提出丝宽理论模型，然后通过 正交试验得到影响试件尺寸精度及表面粗糙度的显著因素及水平，并进行参数优化， 大幅度提高了成型见的成型精度【l6 。1 8 】。 在应用方面，澳大利亚s 谢n b u m e 大学的m a s o o ds h 教授等人使用f d m 工艺直 接喷射金属制作注塑模嵌件。目前，他们正在对这种新工艺，以及使用这种注塑模制 作出来的塑料件进行研究。清华大学的颜永年教授等人利用喷射挤出沉积成形方法制 作了骨模型和耳状软骨，并在狗和兔子上进行了实验。颜永年教授还于2 0 0 5 年正式 提出生物制造工程的概念，于2 0 0 8 年提出低温工程与绿色制造，目前他们的研究工 作在国际上处于领先水平。 1 4 本课题研究的意义及本文的主要工作 成型精度是快速成型技术中的关键问题，也是快速成型技术发展的一个瓶颈。快 速成型技术由数据处理、成型过程和后处理三部分组成，所以可以推断快速成型误差 由原理性误差、成型过程产生的误差和后处理产生的误差组成。本课题主要通过对各 项误差及影响因素进行分析，并对对快速成型工艺进行优化，从而提高快速成型制造 精度。 大连理工大学硕士学位论文 目前对于每一种快速原型设备，它们都存在一个问题，就是工件的制造误差比较 大。零件的精度主要包括尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等，如何得到更好的制造 精度和更好的表面质量成为近年来r p 行业的研究热点。 本文主要使用f 鲥n t 型熔融堆积快速成型机( 北京殷华公司2 0 0 9 出品) ，采用 a b s 丝材，制定了系统的试验方案对熔融沉积制造的工艺精度进行了系统研究。图 14 和15 为本文所使用的熔融沉积快速成型机的外观图图和丝材。 闰14f 删快速成型机外观 f i g 14a p p o f f d mh 1 a c h j 呲 嘲15 机器中的a b s 丝材 f 嘻l5 t h e a b s 6 l 锄e m s i nf d m m a c h l n e 首先通过改变单个工艺参数并设计相应的试验来研究工艺参数对制件表面粗糙 度、尺寸精度和机械性能的影响，然后，通过选取不同的参数组合对制件的尺寸精度 进行优化，从而得到最优的参数组合，为熔融堆积快速成型的实际应坩提供理论和工 艺方面的指导性依据。 依据课题的上述研究内容，论文各章的研究内容如下： 第一章：主要讲述快速成型技术发展的背景和综述。介绍了快速成型技术的原理、 特点、应用以及存在的问题，并着重介绍了本论文所研究的熔融堆积快速成型技术及 其国内外发展现状。 第二章：详细介绍了影响f d m 成型精度的各种误差及解决对策。本章从原理性 误著、成型过程中的误差及后处理过程中的误差仔细的分析了整个f d m 成型过程中 影响成型精度的各种因素，为后续的成型件精度分析提供了指导依据。 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 第三章：研究工艺参数对成型件质量的影响，主要选取成型方向、分层厚度等参 数从制件的表面粗糙度、尺寸精度和机械性能三个方面进行研究。通过建立阶梯误差 模型提出粗糙度计算的理论公式，得出粗糙度变化曲线，并通过试验研究实际制件的 粗糙度；建立a b s 丝在成型过程中的具有一定成型方向的丝宽的理论补偿模型，求 出尺寸补偿方程，并通过实例来验证此模型的可行性，应用此模型研究了成型方向对 尺寸精度的影响；最后研究了f d m 成型件的机械性能，通过拉伸试验和挤压试验研 究各参数对制件机械性能的影响。 第四章：主要对f d m 制件的尺寸精度进行了优化。针对f d m 快速成型工艺，确 定出影响成型件质量的主要工艺参数，运用田口方法，通过正交试验法进行工艺实验， 得出单目标下的参数优化组合，然后运用灰色理论的相关知识在田口方法的基础上对 多目标参数进行了优化，并形成一套完整的基于参数优化设置的f d m 成型工艺规程。 大连理工大学硕士学位论文 2f d m 成型精度的影晌因素分析 如何提高成型精度是快速成型技术在工业应用中的关键问题之一，也是r p 研究 的重点。成型精度是指成形件的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度【2 0 1 。f d m 工艺是一 个包含c a d c a m 、数控、材料、工艺参数设置及后处理的集成制造过程，每一环节都可 能引起这样或那样的误差。分析影响快速成型精度的因素，要从快速成型的加工的基 本过程入手，f d m 快速成型的基本过程是：由三维实体模型转换为二维层片信息，并 对二维数据进行重建路径又加工出三维模型。本章在大量的实验和模型制作的基础 上，总结了f d m 成型过程中影响成型精度的主要因素，并提出了相应的对策。 影响f d m 成型精度的主要误差可按图2 1 分类： 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 2 1 原理性误差 2 1 1c a d 模型拟合成s t l 文件时的误差 s t l 是在快速成型领域中常用的是文件格式，已成为快速成型行业事实上的标 准。这种格式由模型通过软件数据接口转换而成，s t l 文件数据处理是将模型离散为 多层轮廓，再以各种方式填充一个复杂的模型，通过转换后产生的s t l 文件包含百万 个三角形面片。由于s t l 模型用大量小三角形面片来近似逼近c a d 模型表面，使s t l 模型对原模型的描述存在误差，当多个曲面进行三角化时，在曲面相交处会出现缝隙、 重叠、畸变等错误和缺陷，影响了模型的精度。可以通过增加三角形面片的个数来提 高模型近似精度，减少几何误差。其几何误差常用弦高e 来控制，弦高e 指的是近似 三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离，如图2 2 所示。 实际 图2 2s t l 文件格式误差 f i g 2 2 e 玎o ro f s t lf o 啪a t 如果给定一个c 2 的连续参数曲面p ( u ，v ) 以及曲面与三角形t 之间的弦高，则 三角形的最大边长为q ，其计算公式如下【2 1 】： q _ 3 丽f 葫) 2 m 。= 删学i l ( h ，y ) e 7 “ m ：= 删訾l i “，v ) e r m 3 = 删掣i l t “，v ) e 丁 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 围23 所示的是采用不同的弦高e 所生成的球体的两种s t l 文件格式，a 中所采 用的弦高e ；4 m m ，b 中所采用的弦高e = o 0 0 2 m m ，从图中可以看出。对于同一个三 维模型，弦高度参数设置不同，误差相差很大。b 中的三角面片个数明显多于a ，形 状高度近似于设计原型。尽管增加面片数目可减少输出误差，提高输出精度，但却不 能彻底消除这些误差，而且这样做的结果将引起s t l 文件存储量增大，数据处理运行 软件速度降低，有的软件甚至不能满足制造要求，加工时间也醣之增加，所以还是要根 据实际制造情况进行选择。本文选用的成型机最适合的输出参数是弦高为00 0 2 n n 。 oo ( a ) ( b ) 图23 不同弦高所生成的s t l 文件格式 f 1 昏23 s t l 佃m mw j m d i f 衙e n tc h o r dh e i 班 2 12 切片过程中的误差 分层切片是在快速成型对j 三维c a d 模型进行离散化处理过程中关键的一步，所 谓分层就是在垂直于成型件的z 方向，用一系列平行于x o y 坐标面的平面截取s t l 文 件的实体数据模型，获取实体的轮廓信息和内部构造信息，每个层片包含的信息组合 在一起构成整个实体模型的数据信息。通过对实体进行分层处理，便可将三维加工问 题转化为一系列的二维加工问题，使加工工艺简单化，同时完全解决了加工中的几何 干涉问题，可以说三维实体数据分层处理是实现快速成型加工的基础。 对已经离散化的s t l 模型进行分层切片，由于每一切片层之间存在一定的距离， 因此切片不仅破坏了模型表面的连续性，而且不可避免地丢失了两切片层间的信息， 熔融沉积快速成型精度及工艺研究 导致原型产生形状和尺寸上的误差。分层的厚度表示离散后记录模型的分辨率，分层 厚度越大，分辨率越低，所丢失的信息越多。 在制件分层处理后产生的误差主要有阶梯误差1 2 2 j 和z 向尺寸误差1 2 引，其中最有代 表性的是阶梯误差( 其它内容将在第三章详细分析) ，如2 4 所示的是某一物体切片 后的阶梯误差。阶梯误差分为正偏差和负偏差，当用分层厚度块与c a d 模型相交的 较大截面作为分层截面时，产生正偏差，如图2 4 ( a ) 所示；反之则产生负偏差，如 图2 4 ( b ) 所示。正偏差用于检查原型的概念设计或进行功能验证，并且在打磨抛光 等后处理过程可以获得较好的表面质量；负偏差主要是用来制作模具，因为用原型作 母