（机械制造及其自动化专业论文）选择性激光烧结机若干关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 l 选择性激光烧结( s l s ) 机作为一种快速原型设备，自问世以来，发展速度非常快。 丐融酥对这种工艺设备的特点，结合c a m 研究室已研制成功的s l s 试验样机结构分析， 在保证s l s 设备性能的情况下，以尽量减小其综合成本为目标，讨论了新型选择性激光 烧结机的设计和研制思想，介绍其设计和研制中的一些关键技术。同时提出了一些新的 技术方案，对大幅度降低选择性激光烧结机的成本具有重要意义。 在当今快速原型技术研究成果的基础上，绺文对原有选择性激光烧结机样机进行了 理论分析和研究，总结出原样机的优缺点。在特有的分形几何扫描路径下，保留原有的 优点上，对选择性激光烧结机原理和所加工零件的精度进行了分析，设计出了新型低成 本适用的机械装置。同时对扫描机构的惯性和扫描方式进行分析，找出了适合烧结的扫 描方式，以提高加工效率和加工质量。 由于整个s l s 设备结构和功能上已经改变，在原有控制系统上提出了新的方案。考 虑到计算机硬件的变化，为应用方便，在p c 机与基于i s a 总线的控制卡之间增加了串 行控制。为提高串行通信的速度，在串行通信研究的基础上，研制出了相应的硬件。并 且针对不同的操作系统设计出了适用的软件。 为验证对控制系统的串行通信改造的效果，在机电一体化误差测控仪上进行了一系 列实验，结果表明在选择性激光烧结机上应用串行通信基本可行。 关键词：快速原型选择性激光烧结关键技术分形扫描路径机械设计藉孤 事方葱j 筝 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s lm a c h i n ea so n eo f r a p i d p r o t o t y p i n g ( r p ) e q u i p m e n t i sd e v e l o p i n gv e r yf a s tw h e ni tc a m eo u t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es l s p r o c e s s e q u i p m e n t ，d e s i g n a n d d e v e l o p m e n ti d e a s ( i n c l u d i n g m e c h a n i c a l s y s t e m ，s o f t w a r e a n d h a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，e t c ) o fan e w t y p eo fs l sm a c h i n ew i t hh i g hp e r f o r m a n c e a n dt h el o w e rc o s ta r ed i s c u s s e di nd e t a i lb a s e do ns t u d y i n gt h es t r u c t u r eo ft h es l ss a m p l e m a c h i n et h a tw a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yt h ec a m l a b o r a t o r yi nh u a z h o n gu n i v e r s i t y o f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s o m e k e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c h a r ea d o p t e d d u r i n g d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f t h en e w t y p eo f s l sm a c h i n e ，a r ei n t r o d u c e d m o r e o v e rs o m e n e wb l u ep r i n t s w h i c hi s c o m p a r e dw i t hf a m o u ss i m i l a re q u i p m e n ti nc h i n aa n do v e r s e a sh a v eb e e np u t f o r w a r d t h en e wi d e a s m e t h o d sa n d t e c h n o l o g i e sp r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o na r es i g n i f i c a n t o nr e d u c i n gt h ec o s to fs l sm a c h i n e b a s e d0 nc u r r e n tr e s e a r c h e so fr pt e c h n o l o g yi nt o d a y , t h i sd i s s e r t a t i o nt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds t u d yo ft h es l ss a m p l em a c h i n ea r ec a r r i e do u t a sar e s u l t , a d v a n t a d g e sa n d d i s a d v a n t a g e s o ft h es l ss a m p l em a c h i n ea r es u m m a r i z e d u n d e rt h ef r a c t a l s c a n n i n g p a t h a d v a n t a d g e so ft h es a m p l em a c h i n ea r ek e p td o w nt ot h ei l e we q u i p m e n t a f t e rs l s m a c h i n e p r i n c i p l ea n dp a r tp r e c i s i o n a r ea n a l y s e d ，t h en e w t y p e o f t h es l sm a c h i n ew h i c hi s c o s t e f f e c t i v e ，i sc r e a t i v e l yd e s i g n e d b ya n a l y s i n g t h ei n e r t i ao fs c a n n i n gd e v i c ea n dt h e s c a n n i n gm o d e ，ab e t t e rs c a n n i n gm o d e i sf o u n dt os u i tt ot h es i n t e ri np r o c e s s ，w h i c hc a nr a i s e t h es i n t e r i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y an e wb l u ep r i n to ft h ec o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r db a s e do nt h ep r i m a r yc o n t r o l s y s t e mb e c a u s et h e s t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n sa r ec h a n g e d s i n c et h eh a r d w a r eo ft h e c o m p u t e ri sc h a n g i n g ，t h ep r i m a r yc o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e di n o r d e rt ob eu s e de a s i l y t h e r e f o rt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n di s a b u sc o n t r o lc a r di sa d o p t e d i nt h e m e a n t i m e ，t h eh a r d w a r ei sd e v e l o p e df o re n h a n c i n gt h es p e e do ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ho fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n d i f f e r e n tc o r n m u n i c a t i o ns o f t - w a r e sa r e d e v e l o p e d t oa d a p tt od i f f e r e n to p e r a t i o ns y s t e m s i no r d e rt ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，as e v e r a le x p e r i m e n t s a r ed o n eo nm e c h a t r o n i cd i g i t a l i z a t i o nd e v i c ef o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，w h i c hv e r i f i e s t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a nb eu s e do nt h en e w t y p eo f t h es l s m a c h i n e k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g s e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n gk e yt e c h n o l o g y f r a c t a l s c a n n i n gp a t h m e c h a n i c a l d e s i g ns c a n n i n g m o d es e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 i 1 本课题的来源、目的和意义 1 1 1 课题的来源 l 绪论 快速原型制造( r p m ) 技术是快速原型与制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ) 的简称，它是当今世界上飞速发展的制造技术之一。r p m 设备在全球 市场上的销售量增长速度很快，有力地推动了制造业的发展。华中科技大学c a m 研究 室在国家自然基金( 项目名称：“生长型制造薄层扫描路径的分形规划与控制”，项目编 号：5 9 6 7 5 0 7 1 ) 的资助下，进行了这方面的研究工作，并取得了一系列的成果，开发出 了基于选择性激光烧结( s l s ，s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 的快速原型样机【1 4 j 。本课题 是该研究的延续并促成s l s 样机产品化而开展的工作。 1 1 2 课题的目的和意义 现在市场上的快速原型设备价格较高，而国内一般院校和中小企业难以承受，这影 响到在校学生学习先进的制造思想并阻碍了我国制造技术的现代化。在保证选择性激光 烧结( s l s ) 性能的前提下，针对s l s 设备的特点，以综合成本最低为目标，对若干关 键技术进行研究，准备研制采用树脂砂的低成本选择性激光烧结机。同时该设备采用了 “s ”形扫描路径与c a m 研究室研究的分形扫描路径技术。与“s ”形扫描路径相比， 分形扫描路径减少了烧结零件的残余内应力，大大提高了零件的强度【6 l ，这将是分形扫 描路径技术在快速原型产品中的首次应用。 1 2 国内外概况和工艺分类 1 2 1 国内外概况 激光快速原型制造技术是8 0 年代中期迅速发展起来的一项高技术，该技术以生长 型制造法( m i m ) 一次成形复杂的零部件或模具，不需要刀具，堪称制造领域人类思维 的一次大飞跃。它包含了激光技术、c a d 技术、数控技术、光化学和光敏性聚合物等 新技术、新材料，解决了传统加工方法中的许多难题，它的出现代表着制造工程的又一 华中科技大学硕士学位论文 大突破。快速原型制造技术在航空航天、机械电子以及医疗卫生等领域有着广阔的应用 前景，自诞生以来就受到了广泛的重视并迅速成为制造领域的研究热点。随着应用领域 的不断扩大，快速原型制造技术已经成为先进制造技术的重要组成部分。传统的方法是 将原材料除去多余部分形成零件，而这种方法是将材料逐层积累形成零部件。 快速原型制造技术有以下特点： ( 1 ) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用： ( 2 ) 原型的复制性、互换性高； ( 3 ) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越； ( 4 ) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低5 0 ，加 工周期缩短7 0 以上： ( 5 ) 高度技术集成，可实现设计制造一体化。 激光快速原型制造技术是从1 9 8 4 年开始发展的一项新技术，第一台商业化实用系 统于1 9 8 8 年面世。1 9 8 9 年美国首先使用了这项技术，1 9 9 2 年引起了各国制造业的极大 注意。据统计1 9 9 6 年世界已有2 3 0 多家机构开展了快速原型( r p ) 的研究，目前在互 联网上有数百家大学研究机构和企业介绍了r p 研究和开发技术的状况。在这一领域， 美国一点是处于领先地位的，各种工艺大多在美国最先开展研究开发，研究开发出的工 艺种类也最多。自1 9 9 0 年开始，每年美国在u n i v e s i t yo fd a y t o n 和t e x a su n i v e r s i t ya t a u s t i n 召开两次r p 国际会议。会议内容涉及新的r p 方法工艺、改进新材料、开发快 速模具、提高制造工件精度软件及新应用等。日本是仅次子美国，大力发展r p 技术的 国家，它的r p 技术的研究主要集中在光固化树脂成型等方面。欧洲也有许多研究机构 和厂商瞄准了这一方向，开展了多种r p 工艺的研究引。我国r p 方向的研究始于9 0 年代初，美国d r e x e l 大学j k e r e d a n 教授1 9 9 2 年6 月在清华大学介绍了r p 思想，标 志着这一研究方向在我国的开始。北京隆源快速成形公司、清华大学、西安交通大学、 南京航空航天大学、华中科技大学、上海交通大学、华北工学院等单位在成型理论、工 艺、设备、材料、软件开发等方面做了大量的研究工作。有些单位已开发出商品化、能 做出复杂原型的r f 系统。例如北京隆源公司开发的a f s 一3 0 0 激光快速原型机( 选择 激光烧结系统) 、华中科技大学研制的以纸为成形材料的基于分层物体制造原理的h r p 系统、清华大学研制的多功能快速造型系统m r p m s 和基于f d m 的熔融挤出成形系统 ( m e m - - 2 5 0 ) 等。在基于快速原型技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有 我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具， 隆源公司的r f 服务中心也为企业制作了多种精密铸模，华中科技大学研究出了一种复 膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模具。此外，国内的家电行业在快速 原型系统的应用上，也走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小 华中科技大学硕士学位论文 天鹅、青岛的海尔等，都先后采用快速原型系统来开发新产品，收到了很好的效果。目 前，国内由政府资助，正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速原型技术的服务机 构1 4 - 1 6 1 。我们有理由相信：快速原型制造技术在我国将得到很好的应用。 1 2 2 快速原型工艺分类 一般来讲，快速原型的工艺方法都是基于计算机三维实体造型。在对三维模型进行 处理后，形成截面轮廊信息，随后将各种材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描。使 材料粘结、固化、烧结，逐层堆积成为快速原型，这就是所谓的分层制造技术”18 1 。其 工作原理见图1 1 。迄今为止，国外、国内已开发成功了1 0 多种成熟的快速原型工艺f 1 ”2 1 ， 其中比较常用的有以下几种： c a d 模型 z 向离散化( 分层) 层面信息处理 层面制造与粘结 层面堆积 后处理 分 解计算机中 过处理信息 程 加 工 烧结机中 过堆积制造 程 幽1 1 快速原型1 ：作原理 ( 1 ) 纸层叠法薄形材料选择性切割法( l o m 法) 如图1 2 所示，计算机控制的c 0 2 激光束按三维实体模型每个截面轮廓对薄形材 料( 如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等) 进行切割，逐步得到各个轮 廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。 ( 2 ) 激光立体制模法液态光敏树脂选择性固化( s l a 法) 在图1 3 中，液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束( 按照三维模型每 个截面的轮廓线) 照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层 上，如此重复直至成型完毕，即形成快速原型。而新推出的光照成型机( 如3 d s y s t e m s 华中科技大学硕士学位论文 公司出产的s l a - - 3 0 0a n t l ) 采用了z e p h y r 再涂层技术，最上面待成型树脂用真空吸 附式刮板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高了速度，在制作的原型中不再含 有液态树脂。用来制作消失模，在熔模精密铸造中替代蜡模。 x y 方 的紫外 图1 2 纸层叠法 戋光源4 i 、 液罗面 、 ； 一成型的d 二= 物体 图1 3 激光立体制模法 ( 3 ) 烧结法粉末材料选择性激光烧结( s l s 法) 用辊简将一薄层粉末材料铺在一容器内的平台上，然后根据c a d 系统的数据文件 4 华中科技大学硕士学位论文 用激光束以模型截面遍历该薄层，使其烧结；第一层形成后，平台微量下降，在其上滚 筒铺上另一薄层粉末材料，再以激光束按相应的截面数量遍历该薄层，形成相邻的截面， 并与第一层粘结；此过程逐层进行，直至完成一个三维的模型，容器中未烧结的部分材 料在模型制造过程中起支持作用。其工作原理如图1 4 所示。与其他快速原型制造相比， s l s 技术更为灵活，因为s l s 有可能利用任何一种受热后将降低粘度的粉末材料。目前， 可用于聚碳酸脂、尼龙、树脂砂、金属粉末和熔模蜡等材料。 粉末 粉辊筒 图1 4 烧结法 ( 4 ) 熔化沉积法丝状材料选择性熔覆( f d m 法)加热喷头在计算机的控 制下，根据截面轮廓信息作x 一y 平面运动和高度z 方向的运动，丝材( 如塑料丝、石 腊质丝等) 由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上， 快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加最终成为快速原型，如图1 5 所示。用此法可 以制作精密铸造用蜡模、铸造用母模等。 此外还有粉末材料选择性粘结法( t d p 法) 、直接壳型铸造法( d s p c 法) 以及立 体生长成型法( s g c 法) 等方法。 快速原型制造技术开创了一个崭新的设计制造概念，它以相对低的成本可修改性强 的特点，独到的工艺过程大大缩短了产品的设计制造周期，越来越受到企业界的欢迎。 因此该技术的发展将更紧密地结合生产实际，今后将朝实现智能化加工、概念创新、工 艺改进，研究新材料、开发功能强大的数据采集处理和监控软件、开拓新的应用领域、 研制经济精密可靠高效的制造设备、网络加工等方向发展。相信在不久的将来，会有更 多的新工艺新方法出现，并将越来越实用化。同时伴随着无纸时代的潮流化，快速原型 制造技术作为一种先进的技术越来越焕发异彩，在制造业中占据重要的地位。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作内容 图】5 熔化沉积法 快速原型( r p ) 设备经过多年的研究，已取得了飞速的发展，其应用领域广泛，市 场需求较大。为了研制适合国情和大中院校适用的快速原型设备，本文进行了选择性激 光烧结机若干关键技术的研究，这些关键技术包括钢丝绳牵引2 d 工作台、铺粉装置、 扫描方式和控制系统的改进。结合华中科技大学c a m 研究室的特有的分形几何路径扫描 规划与控制，查阅了大量的国内外有关资料，在前人的基础上，设计出了新型选择性激 光烧结机机械装置，并在p c 机和控制卡间加入了串行通信。 本文的的主要研究包括： ( 1 ) 快速原型原理的研究 分析并研究了选择性激光烧结机成型原理和所加工零件的精度，为后续设计打下了 理论基础。 ( 2 ) 原有样机的研究 对原有样机进行了仔细分析和深入研究，了解了原样机的优缺点，在结合特有的分 形几何路径下，保留原来的优点，改进不足，设计出了低成本实用的机械装置。 ( 3 ) 扫描方式的分析 对扫描机构的惯性和几种典型扫描方式进行分析、讨论，提出了改进的等速烧结， 6 华中科技大学硕士学位论文 圆弧过渡扫描方式，它更适合激光烧结，能够提高加工质量和加工效率。 ( 4 ) 控制系统的改进 由于计算机硬件发生变化，对原有控制系统进行了改进，增加了p c 机与基于i s a 总线的控制卡的串行控制，使之应用更加方便。为提高串行通信的速度，在软硬件方面 进行了较深入的研究，研制出了硬件和软件。 ( 5 ) 串行通信的实验 为验证对控制系统的串行通信的改造效果，在机电一体化误差测控仪上进行了实 验，结果表明在选择性激光烧结机上应用串行通信基本可行。 华中科技大学硕士学位论文 2 选择性激光烧结机样机介绍 华中科技大学c a m 研究室针对生长型制造技术中扫描路径与成型性能问题提出了 “生长型制造薄层扫描路径的分形规划与控制”的新方法，并获得国家自然科学基金会 的资助。在此基础上独立开发出了选结性激光烧结机样机，该样机采用分形扫描路径， 试验表明该装置取得了较好的效果。 2 1分形扫描路径介绍 零件的薄层是由零件的轮廓组成的二维图形，传统的s 线扫描法是将二维图形中的 零件实体部分用直线进行填充，激光沿着直线进行扫描烧结。图2 1 所示为一种“s ” 形的直线扫描路径规划。这种填充方式数据处理简单，易于控制、实现，但图2 1 中“s ” 形扫描路径规划存在以下缺点： ( 1 ) 扫描线间连接紧密程度较差，薄层的强度低： ( 2 ) 单方向长线扫描，材料在固化时产生的收缩大，必将影响零件的尺寸精度； ( 3 ) 长线扫描，沿扫描方向存在最大拉应力，易产生翘曲变形，并且垂直于扫描 线方向易产生裂纹： ( 4 ) x 方向扫描长度远大于y 方向扫描长度，这使得薄层的均匀性差。 图2 is 形扫描路径规划 从提高选择性激光烧结机烧结的零件性能出发，华中科技大学c a m 研究室提出利 华中科技大学硕士学位论文 用分形曲线来填充二维薄层的新方法分形扫描路径，即激光沿着分形曲线轨迹进行 扫描烧结。分形具有无限嵌套层次下的精细的结构，通常具有自相似形式，即局部和整 体按某种方式相似的结构。根据分形具有的分数维数，当分形曲线的维数等于2 时，便 可充满一个平面【2 ”j 。 分形这个名词是由美国i b m 公司研究中心物理部研究员暨哈佛大学数学系教授 b e n o i tb m a n d e l b r o t 在1 9 7 5 年首次提出的，其原意是“不规则的、分数的、支离破碎 的”物体。1 9 7 7 年，他出版了第一部著作“分形：形态，偶然性和维数”( f r a c t a l ：f o r m ， c h a n c ea n dd i m e n s i o n ) ，标志着分形理论正式诞生。五年后，他出版了著名的专著“自 然界的分形几何学”( t h ef r a c t a lg e o m e 廿yo f n a t u r e ) 2 5 1 ，至此，分形理论初步形成。 目前，分形是非线性科学中的一个前沿课题，在不同的文献中，分形被赋予不同的名称， 如“分数维集合”、“豪斯道夫测度集合”、“s 集合”、“非规整集合”、“具有精细结构集 合”等等【2 6 】。一般地，可把分形看作大小碎片聚集的状态，是没有特征长度的图形和构 造以及现象的总称。由于在许多学科中的迅速发展，分形已成为一门描述自然界中许多 不规则事务的规律性的学科。 2 1 1 分形特征 分形虽然暂时还没有严格的定义，但按照k f a l c o n e r 的见解，分形如同“生命”的 定义一样，是通过其典型性质来认识的： ( 1 ) 分形具有无限嵌套层次下的精细的结构，即在任意小的尺度下，都具有复杂 的结构： ( 2 ) 分形是不规整的，它的局部和整体都不能用传统的几何语言来描述； ( 3 ) 分形通常具有自相似形式，这种自相似可以是近似的或是统计意义下的； ( 4 ) 分形根据其维数的定义通常具有分数维数，一般大于其拓扑维数； ( 5 ) 大多数情况下，分形可用简单的方法确定，能够由递归过程产生； 2 1 2 分形曲线的计算机生成规则及算法 通常用l i n d e n m a y e r 方法( l 系统) 和迭代函数系统( i f s ) ，可以在计算机上生成 分形曲线。生成p e a n o 曲线用l 系统较为方便。 l 系统是一种形式语言，它通过产生一系列字符串来构造图形或曲线，不但能描述 植物，而且其构图方法可用来绘制各类有规则分形曲线及其它形状。最简单的类型称作 d o l 系统，“d ”与0 ( 零) 是“确定的”和“与上下文无关”的含义，其定义：令v 表示字母表，v + 表示v 上所有单词的集合，一个字符串0 l 系统是一个有序的3 元素集 9 华中科技大学硕士学位论文 合g = ( v ，p ) ，是一个非空单词，称作公理，对应于初始图，p 是产生式的有限 集合，产生式写作a x ，字母a 和单词x 分别称作产生式的前驱和后继，后继对应于生 成元。规定对任何字母a v ，当且仅当恰有个非空单词x ，使得a _ x 。那么就说o l 系统是确定的，记为d o l 系统。此类型可以模拟植物分支拓扑结构。 解释l 系统输出字符的算法，按照v 中的字符命令进行。进一步的l 系统还需加 上几何形状，诸如线段的长度和线段的转角，在构图时，还要给出递归次数。 图2 2 是分形曲线的示例，采用边改写的方法生成。规定直线段分f l 型和f r 型两 种类型，规定f l 型线段只能在左边画图；而f r 只能在右边画图。 口霞口豳 f l 生成元f l 的后继元lf r 生成元f r 的后继元r 口圈圈 生成元f l一次迭代( n = 1 )二次迭代( n = 2 ) 图2 2 分形示例e 一曲线 f l 的产生式为 l l + r + r l l + r + r l r l l r + l r l l r + lr + r + l - l - r j t 十 ( 2 i ) f r 的产生式为 l l + r + r - l l r l + r r 十l + r - l r r + l + r l l r + r + l l r r ( 2 2 ) 其中l 表示f l 的后继，r 表示f r 的后继，“+ ”表示逆时针旋转9 0 。，“- ”表示 顺时针旋转9 0 。为了指出其后生成图形的位置，在每一f l 和f r 上画一短线。根据 和f r 生成的图形见图2 - 2 。根据分形相似维数的定义 d s ( f ) ：1 n ( m ) ( 2 3 ) i n ( l ) c 式中，m 为组成分形f 的相似子集的个数，c 为相似比例系数。 图2 2 所示分形曲线的相似维数为凼( f ) ：璺堡垒：2，根据上面产生式，通过 1 川志 o 华中科技大学硕士学位论文 无限递归过程，可生成充满整个面的、自回避的( 非自交) 、简单且自相似的曲线。因此， 按分形曲线生成的扫描路径，则可认为生成薄层是分形的集合而非线的集合。由于分形 具有精细的结构，在任意小的尺度下，它总有复杂的细节，因此可使生成的薄层表面平 整，结构致密、均匀，生长过程更完善。根据分形的自相似的性质，局部性能的优化即 可相似地推广到整体，生成薄层的物理性能可大为提高。 2 2 分形扫描路径的实现 分形曲线扫描较其它扫描方式复杂，首先是选择分形扫描曲线，即选择分形维数等 于2 的分形曲线，并给出迭代关系；其次是分形曲线的迭代层次的确定，因为分形曲线 在任意小的尺寸下都具有精细的结构，而实际加工系统不可能实现无限细分，因此根据 激光光束半径、二维工作台的分辨率、加工原料的粒度以及加工效率等参数合理选择分 形曲线的迭代层次；第三是利用分形曲线对零件的二维薄层进行填充，并对分形曲线与 零件的轮廓的交点进行规划和处理，根据交点信息，控制激光扫描【27 1 。 2 3 试验样机介绍 在激光烧结生长型制造技术中，工件以切片形式分层加工，在每一层上，激光束以 二维扫描的方式来烧结工件片层。其中扫描路径关系到相邻两条路径之间区域结构组织 是否完善，整个工件组织结构是否均匀、致密，从而影响到工件的强度、硬度、密度。 为提高工件的性能，该系统采用传统的“s ”曲线和分形曲线作为扫描路径。新的分形 路径要求在x 、y 方向频繁地改变方向，这时一方面要求扫描系统无反向间隙，另一方 面又要求扫描系统具有高的分辨率，高的定位精度。激光烧结生长型制造技术是在扫描 激光束的烧结作用下得到每一个薄层，通过各层的叠加来最终生成一个完整的零件，在 加工过程中必须实现以下几个动作：( 1 ) 激光束的扫描，( 2 ) 自动铺粉，( 3 ) 激光烧结。 因此本系统由扫描工作台、铺粉装置、激光器、激光光路、计算机控制系统等组成【2 8 1 。 2 3 1 系统组成 整体构成见图2 3 。激光扫描系统是通过2 d 工作台来实现的。考虑到工作台在x y 方向运动时分辨率要求为o 0 2 m m 以上，及运动时的准确性，故采用钢丝绳驱动来 消除传动时的间隙。2 d 钢丝绳驱动的工作台由2 个步进电机驱动，用以驱动2 d 扫描系 华中科技大学硕士学位论文 统。步进电机选用5 5 b f 0 0 9 型，其步距角为0 9 。步。在2 d 扫描系统中要求x y 方向 的灵敏度、定位精度高，并要求牵引力小、移动轻便，为此选择高精度的直线滚动导轨， 重复定位误差为0 0 1 一o 0 2 mm ；摩擦系数为0 0 2 5 - - 0 0 0 5 ，实现分形路径扫描，完成零件 片层的烧结。 图2 3s l s 工作台整体构成 2 3 2 钢丝绳与直线滚动导轨组成的二维工作台 2 d 工作台常采用丝杠螺母副传动，而本装置选用了钢丝绳、直线滚动导轨。钢丝 绳的驱动是为了消除间隙，其中包括传动间隙、反向间隙。钢丝绳在电机轴的联接轴上 绕转，利用钢丝绳与轴之间的摩擦力来驱动激光束的运动。选用中0 8 m m 钢丝绳，具有 良好的柔性。为防止长时间传动后钢丝绳发生松弛，加设了钢丝绳张紧装置。y 方向运 动选用两根直线滚动导轨，x 方向选用一根直线滚动导轨，重量轻、精度高。 钢丝绳牵引和直线滚动导轨组成二维数控扫描系统如图2 4 所示。 扫描系统分形路径复杂，要求分辨率高，要求在一个步迸电机脉冲内，工作台运动 o 0 2 m m 。工作台运动分辨率由步进电机的步距角、降速比、驱动轴的直径、钢丝绳的 直径所决定。经过计算该工作台的设计分辨率为0 0 2 m m 。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 r 厂 k 始! 、j 、n l x 心 1 , 3 y 方向滚动导轨副；2 轴a ：4 钢丝绳：5 轴b ；6 滑动联接板；7 x 方向滚动导轨 8 滑动联接板( 带激光反射镜) ：9 滑动联接扳( 带激光反射镜) 图2 4 钢丝绳牵引x 、y 轴扫描工作台示意图 2 3 3 铺粉装置 铺粉装置由工作活塞、送粉活塞、两个工作缸体、铺粉轮、驱动装置组成，如图2 , 5 。 步进电机驱动齿轮，每加工完一层后，工作活塞下降，送粉活塞上升，然后铺粉滚轮来自动 实现铺粉。该滚轮在两平行的齿带之间架设，由步进电机驱动，滚轮完成两个功能：a 铺粉：b 压紧。 1 送粉缸体：2 原材料粉：3 送粉活塞；4 从动齿轮 5 工作缸体；6 传动丝杠；7 主动齿轮：8 步进电机 图2 5 铺粉装置结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 2 3 4 控制软件 独立设计开发的激光烧结机控制软件有简单实用的特点，它包含下面几个功能模 块： ( 1 ) 零点定位功能 光功率； ( 2 ) 烧结实验功能 ( 3 ) 扫描烧结功能 ( 4 ) 其它辅助功能 2 3 4 烧结样件 具有系统零点，x 、y 方向零点和活塞定位功能，并能设定激 输入烧结速度，x 、y 坐标以及烧结激光功率进行烧结实验 由给定的数控代码进行烧结实验： 帮助及退出等。 在上位机中输入参数，烧结机可烧出各种形状复杂零件，图2 6 是用树脂砂制成的 烧结样件2 9 1 。树脂砂成本低，对于教学实验来说是很好的选择。对比“s ”形扫描路径 与分形扫描路径实验，我们发现分形扫描时形成的温度场较均匀【3 0 1 。 2 3 5 反向间隙 图2 6 烧结样件 采用钢丝绳牵引的原因主要是为了消除反向间隙。通过实验测试表明，该实验装置 x 方向的分辨率上达到o 0 1 8 m m ，y 方向的分辨率上达到o 0 1 9 m m ，反向间隙基本消除， 满足分形扫描路径的要求，由于滑轮直径精度低导致与分辨率设计值有偏差a 2 3 6 试验样机优缺点 1 4 华中科技大学硕士学位论文 综上所述，试验样机基本达到了设计要求，说明了分形扫描路径确实明显提高了零 件的质量，是一种可行的扫描路径方法。但同时也发现了整个系统的一些不足。 优点： ( 1 ) 钢丝绳牵引：钢丝绳牵引的二维工作台消除了传动间隙、反向间隙，成本低； ( 2 ) 机械结构简单，基本达到设计要求； ( 3 ) 烧结时采用分形扫描算法，较大地提高了零件的烧结质量； ( 4 ) 软件和控制部分设计好，可靠性高。 缺点： ( 1 ) 铺粉机构设计不合理，因漏砂使得铺粉机构难以实现自动平整铺粉； ( 2 ) 扫描路径转折点比较多，如图2 7 所示。转折点使得该转点处扫描机构加速 度增大。为保证扫描机构正常工作，扫描速度不得不放慢： ( 3 ) 烧结区域过小，设计失误导致实际烧结区域比设计区域小；： ( 4 ) 基于i s a 插槽的专用控制卡已不适合当前计算机的发展。 2 4 本章小结 ( a ) 二次迭代 图2 7 分形路径 本章通过比较“s ”形和分形扫描路径这两种方法，说明了采用分形扫描路径烧结 的零件比采用传统的“s ”形扫描路径的要好。对原烧结机样机的分析，指出了样机的 优缺点，为选择性激光烧结机中试装置提供了设计基础。 华中科技大学硕士学位论文 3 新型选择性激光烧结机的设计 针对选择性激光烧结样机的不足，我们设计出了新型的选择性激光烧结机，不仅弥 补了原有的不足，同时精度方面也有所提高。 设计之前，我们对选择性激光烧结的零件的精度和铺粉辊筒的运动参数进行了分 析，为设计提供了理论基础和设计依据。 3 1 零件精度分析 目前，制约快速原型技术发展的一个关键因素是制造过程中零件的精度问题。如何 控制零件的误差，达到零件的设计精度是快速原型领域内的主要研究方向之一。为了探 讨并解决快速原型技术中的误差问题，本文对激光烧结成型机理、激光烧结参数、铺粉 方式等进行了分析，得出在整个工艺过程中，影响零件精度的主要因索有：零件造型、 粉末材料的物理特性、烧结过程、设备及烧结参数等。下面对这些因素分别进行讨论。 3 1 1 零件造型 一般情况下，在采用快速原型技术制造三维制件的过程中，首先在计算机上建造一 个三维实体模型，并将该模型表面三角化，形成s t l 格式：然后从高度方向( z 轴方向) 上按照一定的厚度逐层切片，形成一系列离散的二维切片；得到二维切片后，由快速原 型系统近似复现原来的三维模型，形成制件f 3 1 - 3 2 1 。这实际上就是一个从离散数据到连续 实体的变换过程，亦即从采样到复现的过程。从某种意义上讲，在这种采样与复现的过 程中，三维模型表面三角化过程中所形成的模型误差及切片过程中所形成的采样误差是 快速原型误差的主要来源。 3 1 1 1 模型误差 一个三维曲面体表面三角化过程中，其s t l 模型采用内弦线或外切线两种方式来表 示圆弧。当采用内弦线时，实体小于原设计模型，形成负偏差；当采用外切线时，实体 大于原设计模型，形成正偏差。这种偏差在形成s t l 文件时已经产生，间接影响制件的 最终精度。对于同一个实体表面，形成s t l 模型时，细分的三角形越多，模型误差也就 越小。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 i 1 2 采样误差 沿模型高度方向切片时，切片厚度过大则会忽略局部细微特征；反之，将延长加工 时间，使生产效率降低。选择切片厚度的问题，也就是合理选取采样频率的问题，是减 小切片误差的有效途径。在目前的实际应用中，切片厚度通常在0 0 5 0 3 m m 范围内取 值。 3 1 2 粉末材料的物理特性 粉末的物理特性如粒度、密度及流动性等均对零件的误差有影响。其中粉末粒度和 密度在烧结过程中对零件的位置精度有显著影响。如在球体类零件的烧结过程中发现， 从外观上看，球体变成了椭球体，而且零件的中心也偏离了初始位置，向下移动了一段 距离。从误差角度来讲，上述即为零件的垂直位置误差。从理论上分析可知，这是在烧 结过程中由负载和压缩造成的【3 3 】。零件的垂直位置误差分布见图3 1 ，可以看出粉体中 部的位移最大，顶部和底部的位置误差较小。底层虽承受较大负载，但由于接近硬底面 而误差较小；顶层虽有较多的粉末被压缩到下面，但由于上面的负载很小而位置误差也 较小：而中部粉末则由于有较大的负载和大量粉末被压缩而表现出较大的位置误差。该 误差与材料有很大关系，粒子的尺寸和形状对误差值有显著影响。粉末粒子越细，位置 误差越大。为了减小该误差，国外有资料介绍了一些方法来固定粉末位置，如在每一层 面喷洒薄层水雾以及临时的化学辅助物等可以减小粉末的可压缩性从而减小层的位移。 砉 鲥 趔 删 黼 位置偏移量刀um 图3 1 零件的垂直位置误差分布 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 1 3 烧结过程影响参数 3 1 3 1 激光光斑直径 激光烧结成型是一种分层制造技术，是利用激光束的能量熔融粘结粉末粒子的过 程。因此，层的厚度、激光束光斑直径和粒子尺寸决定了零件的制造精度。层厚所产生 的误差在上面切片误差中有所阐述，在此不再讨论。对于每一个系统，激光束光斑直径 是固定的。本系统中光斑直径为0 3 m m ，而粉末粒子的直径范围在5 0 2 0 0 u m 之间【3 ， 光斑直径对零件制造精度的影响在某种程度上掩盖了粒子尺寸的影响。在零件每一截面 的边缘，与设计截面相比，存在着一个i 2 光斑直径的增量，即在零件的外轮廓有尺寸 增大的现象。 3 1 3 2 热影响区 另外一个影响比较明显的因素是热影响区。因为，在零件的边缘，激光功率增大和 减小瞬间，激光射入到的是粉体上一点，在该点，由于热影响区的存在，扫描点周围的 粉末微粒部分熔融聚集而形成松散的粉粒聚集物，并没有烧结成实体。当激光束沿着扫 描线扫描时，由于连续的点的扫描，在扫描方向的一侧松散的聚集物在激光束的作用下 转化为扫描线实体的一部分。上述表明：在零件的边缘处，无论是“s ”形扫描路径还 是分形扫描路径与零件轮廓的交叉点都存在着这种松散的聚集物。在“s ”形扫描路径 中，在零件层面的第一条和最后一条扫描线上，平行存在两条松散聚集物。这层聚集物 在形成过程中，其密度、尺寸以及物理特性均不一致，由此影响着最终烧结零件的表面 粗糙度、尺寸精度及形状精度。热影响区所造成的这种误差是不可避免的，但可以通过 调节某些参数来尽量减小该影响，影响热影响区的因素主要有光斑直径、激光功率、扫 描间隔及扫描速度等。 3 1 3 3 烧结参数 s l s 工艺中的烧结参数主要有激光功率、扫描速度、扫描间隔以及层厚等。在这些 参数中，影响零件表面粗糙度的参数主要是扫描间隔和层厚。而对于零件的尺寸精度和 形状精度来说，则是上述因素的综合作用。在激光束扫描每一条直线时，该扫描线从开 始的液相到最终固相的固化过程中，由于材料性状的改变而引起体积变化，导致扫描线 在长度方向收缩，从而引起扫描线的弯曲变形。扫描速度不同，变形量也不同。至于变 形的方向则由扫描间隔来确定。在试验过程中，可以看到产生该变形有一个明显的时间 华中科技大学硕士学位论文 效应，即在激光束扫过后，粉末从熔融状态到固相状态有一定的固化时间。如果在该时 间段内对此处再从另个方向进行扫描，则可以改变其固化取向，使得变形方向发生改 变，以减缓边缘的变形现象。 激光功率密度由激光功率和光斑大小决定p ”。在固态粉末的选择性烧结中，激光功 率密度和扫描速度决定了粉末的加热温度和时间。如果激光功率密度低而扫描速度快， 则粉末来烧结，制造的零件强度低或根本不能成形。但如果激光功率密度太高而扫描速 度又低，则会引起粉末气化，此时烧结密度会增加，但也会使烧结表面凹凸不平，影响 层与层之间的连结，使零件内部组织和性能不均匀，影响零件质量。激光扫描间距即相 邻两激光扫描行之间的距离。激光扫描间距的大小影响输入给粉末