（材料加工工程专业论文）光固化快速成型工艺的精度研究与控制.pdf

摘要 摘要 光固化快速成型技术由于其制作过程智能化、成型速度快、自动化程度高 和产品生产周期短等特点，成为国内外应用、发展最迅速的快速成型技术之一。 随着制造业对这一技术的广泛关注，制件的精度问题对其质量有着至关重要的 影响。因此，对光固化快速成型工艺的精度研究与控制具有极其重要的现实意 义和应用价值。 本文对影响光固化快速成型工艺精度的因素进行了理论分析和确定，并具 体阐述了各因素对成型精度的影响。以s p s 6 0 0 激光快速成型机为实验平台，采 用d s ms o m o s1 4 1 2 0 型光敏树脂对光固化制件进行了基础性实验研究，为本 文通过优化加工工艺参数提高光固化成型精度的实验研究提供了知识源。 在对光固化快速成型的生产工艺和制件精度研究的基础上，针对光固化加 工工艺参数优化这一复杂的实际组合优化问题，以固化线宽和固化深度作为最 终优化目标，找到_ 个多目标优化的方法，基于人工神经网络与模拟退火一改 进遗传算法建立光固化快速成型加工工艺参数的优化系统，从而获得最优工艺 参数组合。 针对人工神经网络中的b p 算法的缺点，从结构和算法上对其进行了改进， 利用改进的b p 算法，建立了光固化快速成型工艺的优化建模和仿真预测子系统， 其中可以建立高稳定性、高精度的关系模型，可以比较准确地预测光固化制件 的精度控制指标。 本文对遗传算法进行了深入研究，针对其缺点进行了改进。分析改进的遗 传算法与模拟退火算法各自的优势，将二者结合，提出了模拟退火一改进遗传 算法，该算法继承了改进的遗传算法的全局搜索能力与模拟退火算法的局部搜 索能力，提高了收敛速度、精度与稳定性。在建模和仿真预测子系统的基础上， 建立了基于模拟退火一进遗传算法的优化子系统，该系统针对多个工艺参数和 双目标函数的光固化精度优化问题，可以进行高效、准确的工艺优化。 关键词：光固化快速成型；人工神经网络；工艺参数优化：b p 算法；模拟退火 一改进遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ( s l a ) b e c o m et h em o s tw i d e l yu s e da n d r a p i dd e v e l o p e dr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n i q u ea l lo v e rt h ew o r l d ，b e c a u s e o ft h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r ei s i n t e l l i g e n c ea n da b i l i t y , t h er a p i ds p e e do f p r o t o t y p i n g ，t h eh i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，t h es h o r tp r o d u c i n gp r o c e s so fp r o d u c t a n ds oo n a l o n g 、) l ，i t ht h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yt ot h i st e c h n i c a lw i d e s p r e a d a t t e n t i o n ，t h ep r e c i s i o no fp r o t o t p ei sv e r yi m p o r t a n tt oi t s os t u d yo nt h ep r e c i s i o n o fs l aa n dc o n t r o lm e a s u r e sh a v ev e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n d a p p l i c a t i o nv a l u e t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c e dt h ep r e c i s i o no fs l aa r et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d d e t e r m i n e di nt h i sa r t i c l e ，a n dt h ef a c t o r st ot h ep r e c i s i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e f o u n d a t i o n a le x p e r i m e n t a ls t u d yo fp r o t o t p eb a s e do nt h el a s e rr pm a c h i n es p s 6 0 0 a n dp h o t o s e n s i t i v er e s i nd s ms o m o s1 412 0 t op r o v i d et h ek n o w l e d g es o u r c eo f i n c r e a s i n gt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ep r e c i s i o no fp r o t o t y p i n gf o rt h i sa r t i c l e t h r o u g ht h eo p t i m i z e dc r a f tp a r a m e t e r i nt h ef o u n d a t i o no ft h ec r a f to fp r o d u c t i o na n dt h e p r e c i s i o no fp r o t o t p e r e s e a r c ho fs l a ，o p t i m i z e st h i sc o m p l e xa c t u a lc o m b i n a t i o no p t i m i z a t i o nq u e s t i o ni n t h ec r a f tp a r a m e t e ro fs l a ，b yt h es o l i d i f yl i n ew i d t ha n dt h es o l i d i f yd e p t ht o o k f i n a l l yo p t i m i z e st h eg o a l ，t h i sa r t i c l eh a df o u n dam e t h o dw h i c hm u l t i o b j e x t i v e s o p t i m i z e s ，h ae s t a b l i s h e ds l ac r a f tp a r a m e t e ro p t i m i z e ds y s t e mb a s e do na r t i f i c a l n e u r o nn e t w o r k ( a n n ) a n ds i m u l a t e da n n e a l i n g t h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ， t h u so b t a i nt h em o s ts u p e r i o rc r a f tp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n i nv i e wo fa n nb p a l g o r i t h m ss h o r t c o m i n g ，m a d et h ei m p r o v e m e n tf r o mt h e s t r u c t u r ea n dt h e a l g o r i t h m u s e t h ei m p r o v e db pa l g o r i t h mt oe s t a b l i s h t h e m o d e l l i n ga n dt h es i m u l a t i o nf o r e c a s ts u b s y s t e mf o rt h es l ac r a f to p t i m i z e s ，i n w h i c hc a ne s t a b l i s h t h eh i g hs t a b l ea n dt h eh i g l lp r e c i s i o nr e l a t i o n a lm o d e l ，m a y a c c u r a t e l yf o r e c a s ts l ap r o t o t y p e sp r e c i s i o nc o n t r o lt a r g e t t h i sa r t i c l eh a sd e e pr e s e a r c ht ot h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，m a d et h e i m p r o v e m e n to fi t ss h o r t c o m i n g ，a n a l y s i se a c hs u p e r i o r i t yo ft h ei m p r o v e dg aa n d i i u n i o n , p u tf o r w a r dt h es i m u l a t e d hi n h e r i t a n c et h eo v e r a l ls i t u a t i o n s e a r c ha b i l i t yo ft h es a ，e n h a n c e d t h es p e e do fr e s t r a i n i n g ，t h ep r e c i s i o na n dt h e s t a b l e i n t h ef o u n d a t i o no ft h e m o d e l l i n ga n dt h es i m u l a t i o nf o r e c a s tt h es u b s y s t e m ，h a se s t a b l i s h e dt h eo p t i m i z e d s u b s y s t e mb a s e do ns i m u l a t e da n n e a l i n g t h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，w h i c h s y s t e mi nv i e wo ft h em a n yc r a f tp a r a m e t e ra n dt h ed o u b l eo b j e c t i v es u b s y s t e m f u n c t i o no fs l a p r e c i s i o no p t i m i z a t i o np r o b l e m ，m a yc a r r yo l lt h eh i g he f f e c t i v ea n d a c c u r a t e l yc r a f to p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ；t h eo p t i m i z a t i o no fc r a f tp a r a m e t e r s ； a r t i f i c a ln e u r o nn e t w o r k ；b pa l g o r i t h m ；s i m u l a t e da n n e a l i n g - t h e i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m i i i 、 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 快速成型技术概述1 1 1 1 快速成型技术简介1 1 1 2 快速成型技术分类2 1 2 研究背景、目的及意义。4 1 2 1 研究背景4 1 2 2 研究目的及意义5 1 3 国内外研究现状6 1 3 1 国外r p 技术的研究现状6 1 3 2 国内r p 技术的研究现状6 1 4 论文的主要工作7 第2 章光固化快速成型工艺的理论分析：9 2 1 光固化快速成型工艺的原理9 2 2 光固化快速成型工艺的特点及适用范围1 0 2 2 1 光固化快速成型工艺的特点1 0 2 2 2 光固化快速成型工艺的适用范围1 1 2 3s p s 6 0 0 激光快速成型机1 1 2 3 1s p s 6 0 0 配置及性能1 1 2 3 2 硬件部分1 2 2 3 3 软件部分1 4 2 4 本章小结1 4 第3 章光固化快速成型工艺的精度研究1 5 3 1 前期数据处理1 6 3 1 1s t l 格式文件转换误差1 6 3 1 2 分层处理误差1 7 3 2 成型加工误差1 7 i v 录 3 3 后处理误差2 2 3 4 本章小结2 3 第4 章光固化快速成型工艺精度控制实验研究2 4 4 1 实验一2 4 4 1 1 实验准备 4 1 2 实验过程 4 1 3 实验数据 4 1 4 实验分析 2 4 2 5 3 0 3 2 4 - 2 实验二3 3 4 2 1 实验设计。3 3 4 2 2 实验过程及数据处理3 4 4 2 3 实验分析3 5 4 3 本章小结3 6 第5 章基于人工神经网络的建模和仿真预测3 7 5 1 人工神经网络概述3 7 5 1 1 基本原理3 7 5 1 2 基本特点及应用3 8 5 2b p 网络及其改进3 9 5 2 1b p 网络模型3 9 5 2 2b p 网络的学习过程4 1 5 2 3b p 算法的改进方案4 2 5 3 精度优化的建模和仿真预测子系统4 3 5 3 1 建模和仿真预测子系统流程4 3 5 3 2 软件开发工具选择4 4 5 3 3 界面介绍4 5 5 4 成型工艺的实际应用4 6 v 7 7 8-1，_，l 目录 5 4 1 实验样本4 6 5 4 2 建立关系模型4 7 5 4 3 关系模型的仿真4 8 5 4 4 制件精度的预测4 9 5 5 本章小结5 1 第6 章基于模拟退火一改进遗传算法的优化。5 2 6 1 遗传算法5 2 6 1 1 基本原理5 2 6 1 2 主要步骤及流程5 2 6 1 3 基本特点。5 3 6 2 遗传算法的改进5 3 6 2 1 改进途径5 3 6 2 2 主要步骤及流程5 4 6 2 3 基本特点5 5 6 3 模拟退火算法5 5 6 3 1 基本原理5 5 6 3 2 主要步骤5 6 6 3 3 基本特点5 7 6 4 模拟退火一改进遗传算法5 7 6 4 1 基本原理。5 7 6 4 2 基本特点5 8 6 5 成型工艺精度的优化子系统5 8 6 5 1 优化子系统流程。5 8 6 5 2 界面介绍5 9 6 6 在精度控制中的实际应用6 0 6 6 1 双目标函数的统一化6 0 6 6 2 工艺参数优化6 1 6 6 3 优化后处理6 3 6 6 4 实验验证6 4 v i 录 6 4 6 1 ； 6 5 6 6 至i 谢6 7 参考文献。6 8 攻读学位期间的研究成果7 2 v l i 1 1 1 快速成型技术简介 随着科技进步与全球市场一体化的形成，制造工业已经从长周期、单品种、 大批量向短周期、多品种、小批量的方向发展。因此，快速响应市场需求，已 成为制造业发展的重要走向。随着计算机、新材料、信息化、自动化和现代化 企业管理技术的发展，产生了一批新的制造模式与制造技术，制造工程和科学 取得了很大的成就i l 】。快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术能在很短的时间 内直接制造产品的样品，无需传统机械加工设备与工艺，从而明显地缩短了产 品投放市场的时间，增强了企业的竞争能力。目前，r p 技术是近年来增长速度 最快的工业领域之一，也是世界上发展速度最快的制造技术。因此，为顺应世 界发展潮流，我国已把r p 制造技术列为高新技术。 r p 技术是一种集计算机辅助设计( c a d ) 、计算机数字控制( c n c ) 、激 光、精密机械、高分子材料等学科于一体的高新技术，能够快速将c a d 三维模 型制造成实物原型。它的基本原理是离散和堆积，采用逐层的方法直接制造零 件原型，不同于传统的加工方法【2 】。其基本过程( 见图1 1 ) 是： 图1 1 快速成型过程 ( 1 ) 构造三维模型：设计者采用三维c a d 软件直接设计，或采用实体反 求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 采集原型的材料、几何形状和结构的组合信息，得 到样品的三维模型。 第1 章绪论 ( 2 ) 模型近似处理：由于产品上存在一些不规则的自由曲面，加工前必 须对其进行近似处理，也称为离散化。s t l 文件就是采用一系列小三角形( 每 个小三角形用三个顶点坐标和一个法向量来表示) 平面来逼近自由曲面这种方 式来得到三维模型文件。三角形可以选择不同的大小，从而获得不同的曲面近 似程度。 ( 3 ) 切片处理：运用切片软件，在模型上沿成型的高度方向进行切片处理 ( 每间隔一定距离) ，提取截面的轮廓。根据被成型件的精度、生产率要求来 选定间隔的大小。间隔越大，精度越低，但成型时间越短；否则反之。 ( 4 ) 成型：选用具体的成型工艺，根据切片处理的截面轮廓，在计算机控 制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品。 ( 5 ) 后处理：根据具体的成型工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性 能。 l i p 技术具有以下优点： ( 1 ) 生产过程数字化，技术集成度高。l i p 技术是一种典型的多学科交叉运 用技术，它集成了计算机、激光、数控、材料技术等现代科技成果【3 】。成型零件 和c a d 模型有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可以随时修改，随时 制造。 ( 2 ) 产品的制造成本和产品复杂程度无关。由计算机数据信息驱动设备进 行数字化制造，不需要专用的工具，采用分层加工，大大降低了材料加工难度。 ( 3 ) 绿色加工技术。由于r p 技术采用激光技术，激光和材料相互作用的 过程是其加工过程。r p 技术是一种非接触、无振动、无磨损、噪音小、少量废 屑，基本上对环境不会造成污染的加工技术，而且节省材料，有利于环保【4 】。 ( 4 ) 产品的单价和批量几乎无关。特别适用于新产品的开发与单件小批量 零件的生产需求。与传统方法结合，可以实现快速铸造、快速模具制造等功能。 综合上述优点，由于r p 技术具有高效率、经济性等优点，使它从推出后就 受到产业界及学术界的广泛关注，它必将成为2 1 世纪的一种先进加工技术。 1 1 2 快速成型技术分类 经过2 0 多年的发展，l i p 技术有较大发展，应用十分广泛，尤其在汽车 制造、建筑、航天航空、卫生医疗、家电和娱乐等领域有广泛的应用。目 前基于l i p 技术开发的工艺种类比较多，可根据使用材料的形态( 固态、液 2 方法进 或立体 ( 2 ) 叠层实体造型( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) 叠层实体制造也称薄形材料选择性切割，由计算机、原材料存储、热粘压 机构、送进机构、可升降工作台、激光切割系统、数控系统和机架等组成。l o m 技术将单面涂有热熔胶的纸片通过加热辊粘结在一起，采用激光器按照c a d 分 层模型所获得的数据，用激光束将纸切割成所制原型某一层的内外轮廓，使刚 切好的一层与下面已切割层粘结在一起。通过逐层切割、粘合，最后将不需要 的材料剥离，得到原型【5 1 。主要优点是： 1 ) 成型精度高； 2 ) 不需要支撑结构； 3 ) 不需要后固化处理； 4 ) 原材料价格便宜，成本低。 ( 3 ) 选择性激光烧结( s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ，简称s l s ) 选择性激光烧结法也称为选区激光烧结，采用c 0 2 激光器作为能源，在工作 台上均匀铺上一层很薄的粉末，厚度约为1 0 0 , m 2 0 0 9 m 。激光束在计算机的 控制下，按照原型的分层轮廓选择性地进行烧结，区域内的粉末烧结在一起， 区域外的粉末仍是松散的。当一层扫描完毕，向下移动工作台，控制完成新一 层的烧结。全部烧完后去除多余粉末，再进行打磨、烘干等后处理，便获得原 型【6 】【7 】。主要优点是： 1 ) 材料利用率高，成型速度快； 2 ) 原则上不需要支撑结构； 3 ) 材料选择范围广泛； 4 ) 可以直接得到金属件。 ( 4 ) 熔融层积技术( f u s e dd e p o s i t i o nm a n u f a c t u r i n g ，简称f d m ) 熔融沉积法也被称为丝状材料选择性熔覆或熔丝沉积法，由喷头、运动机 构、送丝机构、加热工作室和工作台等部分组成。f d m 设备的喷头受c a d 分层 数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，制造成丝状或点状单 元，经堆积形成层面，层面迭加，最终形成原型。主要优点是： 3 第1 章绪论 1 ) 精度高，表面质量好，容易装配； 2 ) 成型材料种类多，成型件强度高； 3 ) 无公害，可以在办公室环境下进行操作。 上述四种l 冲制造工艺是目前应用最普遍的，四种典型的r p 工艺比较如表1 1 所示。r p 制造方法的优选要从零件的功能要求，对原型精度、表面质量的要求 和制造成本等方面综合考虑。 表1 1 典型快速成型工艺的比较 r p 原型表面 复杂材料常用 运行生产设备市场 工艺 精度 质量 程度 利用率 材料 成本效率费用占有率 接近 s l a好优中等光敏树脂较高高较贵 7 8 1 0 0 简单或塑料、金属 l o m 一般较差较差较低高较便宜 7 3 中等 箔、纸 接近 塑料、石 s l s一般一般复杂 较高较低较贵 6 o 1 0 0 蜡、金属 接近 f d m 较差较差中等塑料、石蜡一般一般较便宜 6 1 1 0 0 ( 5 ) 三维印刷技术( t h r e ed i m e n s i o n sp r i n t i n g ，简称3 d p ) 三维打印也称为粉末材料选择性粘结，采用粉末材料成型，如金属粉末、 陶瓷粉末。材料粉末通过喷头用粘结剂将零件的截面“印刷在材料粉末上， 粘结剂粘结的零件强度较低，还需要进行后处理，即先烧掉粘结剂，然后高温 渗入金属，使零件致密化，以提高强度。主要优点是： 1 ) 成型设备便宜； 2 ) 成型速度快。 1 2 研究背景、目的及意义 1 2 1 研究背景 虽然s l a 是公认的精度最高的r p 方法，它具有材料利用率接近1 0 0 ，制作 效率高等优点，能够成形特别精细( 如首饰、工艺品等) 、形状特别复杂( 如 空心零件等) 的零件；也适用于微小机械加工领域。用s l a f l ；s j 作的快速原型的表 面光洁度好、透明晶莹、硬度和强度都很高，可直接作为功能件。但是，阻碍 r p 技术推广的原因除了r p 设备价格问题和材料问题外，成型精度是影响r p 技术 4 的表面 成型工 艺的实 验方案，采用实验与理论分析的法，研究s l a 工艺过程和加工工艺参数对制件精 度的影响规律，并对其加工工艺参数进行优化，为实际应用提供理论和工艺方 面的指导性依据。 1 2 2 研究目的及意义 本课题来源于江西省教育厅科技项目“逆向工程与快速模具的开发研究 和江西省科技厅科技支撑项目“生物医用材料性能及其快速成形系统软件开 发 。由于r p 工艺研究的不断深入，r p 零件精度也不断提高，并且随着r p 设备 的制造商的不断增加，精度问题能够精确地、客观地评价一台机器或者一种成 型工艺所能达到的精度能力，无论是对成形设备的制造商、用户还是研究者们， 都具有非常重要的意义。 对于s l a ，零件精度和零件的大小、结构特点具有十分密切的关系，而与复 杂程度关系不大。因为成型工艺、材料的性能对零件精度起着非常重要的作用， 所以为获得高精度零件，既需要比较高的机器精度，也必须有可靠的成型工艺 做保h 正l s l 。由于s l a 具有多学科的交叉性和多项技术的集成性，其研究涉及的领 域非常多，有待解决的问题也很多。 为此，本课题从提高制件精度，优化成型加工工艺参数出发，制定光固化 成型工艺的实验方案，采用实验与理论分析的方法，研究s l a 工艺过程和加工工 艺参数对制件精度的影响规律，并采用人工神经网络和模拟退火一改进遗传算 法对工艺参数进行优化。现在对于s l a 中的工艺参数的取值基本是靠人的经验来 确定的，若树脂材料、成形设备或成形制件的几何形状发生变化，则工艺参数 必须重新通过大量的实验确定，而造成材料浪费严重、工作量大、导致成本增 高和效率降低，因此将人工智能技术应用于r p 技术中，已成为未来r p 技术发展 的一个重要方向。 5 第1 章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外r p 技术的研究现状 r p 技术是多种技术的高度集成，涉及的研究领域较多。为提高r p 的质量( 包 括原型的强度、精度与制作效率等) ，r p 设备的开发者和相关技术的研究学者， 进行了大量的研究和实验工作，采取了大量的有效措施，使r p 技术日趋成熟。 近年来，对于各种r p 技术，成型设备、材料等发面都有很大的发展。从1 9 9 9 年至今，3 ds y s t e m s 公司相继推出s l a 7 0 0 0 、v i p e rh as l a 、v i p e rs l a 等机型， 尤其是最新的v i p r e r 系统，可同时实现整体与部分两种解决方案。h e l i s y s 公司研 制出多种l o m 工艺所用的成型材料，可以制造用金属薄板制作的成型件。 a u t o s t r a d e 公司( 日本) 研制了以约为6 8 0 n m 波长半导体激光器为光源的r p 系统和针对该波长的可见光敏树脂。澳大利亚的s w i n b u m i 业大学研制了适用于 l o m i 艺的金属塑料复合材料 9 1 。苏格兰的d u n d e e 大学采用c 0 2 激光器切割薄 钢板，利用焊料或粘接剂制作成型。最近推出的t i ，e d e n 3 3 3 t m ，f d m m a x u m 刑，p r o d i g yp 1 矗聊，t r i p l e t s t ma n df d mv a n t a g e t m 系列生产线，其设备 的尺寸逐渐减小，适应了当今社会桌面化的发展趋势。d t m 公司研制出 s i n t e r s t a t i o n 系列成型机和多种成型材料，其中s o m o s 材料具有橡胶特性，抗化学 腐蚀、耐热【l o 】。3 ds y s t e m s 新推出的s i n t e r s t a t i o nh i qs y s t e m 拥有更高的生产效率 与改善制件质量的智能热控系统；e o s 公司推出p a 3 2 0 0 g f 尼龙粉末材料，用其 制作的零件具有较好的表面光洁度与较高的精度。 近年来，有关r p 方面的书籍、杂志与国际会议相继出现，例如：b u m s 、j a c o d s 、 j o h n s o n 、b i n s t o c k 和w o o d 等分别发表了有关r p 方面的著作或书籍。新出版的有 关r p 方面的学术期刊包括r a p i dp r o t o t y p i n g ( 季刊) 、r a p i dp r o t o t y p i n gj o u r n a l ( 季刊) 、v i r t u a lp r o t o t y p i n gj o u r n a l 和r a p i dp r o t o t y p i n gr e p o r t ( 月刊) 等。学 术会议由全美快速原型制造会议、欧洲快速原型与制造技术会议、国际制造过 程自动化会议和国际快速原型与制造会议等。快速原型和制造技术迅速在工业 界和学术研究界占有了非常重要的地位，正如其本身所具备的快速特征一样。 1 3 2 国内r p 技术的研究现状 国内i 冲技术的研究始于1 9 9 1 年，近几年，我国r p 技术发展迅速，已研制出 与国外s l a 、l o m 、s l s 、f d m 和3 d p 等工艺方法相似的设备，并逐步实现商品 6 第1 章绪论 化，其设备性能达到了国际水平【1 1 1 。在国家教委、国家自然科学基金委员会、 机械工业部和部分地方政府和科委的支持下，清华大学、华中科技大学、南京 航空航天大学、西安交通大学等高等院校和北京隆源公司等高新技术开发公司 等都在r p 技术的研究与应用方面取得了显著成果，这些成果包括r p 理论、i 冲工 艺原理、方法和控制技术、c a d 数据处理软件、成型材料、成型设备和成型精 度等方面。 在基于r p 技术的快速模具制造的技术方面，我国也取得了很大的进步，清 华大学最先引进美国3 ds y s t e m s 公司的s l a 2 5 0 设备和技术，并且进行研究、开 发，现已开发出“m r p m s i i ”型多功能r p 的制造系统。这是我国自主知识产 权的世界唯一拥有两种i 冲工艺的系统【1 2 1 。此外，清华大学主要研究r p 方面的现 代成型学理论与f d m 工艺，并开展了基于s l a i 艺的金属模具研究；南京航空 航天大学研制了基于s l s 的r a p 系统；西安交通大学研制了基于s l a 的l p s 和 c p s 系统；华中科技大学开发了以纸为成型材料的基于l o m 的h r p 系统；北京隆 源公司开发了基于s l s 的a f s 系统；在基于r p 技术的快速制造模具方面，华中科 技大学研究出一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具与铸铁模块； 隆源公司的r p 服务中心为企业研制了多种精密铸模。在模具制造业，可以利用 i 冲技术制得的快速原型，结合硅胶模、精密铸造、金属冷喷涂、离心铸造、电 铸等方法生产模具；r p 技术制造出来的快速原型也可直接作为模具。但总的说 来，与工业化国家相比，我国r p 技术的研究和应用仍存在一定的差距。 1 4 论文的主要工作 本文对光固化快速成型技术中的加工过程进行了分析，针对光固化成型过 程中制件的尺寸精度低的问题，从调整光斑直径和工艺参数、对加工工艺参数 进行优等方面进行了研究和初步的探索。本文共分为七章，各章的主要内容如 下： 第一章介绍快速成型技术的成型过程、优点和几种主要的快速成型工艺，阐 述了选题的研究背景、研究目的和意义及目前国内外快速成型的研究 现状。 第二章介绍光固化快速成型技术的基本原理、工艺过程、特点和适用范围， 同时介绍了实验所用设备s p s 6 0 0 的关键部件配置、工作环境要求和详 7 第1 章绪论 细的技术参数。 第三章对影响光固化快速成型精度的因素进行了分析和确定。根据光固化快 速成型的工艺流程，成型误差主要分为三类：前期数据处理、成型加 工误差和后处理阶段对精度的影响，并分别对其进行了详细分析。同 时对扫描固化过程进行理论分析，进而找出各工艺参数对扫描过程的 影响。第三章中阐述的内容是本课题开展研究的基础。 第四章以西安交通大学研发的s p s 6 0 0 激光快速成型机和d s ms o m o s1 4 1 2 0 型树脂为实验对象进行实验分析，从改进材料的配方、设计合理的支 撑结构、优化扫描加工工艺参数三方面进行综合考虑对光固化快速成 型制件精度的影响，为优化加工工艺参数提供了知识源。 第五章介绍人工神经网络的原理、特点和应用，针对b p 算法的缺点，对其进 行了改进。利用软件开发工具m a t l a b 通过改进b p 算法建立了光固化 快速成型的精度优化模型，并对工艺参数进行优化建模和仿真预测。 第六章介绍遗传算法、模拟退火算法的原理、主要步骤和流程、特点，针对 遗传算法的缺点，对其进行改进，将改进遗传算法和模拟退火算法结 合，提出模拟退火一改进遗传算法，对光固化快速成型的工艺参数进 行优化。 第七章对本文的工作进行总结，提出对后续系统完善的展望。 8 论分析 s l a 技术的发展从8 0 年代中期到9 0 年代后期，出现了十几种不同的r p 技 术，如：l o m 、s l s 、f d m 、3 d p 、s g c 、s d m 和l e n s 等。由于s l a 的一系 列优点与用途，自问世以来，发展非常迅速，成为目前世界上技术最成熟、研 究最深入、应用最广泛的r p 方法。从世界r p 技术市场的发展与变化来看，s l a 设备所占的市场份额最大，s l a 技术逐渐在r p 领域中占据主导地位。 s l a 也称为立体光刻、光造型、立体印刷等。s l a 的基本原理如图2 1 所 示，以光敏树脂为原料，首先将三维c a d 系统在计算机上构成产品的三维实体 模型( 图2 1 a ) ，再生成并输出s t l 文件格式的模型( 图2 i b ) 。然后利用切片 软件，沿着模型的高度方向进行分层切片，得到该模型的各层断面的二维数据 群s 。( n - 1 ，2 ，n ) ( 图2 i c ) 1 3 】。根据这些数据，计算机从下层s l 开始 按照顺序将数据取出，在液态光敏树脂的表面，通过一个扫描头控制紫外激光 束，扫描出第一层模型的断面形状，被紫外激光束扫描过的部分，由于光引发 剂的作用，引发预聚体和活性单体发生聚合而固化，产生一薄层固化层( 图2 i d ) 。 形成了第一层断面的固化层后，将基座下降一个设定高度d ，在该固化层表面上 再涂敷一层液态树脂。然后重复上述过程，第二层s 2 断面的数据进行扫描曝光、 固化( 图2 i c ) 。当树脂可以固化的厚度大于切片分层的高度d 时，下层固化的 树脂就可与上一层固化的树脂粘接在一起。然后第三层s 3 、第四层s 4 、， 这样层层固化、粘接，逐步按顺序叠加，直到s 。层为止，最终形成一个立体的 实体原型( 图2 i f ) 。 ( a ) c a d 三维造型( b ) s t l 格式模型( c ) 模型切片 9 第2 章光固化快速成型工艺的理论分析 盯雾掌臻崖1 - 激光裳 s l 么 。 - _ 乙乙- _ - - 一- i l - - 乙- j - - - - 奠液念 骘脂x 毫 。? ：? o ? ：? ? o f ：l = ( d ) 第一层s 1 的固化 ( e ) 第二层s 2 的固化( f ) 最后一层s 。的固化 图2 1 光固化成型过程 s l a 技术是一门多学科的交叉、多项技术的高度集成的技术，所以其整体性 能的发展依赖于各单元技术的发展。s l a 技术分为硬件、软件、成型工艺和材料 四个组成部分。各部分的发展相互促进，相互制约。硬件部分包括激光束光点 的精确扫描和定位、激光束精确光斑的获得、高精度、高效率、高可靠性的树 脂再涂层系统。软件包括整个成型过程的控制和面向用户的易操作性、数据处 理的快捷性与精确性。成型工艺是s l a 过程中的关键技术，制作的工艺决定零件 精度与成型效率。材料方面包括树脂各种性能的研究，如固化速度、粘度、固 化收缩率、机械性能等，还要考虑树脂的无毒无味、易储藏等要求。 2 2 光固化快速成型工艺的特点及适用范围 2 2 1 光固化快速成型工艺的特点 ( 1 ) 产品生产周期短。模具设计和产品可同步进行，几小时内便可完成传 统加工工艺几个月的工作量。 ( 2 ) 制作过程智能化，成型速度快，自动化程度高。s l a 系统极其稳定， 从加工开始后，整个成型过程完全自动化、快速化、连续化，直至原型制作完 成全部由计算机控n t l 4 】【1 5 1 ； ( 3 ) 尺寸精度高。快速激光原型真实、准确、完整地反映出所设计的制件， 包括其内部结构和外形，使原型更逼近于真实的产品。s l a 原型的尺寸精度可 达到0 1 m m ( 在1 0 0 r a m 范围内) ； ( 4 ) 表面质量优良。虽然在每层固化时曲面和侧面可能出现台阶，但是上 表面仍然可以得到玻璃状的效果，达到磨削加工的表面效果； ( 5 ) 无噪音、无振动、无切削，可以实现生产办公室化操作； ( 6 ) 可直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失模； 1 0 ( 1 ) 学术研究、分子与利用生物显微镜切片制作立体模型、遗传因子的立 体模型等； ( 2 ) 产品的外观设计和效果评价( 如汽车、建筑、家电、体育用品设计等) ； ( 3 ) 各类注