（机械电子工程专业论文）紫外光快速成型精度与工艺研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 光固化快速成型是国内外应用最为广泛的快速成型技术之一，在产品设计与评估、 功能铡试和快速锖模等方面起到越来越重要的作用。成型工艺参数的选择对成型件质量 的性能及精度有直接的影响。本文以国产的c p s 3 5 0 紫外光快速成型机为试验平台，在 理论分析的基础上，对光固化制件的成型精度与机械性能进行了大量的基础性试验研 究，共完成了三组正交实验。 探讨了光固化快速成型的机理，研究了液面波动、成型方向、后固化时间对光固化 制件精度的影响，分析了会聚角、光斑直径补偿、阶梯误差以及光固化制件在成型和后 固化过程中的翘曲变形对光固化制件的尺寸精度与表面精度的影响，通过试验得出了合 理的工艺参数，提高了光固化制件的尺寸精度与表面精度；并提出了减小光固化制件怒 曲变形的有效措施。 随着技术的发展与进步，光固化制件已经作为直接的商品为用户所用。因此，光固 化制件的机械强度就显得尤为重要。影响光固化制件机械性能的因素有很多，这些因数 有光敏树脂的特性、制作过程中周围的环境温度、激光的功率、制件固化后的后处理以 及制件加工的工艺参数。 针对多工艺参数对紫外光快速成型制件机械性能的影响，以紫外光快速成型制件的 抗拉强度、抗压强度、弯曲强度为测量指标，设计并进行了五因素四水平正交试验，利 用方差分析的方法，研究了扫描间距、分层厚度、扫描速度、成型方向及扫描方式对制 件机械性能的影响，给出了一定范围内的最佳工艺参数组合，这对光固化快速成型技术 的应用有一定的指导意义。 关键词：快速成型l 光敏树脂；成型精度；机械性能 紫外光快速成型精度与工艺研究 u v r a p i dp r o t o t y p i n gp r e c i s i o na n dp r o c e s ss t u d y 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 i so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g yi nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n i tp l a y sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei np r o d u c t d e s i g na n da s s e s s m e n t , f u n c t i o n a lt e s t i n ga n df a s tp a t t e r nm a k i n g t h ec h o i c eo fm a n u f a c t u r e p r o c e s sp a r a m e t e r sd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t ya n ds i z ep r e c i s i o no ft h ew o r k p i e c e t h i sp a p e r i sb a s e do nu l t r a v i o l e tl i g h tr a p i dp m m t y p i n gm a c h i n ec p s 3 5 0u vw h i c hi sm a d ei nc h i n a o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，al o to fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa b o u tm o l d i n g a c c u r a c ya n dm e c h a n i c a ls t r e n g t ho f s l a a r ec u r r i e dt h r o u g h t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e c h a n i s mo fs l s t u d i e sl i q u i dl e v e lu n d u l a t i o n , m o l d i n g d i r e c t i o n , a n dp o s t c u r et i m ee f f e c tt h ep r e c i s i o no fs l 九a n a l y z e st h ec o n v e r g e n c ea n g l e , s p o t d i a m e t e rc o m p e n s a t i o n ，l a d d e re r r o ra n dw r a c k i n gh o we f f e c tt h es i z ep r e c i s i o na n ds u r f a c e r o u g h l l e s $ t h r o b g he x p e r i m e n to b t a i nr e a s o n a b l ep a r a m e t e r s ，i m p r o v et h es i z ep r e c i s i o na n d s u r f a c ep r e c i s i o no fs l 九a n db r i n gf o r w a r ds o m ee f f e c t i v em e a s u r 髂f o rr e d u c i n gt h e w a r p a g eo fs l ap a r i s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，t h es l ap r o d u c t sa r ed i r e c t l yu s e db y c u s t o m e r s t h e r e f o r et h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho ft h es l a w o r k p i e c eb e c a m em o r ei m p o r t a n t t h e r ea r em a n yf a c t o r se f f e c tt h em e c h a n i c a ls t r e n g t hi n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fc u r a b l e r e s i n ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，l a s e rp o w e r , p o s t - p r o c e s s i n go fw o r k p i e c ea n dp r o c e s s p a r a m e t e r s ht h i sp a p e rm a k e st h et e n s i l es t r e n g t h , c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t ha s m e a s u r i n gg u i d e l i n e s ，d e s i g n sa n dc a n - l e so nf i v ef a c t o r sf o u rl e v e l so r i h o g o n a le x p e r i m e n t s u s e sv a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o dt os t u d yt h es c a n n i n gs p a c e , t h el a y e rt h i c k n e s s , t h es c a n n i n g v e l o c i t y ，t h em o l d i n gd i r e c t i o na n ds c a n n i n gm e t h o d t of i n dh o wt h e ya f f e c tt h ew o r k p i e c e s m e c h a n i c a ls t r e n g t h i nac e r t a i ne x t e n tp r o d u c e st h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r so fs l a w h i c hc a nb eag u i d a n c et ot h ea p p l i c a t i o no fs l 九 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 ；c u r a b l er e s i n ； m e c h a n i c a ls t r e n g t h i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：塾型日期 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连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“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连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。本人授权大连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。 惟普溉晕与越 导师签名： 丝年上月土日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 随着社会需要和科学技术的发展，人们生活水平不断提高，其消费也日趋个性化， 对工业产品不断地提出更新的要求，产品的竞争愈来愈激烈，从卖方市场转化为买方市 场并且日趋全球化。在工业产品向多品种、小批量、高精度和复杂化方向发展的同时， 激烈竞争的市场迫使制造企业必须以更快的速度设计，制造出性能价格比高，而且能满 足人们需求的产品。为了保持企业产品在市场上的竞争力，要求产品的设计周期、生产 周期、投放市场的周期越来越短，因而要求设计者不但能根据市场的要求很快地设计出 新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出产品的样品，进行必要的性能测试，征求用 户的意见，并进行修改，最后形成能投放市场的定型产品如果采用传统的制造方法， 不但需要采用多种机械加工机床、工具、模具，还需要有高水平的技术工人，不但成本 高而且周期长，根本不能适应迅速发展的时代要求【1 - 5 】。一个新的产品在从概念设计到 推向市场的过程中，往往需要经过多次的设计修改，客观上需要一种可以直接将设计数 据快速转化为三维实体的技术。这样不但可以快速直观地验证设计的正确性，而且可以 向客户，甚至是可能的潜在客户提供未来产品的实体模型，从而达到早期占领市场的目 的【6 】。为了解决上述问题，近几年来出现了快速成型技术。 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r f ) 【刁，又称快速原型技术，是当今世界 上飞速发展的制造技术之一。快速成型是继2 0 世纪6 0 年代n c 技术之后制造领域的又 一重大突破，是先进制造技术中的重要组成部分它是计算机辅助设计和制造技术、激 光技术，材料科学技术和数控技术的综合应用。快速成型与制造技术的推广应用将明显 缩短新产品的上市时间，节约新产品开发费用。在缩短产品开发周期，降低产品开发成 本方面有着突出的优势，是近年来制造技术领域中最热门的研究课题之一 1 2l 冲技术的发展 快速成型技术属于先进制造领域，是特种加工工艺的一种 7 - 1 0 1 。快速成型将计算机 辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机数控技术( a 屺) ，激光、精 密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，是一项多学科交叉、多技术集成的先进制造 技术，如图1 1 所示。 激光 精密伺 服驱动 新材料 紫外光快速成型精度与工艺研究 图1 1 快速成型多种先进技术的集成 f i g 1 1r p i n t e g r a t i o no fm a n i f o l da d v a n c e dt e c h n o l o g y 快速成型是由c a d 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总 称，采用的是“分层制造、逐层叠加”的制造思想 1 1 j 。其基本过程是：首先设计出所需 零件的计算机三维模型( 数字模型、c a d 模型) ，然后根据工艺要求，按照一定的规 律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在z 向将其按一定厚度进行离散( 习惯称为 分层) ，把原来的三维c a d 模型变成一系列的层片：再根据每个层片的轮廓信息，输 入加工参数，自动生成数控代码：最后由成型系统成型一系列层片并自动将它们联接起 来，得到一个三维物理实体。如图1 2 所示。 离散过程，计算机处理 体零件 堆积过程。成型机实现 一j 二 图1 2 离散堆积原理图 f i g 1 2t h ep r i n c i p l es k e t c ho fd i s p e r s e - s t a c k 一2 一 淄 伽 ，；llili -_- 曰 t h 造型 - = 一制造 e c ，所以只有当z d d p h ( e y e 。) 时树脂才 会固化。所以固化深度c d 为： c 4 - d p h ( e a | e 0 c 2 5 ) 当直径为而的光斑沿x 轴方向匀速扫描一条直线时如图2 3 所示，x 轴方向每一树 脂微元面的曝光量都是相同的，而沿y 轴( 扫描线宽) 方向每一树脂微元面的曝光量则 是不同的。位于x 轴上的树脂微元的曝光量最大，固化深度也最深。 图2 3 光斑的直线移动 f i g 2 3f u l al i n em o v c 在光斑的半径范围内，y 的绝对值愈大( 离x 轴愈远) ，树脂微元的曝光量愈小。 当y 等于光斑半径d 以时，其曝光量为0 ，即在这种状态下，扫描出的固化线条的横截 面以z 轴( 固化深度方向) 为对称轴【4 3 l 。相关的研究已经证明，光斑下每一树脂微元面 的曝光量都是y 的函数，在一定的扫描速度下，当y 达到光斑的临界曝光直径y c ，即曝 光对阉t 与临界曝光时间t c 相等对，e - - e 。，树脂才会固化。临界曝光直径k 是扫描速 度的函数，扫描速度越大，y c 越小。当扫描速度超过一定值时，y 。- - - o ，使得e 恒小于 e c ，而不会产生固化扫描线条。反之，扫描速度越小，y 。越大。经过计算可知，单线扫 描的理论截面形状如图2 - 4 所示，为一条开口向上的抛物线。当光斑能量密度一定。以 不同扫描速度作匀速扫描时，固化线条的最大线宽k 与固化最大深度c d 是不同的，但 理论截面形状是相似的。如果紫外光束反复扫描时，扫描固化线组成的截面如图2 5 所 委煺 一熏 大连理工大学硕士学位论文 示，可以通过最大扫描线宽三。，重叠量d ，与扫描间距d 的关系， 之间的重叠系数。即重叠部分的宽度与最大扫描线宽之比： 西- d ，k 1 0 0 其中：d 。屯“ 紫外 未固化 鬯学、 r r1r 1 r1r 1r1t 车 7 、n哟 _ k ，扫描区域彼此分离，相邻的扫描固化线之间没有连接在一起或没 有重叠的部分，其相邻区域总的能量远小于树脂固化需要的能量，不能使相邻区域的树 紫外光快速成型精度与工艺研究 脂固化，此时的m 值为零或过小导致相邻两条扫描固化线之间粘结不牢，固化制件的 表面凸凹不平，甚至造成制件失败； ( 3 ) 当厶犯时，扫描固化线大部分重叠，其相邻区域总的能量远大于树脂固化 需要的能量，使相邻区域的树脂重复固化，此时的垂过大。紫外光照射区域总能量的分 布呈现波峰波谷，能量分布不均匀，因此树脂固化成型效率降低，并可能引起制件较大 的翘曲变形。 同样分层厚度也可以进行类似的分析，在实验过程中选取合适的分层厚度，从而得 到理想的光固化制件。 从以上分析可看出，对于同一性能的树脂，在相同的紫外光的照射下，通过合理地 选择扫描速度、分层厚度、扫描间距等工艺参数是提高光固化制件精度一条有效途径 大连理工大学硕士学位论文 3 加工参数对光固化制件尺寸精度的影响 由于光固化快速成型的原理及光敏树脂本身性能等条件，限制了制件尺寸精度、表 面精度迸一步提高本课题的试验是以西安交通大学研制的c p s 3 5 0 紫外光快速成型机 及其开发的x h - i i i 型树脂为试验对象，进行了大量的试验，分析了不同的参数组合对光 固化成型制件精度的影响，为优化光固化成型加工参数提供了理论依据和试验数据。 3 1 液面波动及光斑直径对光固化制件质量的影晌 3 1 1 液面波动对成型零件质量的影响 c p s 3 5 0 成型机的最大特点就是利用光纤把紫外光从灯箱中引出来，再用聚焦镜头 把光聚焦到树脂表面。光固化树脂接收的紫外光用曝光量( e x p o s u r e ) 来衡量，它表示 单位面积内接收的光能量，是光强对时间的积分。当液态光敏树脂接收的紫外光的曝光 量( 岛) 超过一定的阈值( 易) 后，才会产生凝胶，凝胶态是液态和固态之间的临界状态 删，此时，粘度无穷大，模量( y ) 为零。利用光纤传导光的方式，光能量的利用率很 低，而树脂受紫外光照射固化有一个临界曝光量( 昂) 的限制，当光能量太弱，低于阈 值( 疋) 时，树脂根本不会固化，因此聚焦镜头若离液面距离太大，则光能量太弱，直 接影响成型零件的固化效果。c p s 3 5 0 经聚焦透镜出来的光其会聚角为6 2 。会聚角越 大，聚焦越短，光线的发散也越严重。因此，使用紫外光源后，对液面的稳定性和平整 4 1 4 图3 1 液面波动对光斑直径的影响 f i g 3 1t h el i q u i ds u r f a c ew a v ee f f e c t i n go nt h ef a c u l ad i a m e t e rc h a n g i n g 紫外光快速成型精度与工艺研究 性提出了更高的要求，对液面的稳定性可以通过延长层间等待时间来取得波面的稳定， 对液面的平整性可以通过刮平装露来实现液面的平整性。 光敏树脂液面与凸透镜镜头之间的距离对在光敏树脂液面上形成的光斑大小具有 一定的影响，在实际的成型过程中液面的波动将影响两者之问的距离，如图3 1 所示。 假设在图3 1 中光斑在理想液面4 0 上的理想直径为幽，在实际液面4 上的实际直 径为d 。，却表示经凸透镜出来光的会聚角，6 表示液面的波动大小。则根据三角函数 可得： d l - d o + 2 x d x 留妒 ( 3 1 ) 从上式中可以看出在实际的成型过程中，影响实际液面的光斑直径d l 有而、6 、庐 三个因素，其中d 0 和妒是由光路系统决定的，而6 可以通过调整镜头的位置来改变，使 其达到最小，从而取得理想的光斑大小。由于c p s 3 5 0 快速成型机不同于激光成型机采 用的振镜扫描系统，而采用的是z y 扫描系统，该扫描系统的特点是镜头的焦距短、 会聚角大，焦距仅有5 r a m 、会聚角达到6 2 。因此，液面的微小的波动就将会影响液 面上光斑的大小，进丽影响制件的精度，严重的更会影响到试验的成败。根据式3 1 可 以得出： 6 d d l - d o - 2 x d 留妒 ( 3 2 ) 式中矿= 3 1 。，取6 = 0 1 m m ，则有 a du2 x d x t g 口, 一2 x o 1 x t 9 3 1 0 1 2 历掰 取光斑直径为d f l o m ，从而可知，当液面产生0 1 m m 的波动时，光斑直径就增大 了a d l d 。一o 1 2 1 0 - 1 2 ，可见液面波动对光斑直径的影响很大。影响液面波动的因素 主要有： 1 由于x y 扫描系统本身在运动过程中有振动，因此造成液面产生波动； 2 溢流系统流入的树脂量不均匀，从而引起液面产生波动； 3 每一层固化后，托板进行升降，如果液面稳定时间过短，会造成液面的不平； 4 c p s 3 5 0 成型机从树脂槽底部对树脂加热，这种加热方式会产生热对流，从而引 起液面的波动。 3 1 2 改进措施 根据上述分析，提高光固化制件的精度可以在两个方面采取改进措施：1 ) 光路系 统的调整，增大焦距，减小会聚角妒。2 ) 优化加工参数，选取适当的光斑直径补偿， 以获得良好的尺寸精度和清晰的轮廓形状的光固化制件。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 光路系统的调整 由公式3 1 可以看出，影响实际液面光斑直径d 。的主要因素有d o 、6 ，矿，根据式 ( 3 3 ) 从上式可以看出，实际液面光斑直径的变化量甜，与理想液面光斑直径的变化量弘。 成正比关系。 根据公式3 1 对d 求偏导，可得： 碧1 2 x 留妒 ( 3 4 ) 根据式3 4 可以绘制不同的会聚角庐、液位波动的交化量掰对实际液面光斑直径的变化 量磁。的关系图3 2 。从图中可以看出液位波动对实际液面光斑直径的影响随着会聚角妒 1 ： 二e 互互工j j 二黝 al 毒j ； 车 ；：j 科三差j j j 菱二臣妄曼匿三基三j罂l 0 0 0 一| 2 鳓簟0 0 j 私卜 卜 每每i 卜1 强三；臣兰三差三笙芝三圭三j 的增大而增大，从而说明减小会聚角毋可以有效地抑制液面波动对实际液面光斑直径的 影响。在相同的液位波动下，当会聚角咖减小到5 。时，液位波动对光斑直径的变化量减 紫外光快速成型精度与工艺研究 小到会聚角是3 1 。时的1 4 左右。而减小会聚角将使镜头到液面的距离增大，从而便于 调整镜头的位置，减小液位波动对光斑直径的影响。 根据式3 1 对毋求偏导，可得； ，j 导2 x 6 x $ e c 2 妒 ( 3 5 ) d 口 取液位波动量6 - 0 如撕，根据式3 5 可以绘制不同的会聚角妒对实际液面光斑直径的变 化量配。的关系图3 3 。从图中可以看出会聚角对实际液面光斑直径的影响随着会聚角毋 2 x 6 x s e 乎r 夕 _ ，一 051 0 5为 柏艏 会聚角6 嚏) 图3 3 会聚角对光斑直径变化量的影晴 f i g 3 3c o n v e r g e n c ya n g l ee f f e c t i n go nt h ef a c u l ad i a m e t e r 的增大而增大，从而说明减小会聚角庐可以有效地抑制液面波动对实际液面光斑直径的 影响。在相同的液位波动下，当会聚角庐小于f 时，会聚角对光斑直径的变化量影响很 小。因此减小会聚角妒会有效地抑制液面波动对光斑直径的影响。 ( 2 ) 调整光斑直径补偿提高制件尺寸精度 光斑直径是指在树脂液面上聚焦光斑的大小，它的大小决定了可制作零件的精细程 度。在光固化过程中，由于成型用的光点是一个具有一定直径的光斑，因此实际得到的 零件是光斑运行路径上一系列固化点的包络线形状，如图3 4 所示。图中虚线部分为光 斑的运动轨迹，在成型过程中光斑中心沿虚线运动，实线部分为实际成型零件，它是由 憎 懈 嘣 星| 蚴 嘣 谢 薹| 筮，pe翻掌斟嗥埘罱求霞君一掣制艟磁姐 大连理工大学硕士学位论文 固化点的包络线形成的。在零件的拐角处零件形状钝化，形成圆角，零件的轮廓形状变 差。从图3 4 可以看出，如果不采用光斑直径补偿，制件的实际尺寸要比设计尺寸大一 实际成型形状 光斑中心运行轨迹 d光斑固化直径 图3 4 光斑直径对制件的影响 f i g 3 4t h ef a c u l ad i a m e t e re f f e c t i n go nt h ep a r t 个光斑直径的尺寸，为了消除此误差，在实际的成型过程中采用光斑补偿，使光斑扫描 路径向实体的内部缩进一个光斑半径。从图3 5 可以看出采用光斑直径补偿和不采用光 斑直径补偿的区别。 一一 未采用光斑直径补偿时的扫描路径采用光斑直径补偿时的扫描路径 图3 5 光斑直径补偿示意图 f i g 3 5t h ef a c u l ad i a m e t e rc o m p e n s a t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 本试验通过选取不同的光斑补偿直径，测量其实际尺寸与设计尺寸相比较，获得一 个合理的光斑补偿直径。试件的设计如图3 6 所示，采用c p s 3 5 0 紫外光快速成型机进 行试件的成型加工，加工参数设置为： 分层厚度：0 1 m m基础高度：6 0 r a m 轮廓扫描速度：1 5 m m s填充扫描速度：1 0 m m s 填充距离：0 2 m m 支撑扫描速度：1 0 m m s 跳跨速度：3 0 0 m m s层间等待时间：5 s 紫外光快速成型精度与工艺研究 工作台浸入深度：6 0 0 m m3 - 作台进给速度：4 m m s 卜2 0 叫 口r 图3 6 试件的设计图 f i g 3 6t e s ts a m p l ed e s i g nd r a w i n g 对不同光斑补偿直径加工成型的制件进行测量，为保证测量的准确性，在不同的方 向上分别取三点，测量其距离，取它们的平均值，测量结果如表3 1 所示。 表3 1 光斑直径补偿对尺寸精度的影响( ) t a b 3 1t h ef a c u l ad i a m e t e rc o m p e n s a t i o ne f f e c t i n go l ls i z ep r e c i s i o n 补偿直径 0 1 o 2 0 3 0 40 5o 6o 70 80 91 0 实测尺寸 2 0 5 12 0 4 72 0 3 42 0 2 72 0 1 42 0 0 62 0 0 31 9 9 21 9 8 01 9 7 l 尺寸偏差 o 5 10 4 70 3 40 2 70 1 4o 0 60 0 3- o 0 80 2 00 2 9 由最小二乘法，可将上表中的数据拟合一直线，结果如图3 7 所示 、弋 入 ： ： x 入 i 光斑补偿直径( m m ) 图3 7 光斑直径补偿对尺寸偏差的影响 f 蟾3 7t h ef a c u l ad i a m e t e rc o m p e n s a t i o ne f f e c t i n go ns i z ed e v i a t i o n 言呈删垩p眨 大连理工大学硕士学位论文 从上图可以看出光斑直径补偿与制件尺寸偏差成线性关系。当光斑直径补偿取得过 小的时候制件的实际尺寸要大于设计尺寸，而取得过大的时候制件的实际尺寸却小于设 计尺寸。从图中可以看出当光斑直径取0 7 m m 时，制件的实际尺寸接近于设计尺寸。 图3 8 所示为同一设计制件选取不同的光斑补偿直径所制得两个制件，从图中可以看出 适当的光斑补偿直径对制件的尺寸精度影响是很大的。 图3 8 光斑补偿直径对制件的影响 f i g 3 8t h ef a c u l ad i a m e t e ro fc o m p e n s a t ee f f e c t i n g t h ep a r t 3 2 成型方向对光固化制件质量的影晌 3 2 1 阶梯误差分析 由于快速成型技术采用的是分层叠加制造原理，一个完整的c a d 模型是由一层层 具有一定厚度的切片叠加所得，切片是由中间曲面和上下两个水平面组成，上下两个水 平面的轮廓并不完全相同，而在实际的加工中，每个切片却是由上层的层面信息构成的 柱体完成一个层厚为t 的层面制作，用柱面代替任意曲面如图3 9 所示，其在加工过程 中必然会产生所谓的“阶梯效应”现象。因此层层叠加产生的“阶梯效应”是一种原理 图3 9 快速成型技术中的“阶梯效应” f 垣3 9t h e s t a i r c a s ee f f e c ti nt h er p 界 紫外光快速成型精度与工艺研究 误差，特别是相对成型方向倾斜的表面及曲面，由于“阶梯效应”的存在，使相对成型 方向倾斜的表面及曲面精度明显的降低，从而增大了制件表面精度的误差。 目前在快速成型技术中，评价阶梯效应程度的指标一般有e 和d 【“。如图3 1 0 所示， c 为层片堆积边界与c a d 模型原始边界的最大距离；d 为沿c a d 模型表面法向量方向 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d 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 y 岛、m a x y 玩分别表征了零件最大体积误差和最大表面粗糙度。 图3 1 0 阶梯误差计算示意图 f i g 3 1 0 t h es k e t c h o f a c c o u n t i n g t h e s t a i r c a s ee l i o t 设c a d 模型的分层厚度为t ，成型方向与水平面的夹角为口( 0 0 c 口= 9 0 0 ) ，如图 3 1 0 所示，则： f - t c o s ( a ) s i n ( a ) ( 3 6 ) 6 - t x c o s ( a ) ( 3 7 ) 当口等于9 0 0 时，g = 6 = o ，此时两种误差理论上都为0 ，即c a d 模型表面与理论 模型表面完全重合。 根据公式3 6 可以绘制出在分层厚度t 等于0 1 舢t 的情况下，成型方向角口对f 影 响的关系图3 1 1 。从图中可以看出随着成型方向角a 的增大f 逐渐减小。当0 a - - 4 5 0 时，成型方向角口的变化会引起很大的变化，影响制件的精度；而4 5 0 凡侧( 3 ，3 ) - - 4 7 4 7 ，f d f o 笱( 3 ，3 ) = 2 3 6 ，因此因子口 与c 在显著性水平0 0 0 5 上是显著的；因子d 在显著性水平0 2 5 上是显著的；而因子彳、 e 不显著，即光固化制件的抗拉强度最佳影响因子及水平为彳猡l c 1 ”d 4 7 目。 4 2 3 抗压强度试验 设计一个尺寸为1 0 x1 0 x 2 0 m m 3 的光固化制件，工艺参数同4 2 2 节相同。利用电 子万能试验机对得到的1 6 个挤压试验件分别进行挤压试验，用试验测得的最大的压力 凡除以断裂处的截面积a o ，得到抗压强度盯o ，试验测量及计算结果如表4 6 所示。 表4 6 挤压试验数据测量结果 t a b 4 6c o m p r e s s i o nt e s td a t ao fm e a s u r i n gr e s u l t 因素及水平最小截面积压力抗压强度 试验号 4 丑 cd e( r u n 2 )( j 【) o ( n n u n 2 ) 1 111111 0 2 8 1 0 5 28 9 38 2 5 7 2 l 2 22 2 1 0 1 8 1 0 6 0 6 7 16 0 1 8 3 133331 0 3 4 x1 0 4 6 6 3 9 5 9 0 8 4144441 0 5 4 x1 0 3 08 3 57 6 9 1 5 2123 4 1 0 5 4 x1 0 6 06 3 45 6 7 5 6 2 2 14 3 1 0 4 0 x1 0 4 65 7 9 5 3 2 2 7234l21 0 1 6 x1 0 3 88 1 77 7 4 7 8243211 0 0 2 x1 0 2 86 0 35 8 5 4 9313 4 21 0 5 4 1 0 7 68 7 27 6 8 9 1 0324311 0 9 0 1 1 1 0 6 1 7 5 1 0 0 1 1 3 3124 1 0 1 2 x1 0 9 0 5 8 55 3 0 3 1 2 3 4213 1 1 9 2 x1 0 5 48 8 6 7 c i 5 2 1 34l4231 1 3 0 x1 0 6 66 1 15 0 7 2 1 4423141 1 0 2 x1 0 0 66 7 06 0 4 4 1 5 4324 1 1 0 8 0 x1 0 8 27 2 0 6 1 6 1 1 644 1 32 1 0 5 4 x1 0 5 0 5 7 55 1 9 6 对每个制件的抗压强度指标分别进行数据计算处理，处理结果如表4 7 所示。 一5 1 紫外光快速成型精度与工艺研究 表4 7 挤压试验数据计算袭 t a b 4 7c o m p r e a s i o nt e s td a t a 因数及水平抗压强度 试验号 4占cde 盯。( n m m 2 ) 11111 18 2 5 7 2122226 0 1 8 3 1333 35 9 0 8 4144 4 47 6 9 1 52l 2 345 6 7 5 6221435 3 2 2 7234121 4 7 8243215 8 5 4 9313 4 27 6 8 9 1 032 43 15 1 0 0 1 1331245 3 0 3 1 2342l 3 7 0 5 2 1 5414235 0 7 2 1 4 4 2 314 6 0 4 4 1 5432 4 16 1 6 l 1 6 4 4l325 1 9 6 蜀 2 7 8 7 42 6 6 9 32 4 0 7 82 9 1 0 0 2 5 3 7 2 x = 1 0 0 0 8 9 k 2 2 4 5 9 82 2 4 8 42 4 9 0 62 2 2 4 72 6 6 5 0- - 1 0 0 1 7 8 0 7 9 玛 2 5 1 4 42 5 1 1 92 5 4 9 5 2 1 8 7 9 2 3 3 5 4 乜2 2 4 7 32 5 7 9 32 5 6 1 02 6 8 6 32 4 7 1 3 七l 6 9 6 9 6 6 7 36 0 2 07 2 7 5 6 3 4 3 七2 6 1 5 05 6 2 16 2 ”5 5 6 26 6 6 3 岛 6 2 8 66 2 8 06 3 7 45 4 7 05 8 3 9 k 5 6 1 86 4 4 86 4 0 36 7 1 66 1 7 8 月1 3 5 11 0 5 2 3 8 31 8 0 5 8 2 4 s3 7 0 6 52 4 5 9 43 6 8 5 9 3 9 1 6 1 4 1 2 6 s x = 1 7 3 3 8 6 表中各项的含义与表4 4 相同。 制件的抗压强度盯。与五个因素的关系如图4 5 所示。 一5 2 大连理工大学硕士学位论文 俺 加 襄岛 鬟 两 - f f f ： i i i ；i ；v 太! j ? ? 、? ： ：一 ： b 一一一o o - t 一。一 c 一二 二j i 毛刁= = = 王一三一j ol2 3 45012 345ol23450l2346 0 l23 46 圈4 5 抗压强度仃。的极差图 f i g 4 5c o m p r e s s i o ns t r e n g t h 口e r a n g ec h a r t 由于，正交表五列已排满，而c 因子均方相对很小，可将它作为误差项进行方差分 析及f 检验，如表4 8 所示。 表4 8 抗压强度方差分析表 t a b 4 8c o m p r e s s i o ns t r e n g t hv a r i a n c ea n a l y s i s 方差来源平方和自由度均方，比显著性 彳3 7 0 6 531 2 3 5 51 0 0 6 口2 4 5 9 438 1 9 86 6 8 d 9 3 9 1 633 1 3 0 52 5 4 9 e 1 4 1 2 6，4 7 0 93 8 3 误差( c )3 6 8 5 3 1 2 2 8 总和 1 7 3 3 8 61 5 ，：，o ( 3 ，3 ) - 1 5 4 h 4 ；r 1 0 ( 3 ，3 ) - - 5 3 9 ；f o 2 5 ( 3 ，3 ) ：2 3 6 “；表示因子高度显著( 显著性水平位0 0 2 5 ) ；”；表示因子显著( 显著性 备注 水平为0 1 ； ；表示因子一般显著( 显著性水平为o 2 5 ) ：【+ 】：表示因子不显著 由于f a f 0 a o ( 3 ，3 )