（机械工程专业论文）木塑复合材料的熔融沉积成型工艺研究.pdf

摘要 摘要 木塑复合材料是在近几年发展较快的一种环保复合材料，采用木粉和塑料作为主要原 料，具有防水、防潮、不开裂等优点，在建筑和装饰行业应用较广。 快速成型技术是上世纪8 0 年代出现的一种新的成型方式，自出现以来受到极大地关 注，各国都在对快速成型新工艺和新材料进行研究。但目前快速成型的材料仍然非常昂贵， 制约了技术普及。 本文将木塑复合材料应用于熔融沉积快速成型中，提出了木塑复合材料的熔融沉积成型 工艺，本研究的主要内容包括木塑复合材料熔融沉积成型机械系统的改进、扫描路径生成算 法和喷头螺杆转速与填充速度的匹配关系。 根据木塑复合材料自身特点对快速成型系统进行了改进。系统中有两种成型喷头，圆丝 喷头挤出细丝，矩形喷头挤出矩形薄层。两种喷头交替工作，使成型效率得到提高。通过采 用粒料送料的方式，使送料装置结构得到简化。 成型中使用两种彳 同类型的喷头来填充，所以目前熔融沉积成型使用的扫描算法小适 用。本文在现有的常用算法的基础上，提出对木塑成型系统适用的算法。通过数学方法，将 成型切片划分成偏置区、矩形区和边角区3 个区域，在填充时矩形喷头对矩形区进行填充， 圆丝喷头对边角区和偏置区进行填充。 在对喷头的螺杆转速和填充速度的匹配问题的研究当中，将喷头看做小型螺杆挤出机， 根据挤出机的相关理论对木塑复合材料在喷头中的输送和挤出过程进行了解释。通过流变学 的相关理论将喷嘴的流道看作是几段简单几何形状流道的组合，对熔融木塑材料分别流经两 种类型的喷嘴的压力降进行了求解。然后根据得出的公式求出螺杆转速和填充速度的数学关 系式。 关键词木塑复合材料：快速成型；扫描路径：速度匹配 a b s t r a c t = 苎! ! = = = = 詈= ! = = ! = = = = = = = = = = = = = = = 皇= = i i ii i i ii i = = = = = = = ! ：= a b s t r a c t w o o dp l a s t i cc o m p o s i t e s ( w p oi sa l le n v i r o n m e n t a lc o m p o s i t em a t e r i a lw h i c hi sd e v e l o p i n g r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，i tu s e sw o o d e nf l o u ra n dp l a s t i c a st h em a i nr a wm a t e r i a l t h i sk i n dm a t e r i a l h a sa d v a n t a g eo fw a t e r p r o o f , m o i 娜o o fa n dn oa 龀e ，a n di ti sw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o na n d d e c o r a t i o n r a p i dp r o t o t y p i n g ( i 岫，al 删k i n do fm o l d i n gm a n n e ra p p e a r e di nt h e19 8 0 s ，h a sb e e np a i d g r e a t l ya t t e n t i o ns i n c ea p p e a r , a n dm a n yc o u n t r i e sh a v eb e e nr e s e a r c h i n g0 1 1t h en e wt e c h n o l o g ya n d n e wm a t e r i a l so fr a p i dp r o t o t y p i n g b u ta tp r e s e n tr a p i dp r o t o t y p i n gm a t e r i a l sa r es t i l l v e r y e x p e 商v e , w h i c hr e s t r i c t st e c h n i c a lp o p u l a r i z a t i o n i nt h i sp a p e r , w p ci su s e di nf u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) ，ak i n do fr p , a n dt h ef d m t e c h n o l o g yo fw p ci sp u tf o r w a r d 1 1 地m a i nr e s e a r c hi n c l u d e st h ei m p r o v e m e n to ft h ef d m m e c h a n i c a ls y s t e mo fw p c ，t h ef i l l i n ga l g o r i t h ma n dt h es p e e dm a t c h i n gb e t w e e n 飘柳r o t a t e s p e e do f n o z z l ea n ds c a n n i n gf i l l i n gs p e e d a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fw p c t h er pm e c h a n i c a ls y s t e mi si m p r o v e d 1 f l l cm o d i f i e d s y s t e mi n c l u d e st w on o z z l e s , s p i nn o z z l ee x t r u s i o n sf i l a m e n t o u sm a t e r i a l ，a n dr e c t a n g l en o z z l e g x t r u s i o n sr e c t a n g u l a rc h i pm a t e r i a l 1 n h en o z z l e sw o r ki nt u r n , a n dt h ee m c i e n c yi si m p r o v e d g r a n u l a rm a t e r i a li su s e dt os i m p l i f yt h es t r u c t u r eo f f e e d i n gd e v i c e f o ru s i n gt w od i f f e r e n tt y p e so f n o z z l e st o 矗nt h es l i c e , t h e r ei sn oa p p r o p r i a t ef i l l i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h ee x i s t i n ga l g o r i t h m sa p p l i e d , t h i sp a p e rg i v e san e w f i n i n ga l g o r i t h mf o rf d m o f 、聊c b ym a t h e m a t i c a lm e t h o d , t h es l i c ei sd i v i d e di n t ot h r o ep a n s ，b i a sp a r t , r e c t a n g u l a rp a r ta n d f r a g m e n tp a r t a sw o r k i n g , t h er m a a g l en o z z l ef i l l st h er e c t a n g u l a rp a r ta n ds p i nn o z z l ef i l l st h e f r a g m e n tp a r ta n db i a sp a r t i nt h es t u d yo fs p e e dm a t c h i n g , t h en o z z l ei sc o n s i d e r e dt ob eas m a l l 翻美we x t r u d e r , a n dt h e m e c h a n i s mo f c o n v e y i n ga n de x t r u s i o no f w p ci nt h en o z z l ei se x p l a i n e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f e x t r u d e r a c c o r d i n gt or h c o l o g yt h e o r y , f l o wc h a n n e lo fn o z z l ei st h o u g h tt ob em a d eu po fs e v e r a l p a r a g r a p h so fs i m p l eg e o m e t r i cs h a p e sf l o w , a n dt h ep r e s s u r ed r o po fn o z z l ew h i c hm o l t e nw p c f l o wt h r o u g hi sc a l c u l a t e d , a n dt h em a t h e m a t i c a lr d a f i o n s h i pb e t w e e n l ls a 删r o t a t i o ns p e e da n d s c a n n i n gf i l l i n gs p e e di si l l u s t r a t e d k e y w o r d sw p c ；r p ；s c a nr o u t e ；s p e e dm a t c h i n g l 绪论 1 绪论 1 1 木塑复合材料概述 木塑复合材料( w o o dp l a s t i cc o m p o s i t e s ) ，其英文缩写为w p c ，是采用木粉或植物 纤维与塑料复合制成的一种复合材料【i 】。它最大的优点就是可以使用秸秆、木屑等代替 木粉作为原材料，变废为宝，并且可以1 0 0 回收再生产，木塑复合材料可以分解，不 会造成“白色污染，是一种真正的绿色环保材料。 由于木粉在过高的温度下会碳化分解，木塑复合材料中的塑料均为热塑性材料，熔 点要低于2 0 0 ，常用的热塑性材料主要有聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 等聚烃烯以及 聚氯乙烯( p v c ) 和苯乙烯( p s ) f 2 羽。除了以木材为原料，其他纤维材料，比如稻 壳、果壳等天然植物纤维材料也可以使用。 木塑复合材料拥有木质材料和聚合物材料的双重优势，消除了木质材料的缺点，又 具有热塑性塑料的加工性，主要性质体现在如下方面【4 】： ( 1 ) 防水、防潮、耐老化。不会出现木质产品在潮湿环境中容易腐坏、膨胀变形 的问题。 ( 2 ) 可有效杜绝虫类产生破坏。 ( 3 ) 具有木质感，可添加着色剂制造多种颜色的产品。 ( 4 ) 无污染、无公害、高环保，能循环利用，从而大大节省了木材。 ( 5 ) 具有高防火性，能有效阻燃，遇火自熄，且不产生有毒气体。 ( 6 ) 可加工性好，表面可上漆。 ( 7 ) 安装简单方便，省时省力。 ( 8 ) 不需要维修和养护。 木纤维由纤维素、半纤维素和木质素等物质组成，含有大量羟基和酚羟基官能团， 因此表现出很强的极性，吸水能力很强，而树脂是典型的非极性材料，具有疏水性，从 而导致两种材料界面相容性很差，制品强度很低，因此改善二者的界面相容性是提高木 塑复合材料性能的关键【5 明。目前常用的方法是添加偶联剂和增容剂来改善二者的相容 性【l o l ，经过处理后制得的木塑制件不仅强度提高，而且吸水率非常小，具有防水、防潮 的特点。 木塑复合材料制品的应用市场相当广，如家具产品中的桌椅板凳、沙发、衣柜；建 筑制品中的木塑门、地板和户外地板；工业产品中的装饰板、电器用材等：车辆船舶中 的火车道枕木、汽车内饰和隔热材料；包装运输中的托盘和包装箱；其它还有球拍、高 尔夫球棒和农业大棚支架等【1 1 1 。 东北林、f k 人z 硕l 7 ：何沦文 1 2 熔融沉积快速成型概述 快速成型技术是2 0 世纪8 0 年代出现的一门新型的制造技术，自出现以来就以全新 的制造思想受到学术界和制造业的极大关注i i 引。它的基本原理是在计算机上通过c a d 软件生成设计产品的三维模型，然后进行分层处理，得到模型的层片数据，在制造时以 层片堆叠累加的方式加工还原出制件，整个过程在短时间内即可完成，这项新技术突破 了传统的加工方式，为现代制造技术的发展提供了全新的思路，使产品设计制造周期大 大缩短，只有传统周期的l 2 1 5 ，降低了开发成本，给制造业带来了根本性变革【1 3 1 5 】。 自从1 9 8 7 年美国3 d 公司推出第一台快速成型机以来，快速成型技术的发展非常迅 速【1 6 , 1 7 1 。以快速成型原理为基础的成型工艺相继涌现，如s l a 、s l s 、s g c 、l o m 、 3 d p 、f d m 、s c s 、s o u p 、s a h p 、m j m 、d s p c 、m j s 和b m p 等，其中占有大部分市 场份额，得到广泛应用的有光固化成型( s l a ) 、粉末选择性烧结成型( s l s ) 、薄层选 择性切割成型( l o m ) 和熔融沉积成型( f d m ) 【l8 1 9 1 。 快速成型将三维模型离散成一系列的二维切片加工，大大降低了加工难度，且不受 形状的限制，从而能够用自动的、统一的方法加工各种三维实体模型2 叩。已经在制造 业、工业设计、文化艺术、家用电器、汽车、玩具、航空航天和医疗卫生等领域得到了 广泛应用，并由此产生了一个新兴的技术领域f 2 2 , 2 3 】。 相比传统加工，快速成型制造方式具有以下优点： ( 1 ) 任意自由曲面和形状的零件用传统加工方式很难制造，有的空心部分甚至无 法制造出来，而快速成型技术可以迅速制造出任意复杂的零件。 ( 2 ) 非接触加工，不需要刀具和夹具，而刀具和夹具是传统机床中必须的部件。 ( 3 )由c a d 模型直接驱动，不需要数控编程。 ( 4 ) 可实现完全自动化生产，无人干预，是一种全自动的成型过程。 ( 5 ) 对复杂的零件可直接成型，相比传统制造方式效率高很多，能快速制作出产 品实体模型及模具。 熔融沉积成型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) ，英文缩写为f d m ，是一种不选用激光 器的快速成型技术，通过电加热将丝状材料在喷头中加热至略高于熔点，呈半流动状 态，然后从喷头中挤压出来，沉积在工作台上【2 4 捌。熔融沉积成型系统成本较低，不需 要其他成型系统中昂贵的激光器，且体积小，无污染，是目前最有发展前景的快速成型 技术之一，其市场份额已经达到了4 3 2 6 2 7 。 成型系统主要包括成型室、送丝机构、喷头、运动机构以及工作台5 个部分。图1 1 所示为熔融沉积快速成型系统原理图。成型时，熔丝在喷头中被加热到略高于熔点， 呈半流动状态。喷头在鼻y 平面做联动扫描，并按照规划的扫描路径运动，同时熔丝从 喷头中被挤压出来，材料很快凝固，与先前层粘结在一起。当一层成型完后，再做z 向 运动，接着成型下一层，如此反复直至成型完毕。因为丝状材料受到已堆积材料和喷嘴 底部平面的压力，所以层间的结合力较大，此外熔融沉积成型工艺所采用的成型材料， l 绪论 如a b s 工程塑料，本身强度很高，得到的成型件能直接作为功能件使用。这是其它快 速成型工艺很难做到的。同光固化成型一样，熔融沉积成型在制作成型件时也需要添加 支撑。目前的成型设备一般都采用双喷头，一个喷头挤出实体材料，制造零件，另一个 喷头挤出支撑材料，制造支撑。实体材料和支撑材料的特性不同，这样在后处理中去除 支撑非常方便。 实体喷嘴 成型件 基底支撑 升降工作台 图1 - 1 熔融沉积快速成型系统原理图 送丝机构 加热装置 支撑喷嘴 支撑 目前熔融沉积成型工艺的成型材料主要包括a b s 、尼龙和铸造石蜡等，通常情况下 任何热塑性材料都可作为成型材料使用，但能否适用于成型需考察材料以下几方面的性 能【2 3 】： ( 1 ) 材料的流动性流动性是热熔性材料在加热至熔融态时的表现出的流动特性。 流动性差会使材料在喷嘴处产生较大的阻力，导致材料存积在喷头中无法挤出；流动性 太好会导致流涎，无法挤出正常的丝，且容易团聚成液滴状，使填充过程中造成断丝和 积瘤，导致表面质量变差。两种情况均会对成型质量造成很大影响。 ( 2 ) 熔融温度区间合理的熔融温度区间应设定在材料达到合适的流动性，能够和 上一层材料牢固的粘合，同时又远离高温分解的临界温度。 ( 3 ) 材料的力学性能为使成型件能够使用，要求材料具有一定的力学性能。熔融 沉积成型工艺使用最多的a b s 工程塑料具有优良的力学性能，其成型件可以直接作为 功能件安装在设备中进行试验，这也是该工艺的高市场占有率的主要原因之一。 ( 4 ) 材料收缩材料从液态到固态的相变过程中体积收缩产生内应力，这是造成成 型件误差、翘曲变形甚至层间剥离现象的根本原因，所选取的材料的收缩率应小于一定 范围，否则误差较大，在装配时出现无法正常安装的情况。 ( 5 ) 材料吸水率若用于快速成型的材料的吸水率高，则在成型过程中会因水蒸气 影响材料的连续挤出从而降低成型质量，因此材料的吸水率不能很高。 虽然熔融沉积成型技术发展很快，但仍存在一些问题，表现如下： 东北林q k 人学硕上学位论文 ( 1 ) 成型精度较低喷嘴的内径直接限制了成型的精度。其他成型工艺，如光固化 成型和粉末选择性激光烧结成型，其制造精度均在0 1 m m ，由于喷头易发生堵塞导致成 型失败，故目前挤出的丝径在0 1 5 0 7 m m 之间，相比其它成型方法精度较低，未经过 后处理的成型件表面台阶较明显。 ( 2 ) 内应力与翘曲变形成型过程中，材料要经过固态熔融态固态的相变过程， 从喷头中挤出的熔丝迅速凝固沉积在已堆积部分之上，体积会发生收缩，从而堆积材料 的内部会产生内应力，容易产生翘曲变形。 ( 3 ) 成型效率较低快速成型工艺中，除了分层实体制造快速成型是以面为单位制 造外，其它的工艺均是以线为单位来成型的。熔融沉积成型中的每一个层片都是由细丝 填充得到的，精度较高的制件成型时，丝间距大约在0 2 m m 左右，假设扫描填充速度 为2 0 0 m m s ，那么一个l o c m x l o c m 的正方形层片填充时间为1 0 0 1 0 0 2 0 0 = 5 0 s ，而光固 化成型工艺采用激光器，扫描速度可达到l m s 以上，只需l o s 。 1 3 熔融沉积快速成型国内外研究现状 熔融沉积快速成型由美国学者s c o t tc r u m p 博士于1 9 8 8 年率先提出，随后于1 9 9 1 年开发了第一台商业机型1 2 9 1 。国外研究熔融沉积快速成型技术最著名的公司是s t r a t a s y s 公司。s t r a t a s y s 公司于1 9 9 3 年开发出了第一台f d m 1 6 5 0 机型，其成型尺寸为 2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 2 5 0 m m 。之后又相继推出了f d m - 2 0 0 0 、f d m - 3 0 0 0 和f d m - 8 0 0 0 机 型。其中f d m 8 0 0 0 的成型尺寸达到了4 5 7 m m x 4 5 7 m m x 6 1 0 m m 。到了1 9 9 8 年， s t r a t a s y s 公司推出的f d m q u a n t u m 机型，最大成体积为6 0 0 m m x 5 0 0 m m x 6 0 0 m m ，采用 了喷头磁浮定位系统，可在同时独立地控制两个喷头，成型效率提高了4 倍。s t r a t a s y s 公司与m e d m o d e l e r 公司合作开发出了m e d m o d e l e r 机型，以用于医学研究领域。1 9 9 9 年推出g e n i s y s 型改进机型g e n i s y sx s ，使用聚脂热塑性塑料，最大成型尺寸为 3 0 5 m m x 2 0 3 m m x 2 0 3 m m 。同一年，s t r a t a s y 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的难题 2 9 , 3 0 。 目前熔融沉积成型设备主要采用a b s 、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料【2 9 】。澳 大利亚的s w i n b u m e 科技大学( s w i n b u r n eu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) ，研究一种金属塑 料复合材料，2 0 0 5 年开发出一种新的铁尼龙复合材料，该材料比其它用于快速成型的 金属塑料复合材料拥有更好的性能【3 。除了使用单一材料外，由于喷嘴孔径最大可达 到0 8 m m 左右，因此还可以用固液混合多相材料，这是熔融沉积成型领域研究的一个 热点。美国r u t g e r s 大学陶瓷研究中心对这类材料和成型工艺开展了大量工作，进行了 陶瓷粉末，金属粉末和低熔点粘结剂的混合物材料制备和成型实验【2 引。 我国快速成型技术早期以引进技术为主，据报导，我国至今已有数十家企业和机构 从国外引进快速成型机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益【z 9 】。但由 于设备价格高昂，只有很少的企业能够使用，限制了该技术在国内的普及。自9 0 年代 以来，清华大学、华中科技大学等多家高校科研机构积极开展快速成型工艺和成型材料 1 绪沦 方面的研究，取得了很大成果。 清华大学于1 9 9 2 年最早开始快速成型技术的研究，后来推出了m e m 快速成型设 备【3 2 1 ，并开发出了成型用的蜡丝和a b s 丝材。除了清华大学，华中科技大学的光固化 成型设备、粉末选择性激光烧结成型设备和分层实体成型设备也已实现商品化，目前正 在开发研制熔融沉积成型设备。河北工业大学也对熔融沉积成型工艺做了大量研究，研 制成功的改性a b s 丝在国际同类产品中属先进水平。 1 4 研究的意义 木塑材料具有很好的性能，且成本低，将其用于快速成型可以解决制造高成本的问 题。木塑复合材料具有木质外观，可以代替木材广泛应用于装饰和建筑上，与快速成型 相结合可以制造出形状复杂的成型件。建筑设计师在电脑上设计结构复杂的建筑，然后 用快速成型设备将模型制作出来，尽管使用a b s 来制作模型成本和其他工艺相比较 低，但l k g 的a b s 丝材的价格就在2 0 0 0 多元，制作体积较大的建筑模型成本就可能达 到上万元。若采用木塑复合材料制作模型，成本要低得多，使用者在经济上可以承受。 此外使用木塑材料可以花费很低的成本来制作大型件，具有复杂曲面的城市景观工艺品 的一次成型制造也将成为可能。由于材料成本低，设计者可以一次制作多个模型，然后 进行比对选出最佳方案，在制作的数量上几乎是不受成本限制的。 在环境问题日益突出的今天，环境保护越来越受到重视，木塑材料不仅使用木粉， 还可以使用秸秆、果壳等作为原料，使其变废为宝，得到更好的利用。虽然木塑复合材 料目前在国内应用还不是太普及，但其优良的性能决定其必然会得到广泛应用，可以预 见生活中木塑制品的比例会越来越多。本研究材用木塑复合材料制作快速成型件，为木 塑制品提供了一种新的加工方法。 1 5 研究的主要内容 本文主要研究木塑复合材料的熔融沉积快速成型工艺，包括以下几个方面： ( 1 ) 针对木塑复合材料的特点对现有的熔融沉积成型机械系统的关键部件进行改 进。加入了挤出薄片状材料的矩形喷头，使成型效率得到较大提高。 ( 2 ) 研究了针对改进后的成型系统的扫描算法。 ( 3 ) 对成型时的喷头螺杆转速和填充速度匹配问题进行了分析，为机械系统设计 时喷头的电机转速和工作台的运动速度的匹配提供了依据。 ( 4 ) 用p e 木粉复合材料进行了实验，以检验挤出时材料的流动性和层与层之间 的粘结效果以及检测成型件的力学性能。 东北林q p 人学硕上学化论文 2 木塑熔融沉积成型机械系统的组成 木塑复合材料以木粉作为主要原料，目前常用的木粉粒径在0 0 7 5 m m - 0 4 2 5 m m 。 和塑料不同，木粉在挤出机中仍然为颗粒状，分散在塑料熔体中，木粉颗粒过大必然会 堵塞喷嘴，所以用于熔融沉积快速成型时，木粉的粒径限制喷嘴的选择，从而直接影响 成型的精度。在原料制备时需选用粒径0 1 m m 以下的木粉。因为喷嘴内径不能过小， 对于精度较高的零件木塑复合材料是无法制作的。此外木塑复合材料做成丝以后韧性较 差，容易断，而且高温下木粉易碳化，得到的丝呈深褐色。故本文直接使用木塑颗粒， 采用粒料供应方式为喷头输送成型材料。根据木塑材料的特点和成本角度出发，将其应 用于较大模型的制作。针对以上情况，木塑的熔融沉积成型在原成型系统的基础上进行 改进，将机械系统分为送料装置、喷头、工作台、储料室和成型室等部分。 2 1 送料装置 熔融沉积成型设备的主要制造商s t r a t a s y s 公司一直采用将丝状a b s 工程塑料为喷 头供应成型材料。丝盘上的丝通过导管送到驱动轮。在预紧装置的作用下，驱动轮和料 丝之间产生挤压力，驱动轮的电机按照控制信号以一定的转速旋转，则在驱动轮转动时 依靠摩擦力带动料丝匀速送入喷头。熔体在喷头中流经液化管和喷嘴受到的阻力与驱动 电机驱动力的平衡，当熔体的流动阻力过大时，驱动轮和料丝之间会出现打滑现象，出 丝速度波动剧烈，从而影响挤出质量，针对这种问题s t r a t a s y s 公司采用多对摩擦轮送丝 和提高温度的方法来实现p 习。 送丝装置的结构比较复杂，近年来有人提出用粒料来代替丝材为喷头供应原料，粒 料作为熔融沉积成型工艺的原料有较宽的选择范围m 】。通过料斗直接为喷头送料还省去 丝盘防潮防湿装置、送丝管道等一系列装置，简化了结构。因此在设计中使用送料装置 代替送丝机构，直接采用挤出工艺中的粒料供应方式，具有以下优点： ( 1 ) 粒料容易制取，省去了拉丝工艺的制造成本： ( 2 ) 简化了结构； ( 3 ) 木塑复合材料中含有的木纤维成分很容易受热碳化，省去了造丝工艺，有利 于保持原料特性。 工业挤出机的料斗中的粒料易产生架桥现象导致进料暂时中断，木塑熔融沉积快速 成型的喷头采用送料装置也可能易发生该现象。为使粒料能够连续稳定的送入喷头，采 用推杆推进物料，使用电磁铁作为驱动装置。同时增加一个旋转部件，通过搅动使材料 粒子之间保持相对运动，防止架空现象发生。送料装置的结构如图2 1 所示： 2 木塑熔融沉积成型机械系统的组成 料筒壁 图2 - l 送科装置的结构示意图 为了防止出现物料不足的情况出现， 足时喷头停止工作，然后到储料室加料， 回到原来的位置继续工作。 2 2 喷头 在料斗内壁添加了2 个料位传感器，当材料不 当材料加满时，上方的传感器发送信号：喷头 喷头是实现熔融沉积成型的关键部件，也是实现堆积成型的核心【3 5 1 。目前的熔融沉 积成型设备上装有实体喷头和支撑喷头，前者挤出成型实体，后者制作成型支撑。熔融 沉积成型的成型效率较低，为提高效率，木塑熔融快速成型中加入了挤出矩形薄层的矩 形喷头，挤出丝的喷头称作圆丝喷头，不使用支撑喷头 边缘区域 图2 2 等间距平行线分割切片 边缘区域 如图2 - 2 所示，用等间距的平行线分割切片，相邻的平行线之间至少应存在一个最 大包容矩形和边缘区域。矩形喷头挤出等宽的矩形薄片去填充包容矩形，薄片的厚度和 东北林、l k 大学硕上学化论文 成型厚度一致，边缘区域用圆丝喷头填充。当矩形的宽为丝间距的以倍时，成型所需的 最短时间为原来的i n 。 目前的喷头有柱塞式和螺杆式两种，由于本文选用的原料是粒料，故喷头选用的螺 杆式。螺杆是挤出机中的常用部件，螺杆的设计形式也是多种多样的。三段式的螺杆是 使用最广的一种螺杆，而且螺杆式喷头使用的均为三段式螺杆，可以提供较大的剪切 力，便于材料的塑化和混合。因此喷头的螺杆采用三段式。分为固体输送区、熔融区和 熔体输送区。 从功能上划分，喷头包括驱动装置，控制装置，塑化装置和喷嘴等部件，其中矩形 喷头多一个转动机构。驱动装置为螺杆的旋转和材料的挤出提供动力，保证熔料顺利挤 出；控制装置控制螺杆转速，从而控制材料的挤出速度；塑化装置保证物料的塑化均 匀，包括料筒和螺杆等部件：喷嘴是物料熔体的最后通道，从喷嘴挤出后材料沉积在工 作台上【3 4 1 。从结构上划分，喷头分为电机、料筒、加热棒、喷嘴和轴承等部件。其结构 图如图2 3 所示。 7 6 5 i 端盖2 料筒3 加热圈4 加热棒5 喷嘴6 传感器7 轴承8 电机 图2 - 3 喷头结构示意图 由于翘曲变形是快速成型中造成制件缺陷的因素之一，而翘曲变形普遍存在于所有 的快速成型工艺中，产生的原因很多且很复杂【3 6 3 7 l ，主要与热应力和挤出方向等因素有 关。为了防止因挤出方向一致而引起较大的翘曲变形，成型时相邻层的填充方向呈 9 0 0 。这样矩形喷头每填充一层就要转9 0 0 ，需通过一个转动机构来实现。 2 木塑熔融沉积成碰机械系统的组成 料筒 大齿 电机 齿轮 图2 - 4 转动机构示意图 如图2 4 所示，矩形喷头的料筒外部套了一个大齿轮，大齿轮和另一个小齿轮啮 合，小齿轮由步进电机驱动，当步进电机旋转一周，大齿轮恰好转动9 0 0 ，矩形喷头也 随着转动9 0 0 。步进电机反向旋转一周，则矩形喷头反向转动9 0 0 。转动机构应该满足 如下要求： ( 1 ) 能够快速的使矩形喷头旋转9 0 0 ，符合精度要求； ( 2 ) 转动过程中不产生振动； ( 3 ) 结构简单，成本低，由于需要经常旋转，要求工作稳定可靠不需经常维护。 2 3 工作台 工作台是成型系统中的重要组成部分，由x - y 工作台和升降台组成。 x - y 工作台实现喷头水平方向的运动，采用步进电机作为驱动装置，运动控制卡控 制x 轴和y 轴的步进电机，步进电机带动丝杠运动。x 轴的支梁上装有滑块，随着丝杠 转动滑块在导轨上移动。圆丝喷头和矩形喷头安置在滑块上，随着滑块运动。当z 轴和 】，轴联动时，滑块上安置的喷头便能够按照规划的扫描轨迹运动。 对謦y 工作台有如下要求： ( 1 ) 定位精度高x - y t _ 作台的定位精度会直接影响成型件的水平方向尺寸精度， 且成型系统采取两种喷头，在扫描填充不同的区域时工作喷头和非工作喷头之间相互替 换，互换喷头时的定位误差不能产生填充干涉，要求工作台具有足够高的定位精度。 ( 2 ) 运动精度高在填充时喷头的螺杆转速和工作台的运动速度互相匹配才能在成 型台面上挤出符合要求的熔丝和矩形薄层，要求工作台具有较高的运动精度。 ( 3 ) 运动平稳喷头在工作过程中产生较大振动会影响成型质量，要求工作台运动 平稳，几乎没有噪音和振动。 ( 4 ) 丝杠具有良好的耐磨性x - y 工作台在成型时按照轨迹规划运动，需频繁启停 和正反向运动，木塑熔融快速成型的工作台尺寸参数较大，加工体积较大的零件相比体 积小的零件需要更大的运动行程，易引起丝杠磨损。 升降台实现竖直方向的运动，同样采用步进电机作为驱动装置，当喷头填充完一层 东北林q k 人学硕上学化沦文 升降台要下降一个层厚的高度。 对升降台的要求相比比较低，体现在如下2 个方面： ( 1 ) 通常快速成型件z 方向的成型精度相比x - y 方向偏低，所以要求升降台的定 位精度高。 ( 2 ) 升降台在上升过程中保持工作台面水平。 2 4 成型室和储料室 成型室为成型过程提供密闭的环境。由于喷头中挤出的木塑材料遇冷固化，体秋收 缩从而产生内应力，容易引起翘曲变形。为了减少内应力，熔融沉积成型要在和材料熔 点相差不大的温度下进行。成型室为成型过程提供稳定的温度环境以减小翘曲变形，所 以对成型室的温度控制非常严格，而且成型室要保证内部不和外界环境有热量传递，防 止温度波动对制件产生不利影响。 当成型大型制件时，送料装置的料斗内无法容纳足够的木塑材料，所以成型系统中 加入储料室来储备充足的成型材料。储料室的下端设有放料口，当料斗内的材料不足时 送料装置便运动到储料室下方，控制器打开储料室的放料口向料斗释放材料。当成型件 的体积过大，储料室内的材料不足时可以从设备外部的加料口中加入材料，以保证成型 的持续进行。 2 5 本章小结 对木塑熔融沉积成型的机械系统组成进行了介绍，将机械系统分为送料装置、喷 头、工作台、成型室和储料室等部分。采用送料装置为喷头输送木塑材料，取代了送丝 机构。为了提高成型效率加入了可以挤出矩形薄片的喷头，矩形喷头比圆丝喷头多一个 转动机构，以使在成型一层之后转动9 0 0 。同时加入了储料室，保证成型过程所需的成 型材料。 3 手i 描路径规划研究 3 扫描路径规划研究 3 1 常见的填充方法 本文提出的算法是在常用的扫描算法基础上得到的，首先对本文中涉及的扫描算法 进行简单的介绍。 ( 1 ) 往返( 复) 直线扫描最简单和最常用的一种扫描方法【3 8 】，采用对轮廓内部 进行逐行扫描的方式，在扫描的一行中，实体部分采用一个速度，当遇到空腔时快速运 动，以节省时间。这种方法的优点是：算法简单，生成速度快，扫描稳定可靠【3 9 1 。但也 存在缺点，工作台要在两种运动速度之间快速转换加剧丝杠磨损，喷头要频繁的开启和 关闭，由于成型时填充方向一致，易发生翘曲变形。 图3 - 1 往返直线扫描 ( 2 ) 轮廓偏置扫描这种扫描方式首先沿着边界轮廓扫描，然后向内偏置一个扫 描间距，继续扫描，这样一直向内部偏置直至结束。 图3 - 2 轮廓偏置扫描 ( 3 ) 分区扫描将整个截面分成几个区域，然后在每个小区域内采用直线连续扫 描，这种扫描方式不像往复直线扫描一样要跨越型腔，只在一个区域转移到另一个区域 时要快速跨越，从而减少了工作台加减速切换。 东北林业人学硕f j 学位论文 3 2 木塑快速成型的扫描原理 图3 3 分区扫描 3 2 1 扫描方法概述 快速成型的扫描填充路径的获得应遵从如下基本原则【删：完整性约束，路径填充整 个待填充区域，无空缺，避免填充不足；溢出性约束，路径之间没有交叉或重叠产生干 涉；最小空行程约束，减少空行程和喷头开关次数：算法效率约束，算法的时间应限制 在一定的时间内。 从目前快速成型制造所采用的扫描方法来看，将几种基本的扫描算法相结合，采用 复合扫描的优化算法，既可以保留其各自的优点，同时又避免缺点，在成型速度和成型 精度上都有很好的改善。 4 1 偏置扫描区2 边角扫描区3 矩形扫描区4 支撑 图3 - 4 层片扫描方法 本文中采取的是复合扫描方法，如图3 4 所示，在内外边界附近一定区域内采用偏 置扫描方法，在其他区域先扫描矩形，剩余的边角使用分区扫描方法。这样实体切片被 3f l 描路径规划研究 划分成偏置扫描区、边角扫描区和矩形扫描区3 个区域。图中粗实线所示为切片边界轮 廓。在获取扫描路径时，首先把层片的外边界向内偏置、内边界向外偏置3 个丝间距， 得到新的边界轮廓，其问的区域为得到偏置扫描区。然后将得到的偏置边界作为基准， 用n 倍丝间距的平行线分割偏置边界，求得最大包容矩形，得到矩形扫描区。剩余的边 缘区域则是边角扫描区，采用分区扫描。偏置区的扫描方向沿着边界；矩形区和边角区 的扫描方向为横向，相邻的切片中扫描方向则变为纵向。当成型时需要支撑时则为其添 加支撑，图中所示区域4 表示支撑。 在成型填充时，首先由矩形喷头填充矩形区。然后矩形喷头上升以防止触碰到工作 台上的制件表面。圆丝喷头下降，对区域2 扫描填充。接着圆丝喷头对偏置区进行填 充，即区域l 。当需要支撑时，则圆丝喷头快速运动，制造支撑。在一层加工完毕后， 矩形喷头转动9 0 0 ，接着加工下一层，如此往复直至成型完毕。 3 2 2 概念介绍 在对求取各区域扫描路径的方法进行论述之前，首先介绍涉及到的概念： ( 1 ) 内边界指包含它的多边形的个数为奇数的多边形边界。 ( 2 ) 外边界指不被任何其他多边形包含或包含它的多边形个数为偶数的多边形 边界。实体截面多边形应至少有一个外边界。如图3 5 中所示，b 为内边界，a 、c 、d 均 为外边界。 图3 5 内外边界轮廓 ( 3 ) 特征点多边形中的所有顶点中，x 坐标值最大，y 坐标相应最小的顶点， 即多边形最右边且偏下的顶点，表示为( x r 、 ) 。由定义可知，当多边形的顶点出现多 个最大x 坐标时，选y 坐标最小的那个点作为特征点。 在图3 - 6 的a 图中，顶点d 为其所在多边形的特征点，在图b 中，由于顶点厶， 的x 坐标值相等，应取y 坐标值最小的顶点，作为所在边界多边形的特征点。很显然， 特征点一定也为多边形的凸顶点1 4 。 东北林业人学硕i j 学位论义 b c c a ) 图3 6 多边形特征点 g ( b ) ( 4 ) 偏置方向向量与多边形线段相垂直并指向偏置后的线段的向量，其方向指 向实体。 ( 5 ) 单位偏置方向向量偏置方向向量的单位向量。 ( 6 ) 偏置边界原边界偏置3 j i 后得到的新边界。 ( 7 ) 长距扫描线用于寻找扫描矩形的扫描射线。 ( 8 ) 短距扫描线用于求取边角扫描区的扫描路径的扫描射线。 ( 9 ) 矩形标记点搜索到的矩形的坐标要经过两端加h 后带入到短距扫描线获得 的多边形交点坐标序列中，同时为这些矩形点做标记，称该点为矩形标记点。 3 2 3 扫描原理 获得扫描路径要经过如下4 个步骤：判断内、外边界；求偏置扫描路径；寻 找最大包容矩形；求边角区的扫描路径。以下是获取路径方法的详细说明。 s t e p l ：判断内、外边界 通过分层软件得到的切片信息是一系列封闭的多边形，这些多边形可能是内边界， 也可能是外边界，而在确定扫描规划之前需要弄清哪些是外边界所包含的实体区域，然 后才可能对其进行填充。因此要首先判断出内、外边界。 图3 - 7 多边形方向规定 对切片之后得到多条线段首尾相接形成的截面多边形进行方向性处理，其正向规定 3f l 描路径规划研究 为沿封闭折线前进时，实体区域总保持在左侧。则根据此规定，外边界为逆时针方向， 内边界为顺时针方向，如图3 7 所示。 通常得到的多边形分为以下3 种情况： ( 1 ) 切片只有一个多边形，此时多边形必然为外边界； ( 2 ) 切片有多个多边形，针对这种情况，首先寻找双y 的极值点，因为极值点所 在多边形必然为外边界； ( 3 ) 通过极值点确定了外边界后，然后对剩下的多边形逐一采用特征点判断，并 作边界标记。 s t e p 2 ：对内外边界偏置3 个丝间距，得到偏置边界 喷头在工作中要沿着边界向工作台挤出材料，然后向实体内部偏置一个丝宽的距 离，因此外边界的偏置方向向内，而内边界的偏置方向向外，正好相反。 对多边形边界规定了顺时针或者逆时针方向之后，每条线段均可表示成向量形式。 根据实际情况，向量的夹角不同，偏置后的向量的模也不同。 图3 8 逆时针偏置线图3 - 9 顺时针偏置线 彳曰和曰c 分别是a b 和b c 的偏置线，d f 和e ，分别是d e 和e f 的偏置线。图 3 8 中向量b c 沿着向量a b 的方向逆时针旋转p 。图3 - 9 中向量e f 是沿着向量d e 的方 向顺时针旋转秒，则图3 - 8 所示为逆时针偏置线，图3 - 9 所示为顺时针偏置线。 要得到偏置线，只需找到偏置后的新交点即可。同时内、外边界的属性不变，内边 界偏置后得到的仍然是内边界，外边界偏置后得到的仍然是外边界。由于每个多边形均 有内、外边界的标记，因此只需根据偏置方向向量确定多边形的线段的偏置方向得到偏 置后的直线，求出交点。 图3 1 0 边界线和偏置线位置关系 取外边界的一部分，如图3 1 0 所示，偏置问距为一个丝间距其中彳、曰、c 、d 为 东北林业人学硕 j 学位论文 两条边界线段和偏置线的所在直线的交点，向量b e 和向量b f 分别为直线b c 和直线 a b 的偏置方向向量。因为直线a b 和直线c d 平行，直线b c 和直线a d 平行，且两对 平行线的间距都为h ，可以证明，四边形a b c d 为菱形。因此三角形a b d 和三角形 b c d 关于b d 是对称的。因向量b d 在直线b e 上的投影为向量b e ，其模为h ，且向量 b d 在直线b f 上的投影为向量b f ，其模也为h 。可知向量b d 与向量b e 、b f 的单位 向量的内积都等于h ，只要求出单位方向向量即可求出向量b d ，然后根据占点的坐标 求出d 点坐标，即可得到一次偏置坐标。 通常在成型时，喷头沿着边界进行扫描填充，因为丝宽的原因，实际成型时会多出 2 ( 这里没有考虑材料收缩率等影响精度的因素) 。在上一步骤中，偏置3 次的多边形 作为偏置边界，由于边角扫描区的材料填充方向和偏置扫描区的填充方向不同，若在填 充过程中发生干涉必然会影响成型质量。因此将偏置边界作为边角区的扫描坐标点在成 型时是否和偏置区的丝材填充发生干涉需要验证。 偏置区1 次偏置2 次偏置 3 次偏置 边角区矩形区 图3 1 l 偏置区和边角区的交界位置关系1 偏置区 1 次偏置2 次偏置 3 次偏置 边角区矩形区 图3 1 2 偏置区和边角区的交界位置关系2 如图3 1 1 所示，圆圈表示在特殊点处的圆丝喷嘴内径。可以看出，偏置区和边角 3f l 描路径j ；! l ! 划研究 区之间有一些小缝隙，这种情况下不会产生干涉。但是将偏置边界的折向改变后，会变 成图3 1 2 所示的情况。 可以看出边角区和偏置区在偏置边界的转折处有干涉。由于在求取扫描路径时使用 的是丝间距而不是丝宽，丝间距相对丝宽