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第2 8 卷第1 2 期实验室研究与探索V 0 1 2 8N o 1 22 0 0 9 年1 2 月R E S E A R C HA N DE X P L O R A T l 0 NI NL A B O R A T O R YD e c 2 0 0 9基于破损零件逆向设计的快速成型及质量分析许耀东，曹志鸿( 上海工程技术大学，上海2 0 0 4 3 7 )摘要：对漏油嘴零件的实际测量和在U G 中的建模，实现破损漏油嘴原型复原的逆向设计。通过U G导出的S T L 模型，及C a t a l y s t 软件的分层处理，实现零件的快速成型制作。为证实原型件可以与原零件互换使用的可能性，分别从尺寸精度、强度和表面质量进行了分析。通过A B S 丝材收缩率补偿后快速成型，及S T L 面片模型的分析，得到原型件存在的收缩误差和原理性误差。应用堆积机理说明原型件强度取决于丝材的粘接强度，而小于丝材本身强度的特点。分析了丝材粘结层最小厚度及路径宽度的限制对成型表面质量的影响。通过最终分析得出原型件在强度或表面质量要求不高的情况下，如漏油嘴，可以与原零件互换使用；要求较高，则只能作为原型展示。关键词：逆向设计；A B S 塑料；S T L 模型；快速成型；堆积机理；原型质量中图分类号：T B4 7 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 6 7 1 6 7 ( 2 0 0 9 ) 1 2 0 0 4 3 0 4F a s tP r o t o t y p ea n dQ u a l i t yA n a l y s i sB a s e do nR e v e r s e D e s i g no fB r o k e nP a r t sX UY a o d D 增，C A OZ h i k 昭( S h a n g h a iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n gS c i e n c e ，S h a n g h a i2 0 0 4 3 7 ，C h i n a )A b s t r a c t ：R e v e r s ed e s i g no fab r o k e no i l f i l l e rp a r tw a si m p l e m e n t e dt h r o u g hm e a s u r i n ga n dU Gm o d e l i n g E x p o r t i n gS T Lf i l ef r o mU Ga n dl a y e r e dp r o c e s sw i t hC a t a l y s ts o f t w a r ecanc r e a t eaf a s tp r o t o t y p ep a r t D i m e n s i o n a lp r e c i s i o n ，s t r e n g t ha n ds u r f a c er o u g h n e s sw e r ea n a l y z e dt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo fp r o t o t y p ep a r ti np l a c eo fo r i g i n a lp a r t W i t h 肌a n a l y s i so fc o m p e n s a t i o no fA B Ss h r i n k a g er a t et oF Pa n dS T Lf a c e tm o d e l ，t h es h r i n k a g ee r r o r sa n dp r i n c i p l ee r r o r sw e r eg o t F u s e dd e p o s i t e dm e c h a n i s mw a su s e dt op r o v et h ep r o t o t y p ep a r ts t r e n g t hi nl i n k a g ew i t hf u s e dm a t e r i a la d h e r i n gs t r e n g t hb e l o wt h em a t e r i a ls t r e n g t h S u r f a c eq u a l i t yw a sa n a l y z e dt ob er e s t r i c t e db yt h ef u s e dm a t e r i a la d h e r i n gl a y e r Sm i n i m u mt h i c k n e s sa n dm i n i m u mf u s e dp a t hw i d t h F i n a l l y ，ac o n c l u s i o nw a sg o tt h a tt h ep r o t o t y p ep a r tc a nb eu s e di n 一s t e a do ft h eo r i g i n a lp a r to nt h ec o n d i t i o no fl o wd e m a n do fs t r e n g t ha n ds u r f a c er o u g h n e s s ，l i k et h ef i l l e ro i lp a r ta n do n l yb eu s e dt od i s p l a ya sam o d e lo nt h ec o n t r a r y K e yw o r d s ：r e v e r s e d e s i g n ；a c r y l o n i t r i l e b u t a d i n e s t y r e n ec o p o l y m e r ( A B S ) ；S T Lm o d e l ；f a s tp r o t o t y p e ；d e p o s i tm e c h a n i s m ；p r o t o t y p eq u a l i t y1引言逆向工程是采用对实物或模型进行数字化采样测量，然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的C A D 数字模型，从而实现产品设计与制造的过收稿日期：2 0 0 9 0 3 1 8作者简介：许耀东( 1 9 7 8 一) ，男。山东高密人，硬士，助教，现主要从事现代制造与检测技术研究。T e l ：0 2 1 - 6 5 4 2 1 0 2 0 ；E m a r l ：s o d a r b i s e u i t 1 6 3 c o m程。逆向工程可以实现产品的改形或仿形设计，也可以对损坏或磨损的零件进行还原，再现原产品设计。快速成型技术是在2 1 世纪8 0 年代末期发展起来的直接根据C A D 模型生产样件或零件的技术的总称，它被称为现代制造技术的又一次革命。它集成了C A D 技术、数控技术、光学技术和材料技术等多种现代科技成果。快速成型制造的基本原理是根据三维C A D 模型对其进行分层切片，从而得到各层截面的轮 万方数据实验室研究与探索第2 8 卷廓，用计算机控制激光束固化一层层的液态光敏树脂，或利用某种热源有选择地喷射出一层层热熔材料，形成各截面不同并逐步叠加而成的三维产品Ko 。逆向工程与快速成型技术相结合，可组成一个产品设计、原型或小批量制造、检测及设计修改的闭环系统，经过反复迭代，能高效率的完成产品的优化设计突破了制造监的传统模式，为快速设计和快速制造提供了关键技术支持旧- 。本文结合现阶段的快速成型技术的发展，对原型件能否打破传统的只作为模型展示，到能够替代原始零件使用，及原型件的质量评价通过实验进行了研究。2 零件的逆向工程设计根据逆向工程思维，可以对破损零件进行逆向设计，利用一些非专业的逆向设计软件( 如：U G 、P r o E 、C A T I A 等) 和一些专业的逆向设计软件( 如：S u r f a c e r 、C o p y C A D 、T r a c e 等) 进行产品的逆向造型H 。本文首先对破损的漏油嘴进行测量，然后通过U G 建模进行实物造型的还原设计。2 1 零件的测量实验中采用的是油烟机的一个漏油嘴，零件如图1 所示，图中显示零件有破损和裂缝。对漏油嘴零件进行测量，并将破损处进行还原，测量得到剖面尺寸如图2 所示。图l 漏油嘴实物幽口1 0 5图2 漏油嘴剖面尺寸图2 2U G 建模根据漏油嘴零件的实测尺寸，在U G 中进行实体建模，将视图中的W C $ 坐标，移到建模零件的尺寸边界，使零件中不会出现负坐标，如图3 所示。图3 漏油嘴的U G 建模将U G 的文件导出为S T L 文件，如图4 所示。将S T L 文件导入到快速成型的处理软件C a t a l y s t 中，如图5 所示，会显示出一个三维面片模型，如图6 所示。面片模型是对三维C A D 模型进行切片后得到的数据格式，在每层上用折线代替C A D 模型中的曲线。执行P r o c e s sS T L 命令可以生成快速成型分层的“之”字形台阶轨迹，轨迹图显示了程序控制的喷头喷涂过程中运行的轨迹，如图7 所示。 万方数据第1 2 期许耀东，等：基于破损零件逆向设计的快速成型及质量分析4 53 零件的快速堆积成型3 1 快速成型机及材料快速成型机使用的是美国D i m e n s i o n 公司出品的，型号为S S T l 2 0 0 ，可水溶去除支撑的快速成型机。正常工作时，成型机喷头加热温度在2 7 0 3 0 0o C ，成形室环境温度t = 7 0 ，喷嘴直径为d 。= 0 2 5 4m m 。材料用的是A B S P 4 0 0 ，由S t r a t a s y s 公司开发的一种材料1 。这种材料软化熔融区间在1 0 5 2 9 0 ，线性收缩率在0 3 一0 5 ，热稳定性和化学稳定性能好，强度高，根据不同的应用场合，部分原型可以作为功能零件使用。A B S P 4 0 0 丝材通常由9 0 一9 9 的A B S 树脂，0 2 的矿物油和0 2 的石蜡3 种组分均匀混合而成。一般情况下，A B S P 4 0 0 丝材在常温下的弹性模量E = 2 2 3G P a ，剪切模量G = 8 3 3M P a ，泊松比l ，= 0 3 4 。当温度从5 0 变化到2 7 0 时，材料的导热系数，c = 0 1 5 5 0 1 9 5W ( m ) ，比热容为1 4 2 4k J ( k g ) 。3 2 快速堆积成型机理原型堆积时，丝材间粘结是靠刚挤出的高温丝材所携带的热能和表面势能驱动的。在快速堆积成型( F D M ) 工艺中，丝材从喷嘴挤出，沿着规划的路径进行堆积时，由于其高温会使邻近丝材的温度迅速提升到玻璃化温度以上，接触界面首先发生软化浸润。随着接触界面的消失，丝材间的分子发生相互扩散，通常不定型热塑性聚合物分子发生跨界面的有效热扩散温度高于该聚合物的玻璃化温度。经过一定时间的有效扩散后，将达到界面间分子的完全浸润，实现并最终建立起丝材之间的热驱动粘结。粘结界面温度越高，有效扩散时间越长，分子运动越剧烈，界面的粘结强度就越高。但由于这种粘结是建立在界面分子的不充分扩散( 不是有机大分子的扩散，而是分子片段间的扩散连接) 基础上，所以丝材间的粘结强度比丝材的强度要低。为了获得较高的粘结强度，就需要最大限度的延长扩散粘结的时间，同时考虑到原型有好的形状质量和表面质量，防止丝材在堆积时发生尺寸变形，就需要堆积的丝材能够迅速固化哺1 。所以成形机需选择合适的挤出温度和环境温度，来综合权衡考虑丝材的粘结强度和表面质量。4 成型零件的质量分析4 1 快速成型材料热特性对成型精度的影响由于是用A B S - P 4 0 0 塑料进行的制作，从喷头丝材的熔融堆积，到丝材的冷却固化，最后从快速成型机取出，存在环境的温差。已知A B S P 4 0 0 材料的收缩率为0 3 0 5 【9 ，这样它会造成尺寸误差。如表1 所示，对于零件横截面尺寸1 0 5m m 和高度尺寸l Om m ，分别产生0 1 4m i l l 和0 0 4m m 的误差，横截面相对误差约为1 3 ，高度相对误差为0 4 。为了消除这部分误差，将原实物U G 模型放大1 0 0 5 倍，再进行S T L 转换并快速成型，发现原型的尺寸仍然存在误差，如表1 所示，对于1 0 5m m 和1 0m m 的尺寸，产生0 1m m 和0 0 2m m 的误差。说明除了材料收缩率外还有其他的因素影响原型的尺寸精度。表l收缩率调整前后原型尺寸测量结果m m4 2 快速成型原理性误差由于快速成型制作原型时，需要进行文件由三维C A D 模型向S T L 格式的转换，而S T L 文件信息描述方式和分层制造产生的台阶效应是快速成形技术的原理性误差。如图8 所示为一球状物体的S T L 模型。S T L模型是物体原始C A D 模型的近似表达0 1 ，三角面片的数量越多，S T L 模型就越逼近原始C A D 模型。图8 球体的S T L 模型三角化就是用许多无序的小三角面片来近似C A D 模型的表面轮廓，如图8 所示，这种近似表达降低了原型制造的表面精度。由于R P ( R a p i dP r o t o t y p e )分层制造的原理，原型是由一系列沿制作方向的层片堆积而成，因此产生的台阶效应造成堆积原型的表面与C A D 模型的表面轮廓不一致，最终的原型轮廓只是原始C A D 模型的台阶状近似，如图9 所示。|卜1八刃hII卜一卜|卜lr 、一一一1图9 球体分层的台阶效应4 3 堆积机理对成型强度及表面质量的影响A B S P 4 0 0 的成形材料是通过对熔融丝材“肩并肩”并行堆积叠加而成的原型，原型靠丝层问的粘结力粘结产生的，所以零件的强度取决于粘结力的大小而不是材料的强度。零件在沿堆积丝材轴线方向的强度约为3 1M P a ，而在垂直于丝材轴线方向的横向薄弱 万方数据实验室研究与探索第2 8 卷部位，丝材间的粘结强度仅为5M P a ，采用A B S 熔融丝材层间叠加堆积而成的原型强度只有使用同种材料注塑而成的原型强度的6 0 一8 0 o t t 。削弱原型强度的微观原因主要是原型内的空隙和丝材间薄弱的粘结部分，原型内部的空隙减小了力作用方向的承载面积，并伴有应力集中和剪切裂纹等不利因素；而靠熔融热扩散粘结在一起的丝材，丝材间的粘结强度包括其抗剪切强度和抗拉伸强度都小于堆积丝材本身的强度。因此，若要提高熔融堆积原型的机械力学性能就必须降低原型的空隙率和提高层与层之间以及各层内丝材间的粘结质量。所以快速堆积成型零件一般具有较低的强度，并且由于快速成型的材料价格较高，成型精度不够，通常只用于外观造型，而不进行互换使用。由于本例漏油嘴要求的强度不高，而且并非大批量生产，所以可以通过快速原型件替代原始零件使用。其次对快速原型的表面质量进行分析，由于堆积层的层间厚度为0 2 5 4m m ，堆积时的路径宽度是0 5 0 8m m0 1 3J ，如图1 0 所示。这不可避免的会产生一些微小的堆积间隙，所以影响了成型零件的表面粗糙度。目前还没有针对R P 工艺特点统一的描述方法，只有借鉴传统用于对机加工零件进行表面精度评价的指标。使用表面粗糙度来衡量F D M 原型件的表面微观精度，仍采用其常用的评定方法轮廓算术平均偏差置。对熔融堆积原型件进行表面精度分析。通过对漏油嘴原型的观察，一般成型零件的表面能看到堆积纹路，如图1 l 所示。成型零件的粗糙度R 。接近6 3i t m ( 对应光洁度V 4 ) ，比对粗糙度样板如图1 2 所示。5 结论图1 2 粗糙度样板比对( 1 ) 快速堆积成型的零件受A B S 材料收缩率以及快速成型原理性误差等因素的影响，导致快速原型件的尺寸存在一定的误差。试验得出原型横截面的相对误差约为1 3 ，高度相对误差较小。( 2 ) 快速堆积的粘结机理影响了零件的强度，使快速原型件强度取决于丝材的粘接强度，而小于丝材本身的强度。同时丝材粘结层最小厚度及路径宽度的限制也导致了零件粗糙度的等级不是很高，通常R 一6 3 斗m 。( 3 ) 通过对零件逆向设计和快速成型可以做到零件的外型展示，若零件强度要求不高，如漏油嘴，可以将快速原型件与原零件互换使用。若强度要求严格则不能与原零件互换使用。参考文献IR e f e r e l l c e s ) ： 1 王晓飞，吴蓓蓓基于逆向工程的产品外观设计 C f 2 0 0 7 国际工业设计研讨会暨第1 2 届全国工业设计学术年会论文正绾2 0 0 7 ( 1 2 ) ：2 7 0 - 2 7 2 【2 王明辉，宋家旺，赵毅反求工程与连杆的快速成形【】 中国机械工程，2 0 0 6 ( 1 0 ) ：2 3 0 - 2 3 3 3 “L ，S c h e m e n a u e rN ，P e n gX AI v e l l l ee n g i n e e r i n gs y s t e mf o rr a p i dm a n u f a c t u r i n go fc o m p l e xo b j e c t s J R o b o t i c sa n dC o m p u t e rI n t e r g -r a t e dM a n u f a c t u r i n g ，2 0 0 2 ，1 8 ：5 3 - 6 7 4 周耀新，王宏涛，刘巧云逆向工程技术概论 J 机械设计，2 0 0 5 ，2 2 ：3 - 4 5 李泽峰U G 逆向技术的方法应用 c 中国汽车工程学会制造年会2 0 0 5 ：4 3 - 4 5 6 G r i m mT U s e r sg u i d et or a p i dp r o t o t y p i n g M D e a r b o m ：M i c hS o c i e t yo fM a n u f a c t u r i n gE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 7 P e r e zCJ A n a l y s i so ft h es u r f a c er o u g h n e s sa n dd i m e n s i o n a la e c u r a -c y c a p a b i l i t yo ff u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n gp r o c e s s J I n t e r n a t i o n a lJ o u m a lo fP r o d u c t i o nR e s e a r c h ，2 0 0 2 4 0 ( 1 2 ) ：2 8 6 5 - 2 8 8 I 8 王天明基于颗粒体熔融堆积的高速挤出装置及快速成型工艺理论研究 D 】上海：上海交通大学2 0 0 6 9 】E d e nP F D Mi n v e s t m e n ts i g n i f i c a n t l yc u t sc o s t s J M e d i c a lD e s i g nT e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，4 ( 8 ) ：1 4 1 0 A s h w i nH 。A m i tB M o d e l i n go f m u l t i p l ep o r ec e r a m i c m a t e r i a l s f a b r i e m e dv i af u s e dd e p o s i t i o np r o c e s s J S c r i p t sM a t e r i a i i a ，2 0 0 0 ，4 2( 6 ) ：5 8 1 - 5 8 8 1 i G r i m mT A F u n dd e p o s i t i o n m o d e l i n g ：a t e c h n o l o g ye v a l u a t i o n E B e L h t t p ：w w w a t i r a p i d c o r n 1 2 晁永生，樊军逆向工程与快速成型一体化应用研究 J 机床与液压，2 0 0 8 ( 4 ) ：2 7 9 - 2 8 1 1 3 S t r a t a s y sI n s D i m e n s i o nt r a l n i n g E B O L 】，2 0 0 8h t t p ：w w w d i m e n s i o n p d n t i n g c o m 万方数据基于破损零件逆向设计的快速成型及质量分析基于破损零件逆向设计的快速成型及质量分析作者：许耀东， 曹志鸿， XU Yao-dong， CAO Zhi-hong作者单位：上海