作者:赵桂范 林乐川 杨娜
mel(C1b"j/ .P5OUK 一、前言
7ajkp+E6 _@:O&G2nB 快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的一项高新技术[1]。它不仅在制造原理上与传统方法全然不同,更重要的是在目前制造策略以市场响应速度为第一的方针状况下,可以缩短市场开发周期,降低开发成本,提高企业的竞争力。
+JrbC/& z)&ZoSXWc 快速成型技术具有以下优点:(1)技术集成度高,整个生产过程数字化;(2)制造成本与产品的复杂程度无关;(3)产品的单价几乎与批量无关;(4)绿色的加工技术。以累加思想实现零件制作的快速成型技术是制造技术领域的一项重大突破,其理论、工艺的完善以及精度的提高等,对快速成型技术的普及和应用有着极其重要的影响。
N!iugGL /Dk`vn2 eN 成型加工过程中,必须保证一定的制作精度和表面质量,影响制件精度的因素是多方面的[2]。对成型加工精度的影响因素及改进措施的研究,对快速成型技术的发展和普及应用具有重要的意义[3,4]。本文试验所采用的快速成型设备是AFS快速成型机。
N497"H</ deVbNg8gs 二、数据处理误差
C.Ty\@U 5`H.{4@ 2.1格式转换误差
]p5]n*0X VYC$Q;Z CAD模型的STL格式转换即是用三角形面片逼近实际模型表面,转换为所谓的事实上的标准文件格式。STL文件的精度等级不同,所产生的转换误差也不同。STL文件的精度是指用STL格式拟合最大允许误差。实际上,如果原几何模型完全由直边组成,则STL格式拟合绝对准确,没有任何误差;否则,存在拟合误差。例如同一个圆分别使用4个及6个三角形的STL格式表示,如图1所示。
由此可见,精度要求越高,三角形面片的数目越多,它所表示的模型与实际模型就越逼近,但与此同时,STL文件数据量也将剧增,加大了后续数据处理的运算量。另外,三角形面片也会随精度提高而变小,在模型的细节部位会出现大量极为细小的三角形面片,增大数据处理的难度。而且在数据处理过程中常常产生致命的错误。因此,较好的方法是根据工艺条件和制件的精度要求选择适当的STL格式精度。
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d 2.1 分层切片误差
7IUu] Fi ,J)wn;@ 将CAD模型进行STL转换后,接着便要对其进行分层处理。分层是用一簇平行平面沿某一设定方向与STL模型求截交线得到轮廓信息。以半径为 的球体为例,如图2a所示,从中截出特定的一段,设其STL格式为图2b所示,这时其顶面和底面是距球心高度分别为h1 、 h2的两个圆,设其半径分别r1 、r2 。
如果分层平面位于顶面或底面之间,设其距球心高度为h,所在平面实际轮廓圆的半径为r,此时分层所得到的多边形将不是半径为r的圆的内接多边形,而是半径为r’的圆的内接多边形。r或r’的大小分别表示为:
所以,为了减少或消除数据处理产生的误差,开发能直接从CAD模型获取成型机能接受的轮廓信息的软件迫在眉睫。
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d'! gOL-b9W 三、设备误差
Q8> ('Doy1L 3.1 托板 方向运动误差
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%Q s 托板 方向运动误差直接影响堆积过程中层厚精度,最终导致Z方向产生尺寸误差,而托板在垂直面内的运动直线度误差,宏观上产生制件的形状、位置误差,微观上导致粗糙度值增大。因此,托板 方向系统要选用精密导轨、滚珠丝杠、伺服控制系统来提高 方向的运动精度。
|E5\_Z t`oH7)nut 3.2 X-Y方向同步带变形误差
i^2-PKPg{ yHIZpU|(j X-Y扫描系统采用X-Y二维运动工作台,由步进电机驱动齿形同步带并带动光头运动。在定位时,由于同步带的变形,会影响定位的精度,常用的方法是通过设定位置补偿系数来减小其影响。为了考察其影响结果,我们在AFS快速成型机上加工制件,分别在采用补偿系数和未采用补偿系数两种情况下作了实验。
|fhYft W34_@,GD 下表即为采用补偿系数和未采用补偿系数时所测得的制件的实际尺寸值,制件的名义尺寸分别为2,5,10,15,20,25mm,所使用的光斑补偿直径分别为1.0mm和1.1mm。
表1 制件尺寸数据(mm)
I5mtr LCouDk(=` 注:表中带有+号表明设定了同步带变形补偿值,其中同步带的X方向的补偿系数为1.017,Y方向的补偿系数为1.022。
将上表中的制件误差用图形表示更加直观,如图3所示,将制件的名义尺寸用水平轴表示,制件的尺寸偏差用垂直轴表示,根据以上实验数据做图如下:
从图3可以看出,在相同光斑补偿直径的情况下,考虑同步带变形补偿系数所得到的制件尺寸精度要高些。在这几种情况下使用1.1mm的光斑补偿直径并设定相应的补偿系数,制件的精度最高。
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?n pH 3.3 X-Y方向扫描运动误差
?@YABl 扫描过程中,X-Y工作台存在以下问题:
<yxy ;o (1)运动惯性力的影响 工作台在开始扫描阶段以恒定的加速度 从静止状态提高到设定扫描速度 ;在制动阶段,工作台以- 的加速度降低为静止状态,如图4所示。在一般情况下,工作台能很快地进入扫描状态,以速度 扫描,在临近另一个边缘处,速度逐渐降低为0。工作台在启动和制动阶段,存在一定的惯性,使得工作台在制件边缘部分将超出设计尺寸的范围,导致制件的尺寸有所增加。
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M O\&-3#e (2)工作台振动的影响 成型过程中,扫描机构对制件的截面作往复填充扫描,如图5所示。由于工作台在运动过程中本身具有一个固有频率,当扫描频率接近系统的固有频率时,振动增大,甚至出现共振现象,制件将产生较大的误差。
yZcnky 图5 对制件的截面往复填充扫描示意图
四、固化成型误差
3Eu;_u_ PRQEk.C 4.1 过固化误差
ZW)_dg 9 dDxb}dx8 塑料粉末的固化宽度与深度是与其所吸收的激光平均能量有关的。扫描速度越低,平均能量越大,这时粉末固化宽度、深度越大,固化程度越高。在靠近制件边缘处,扫描速度越低,而且由于存在扫描方向的变换,形成一定时间的滞留,因此边缘处粉末固化程度较高,出现过固化。在这种情况下,当扫描一条直线时,直线的两端固化程度逐渐增加,固化线呈两头大、中间小的哑铃型,如图6所示。
wJ Qm7n-+ a 理想固化直线 b 实际固化直线
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图6 过固化对制件精度的影响
4.2 收缩变形误差
:Cdqj0O3u aTU[H~dTU 由于材料从粉末状到固态的聚合反应过程中要产生线性收缩和体积收缩,而线性收缩将导致在层堆积时产生层间应力,这种层间应力使制件变形,导致精度丧失。这种变形的机理复杂,与材料的成分、光敏性、聚合反应的速度有关。实践证明:通过开发低收缩、高强度的塑料粉末是提高制件精度的根本途径。而对同一性能的塑料粉末,通过合理选择制作工艺参数来提高制件精度也是一条有效的途径。
}Md5a%s< 5[5|_H+0 4.2 光斑补偿直径误差
![H{ndH!Q PPMAj@B}V 相对于激光快速成型系统,AFS成型系统所用的光源形成的光斑直径要大一些,成型用的光点实际上是一个具有一定直径的光斑(塑料粉末面上光斑约0.5mm),成型中不能将光斑进似为光束能量聚集的光点,光能量分布在整个光斑范围内,实际制件轮廓是光斑中心运行轨迹上一系列固化点包络形成的,如图7所示。图中虚线部分为设计尺寸,在成型过程中光斑中心沿虚线运动,实线部分为实际成型制件,它是由固化点的包络线形成的。这一固化特点不仅增加了制件的尺寸,在其拐角处形成圆角,导致形状钝化,制件的轮廓形状变差,降低了制件形状精度,这使得一些小尺寸的制件用这种大直径的光斑无法加工。
n3B#M}R 图7 光斑对制件精度的影响
所以如果不采用补偿,所做出的制件实体部分实际上每侧大了一个光斑半径,使制件出现正偏差。为了减小或消除正偏差,采用光斑补偿,使光斑扫描路径向实体内部缩进一个光斑半径。从理论上说,光斑扫描按照向实体内部缩进一个光斑半径的路径扫描,所得制件的尺寸误差为零。
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