（机械制造及其自动化专业论文）快速成型加工方法的研究.pdf

摘要 摘要 以累加思想实现零件制作的快速成型技术( r p ) ，是制造技术领域的一项重大突破， 它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想从c a d 模型物化为具有一定功能的原型或 零件，进而实现对产品设计进行快速评价、修改及功能试验。因此，此项技术能有效地 缩短产品的研发周期。但是目前快速成型制件的加工精度普遍较低，而且由于设备体积 的限制，很多零件无法直接加工。本文在综合分析影响加工精度的各个因数的前提下， 以降低快速成型设备的原理性误差一台阶效应为目的，开发了零件分解系统，从而提 高了关键表面的精度和加工效率。 本文首先研究了国内外快速成型技术的现状和发展趋势，然后采用理论分析和试验 的方法，研究激光烧结参数对加工精度的影响，通过对试验数据的分析研究，探讨了烧 结制件中出现的几种缺陷的形成原因，得出了一些影响烧结制件精度的规律，并提出了 减少烧结缺陷的措施和方法，这对激光烧结成型工艺的应用有一定的指导意义。 快速成型技术中的分层厚度和零件坐标对原型的制作精度、制作时间、制作成本有 着重要影响，在对其进行研究后，通过实验分别建立了以制作时间和表面粗糙度为目标 的分层厚度、零件坐标系的关系，为零件坐标和层厚的选取提供了理论基础和实验依据。 最后分析了目前快速原型系统的不足，提出了将尺寸较大或复杂的零件分解成小而 简单的零部件的算法，这些零部件可以在一次加工中完成。由于在分解时考虑了关键表 面精度，所以在加工时间、支撑体积和表面精度等方面都有很大的优化。在u g 环境下 通过g r i p 语言进行编程，开发了零件分解系统，该程序采用简单的人机交互方式，实 验证明该方法能显著提高零件的加工效率和关键表面的精度。 关键词：快速成型技术选择性激光烧结制件精度零件分解u g 二次开发 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n o l o g yi nw h i c hf a b r i c a t e sp a r t sw i t ha c c u m u l a t i v e m e t h o d ，i sa l li m p o r t a n tb r e a k t h r o u g hi nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yf i e l d i tc a na u t o m a t i c a l l y , d i r e c t l y , r a p i d l ya n da c c u r a t e l yc h a n g et h ed e s i g nt h o u g h to fc a dp r o t o t y p e si n t or e a l p r o t o t y p e s o rp a r t sw h i c hh a v ec e r t a i nf u n c t i o n , a n dt h a ta c h i e v er a p i de s t i m a t i o n , m o d i f i c a t i o na n df u n c t i o n a lt e s to fp a r t sd e s i g n t h e r e b y , t h et e c h n o l o g yc a ne f f e c t i v e l y s h o r t e nt h ep e r i o do fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t s b u tt h ep r e c i s i o no fp a r t sw h i c h m a n u f a c t e db yt h er pm a c h i n e si sl o w , a n db e c a u s et h ev o l u m eo ft h er pm a c h i n e si sl i m i t e d ， m a n yp a r t sc a n tb ef i n i s h e dd i r e c t l y b a s e dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st of a c t o r so fi n f l u e n c e p r e c i s i o n a n df o r t h ea i mo fi n c l i n i n ge r r o ro fp r i n c i p l e - - - s t e p se f f e c t ，s t u d i e d p a r t d e c o m p o s i n gs y s t e m t h es y s t e mc a ni n c r e a s ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c y t h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya c t u a l i t yi no u rc o u n t r ya n da b r o a di sa n a l y z e df i r s t t h i st h e s i sm a d eu s eo ft h em e t h o d so ft h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ，s t u d i e dt h ei n f l u e n c e o fl a s e rs i n t e r i n gp a r a m e t e r st om a c h i n i n gp r e c i s i o n ，a n dt h er u l eo ft h ei n f l u e n c eo fs i n t e r i n g p a r tp r e c i s i o nw a sg o tt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fe x p e r i m e n td a t aa n dd i s c u s s i o no ft h e f o r m a t i o nr e a s o no fs e v e r a ld i s f i g u r e m e n t si ns i n t e r i n gp a r t t h em e a s u r ea n dm e t h o do f m i n i m i z et h es i n t e r i n gd i s f i g u r e m e n tw a sp r e s e n t e d ，w h i c hc o u l db eag u i d a n c et ot h e a p p l i c a t i o no fl a s e rs i n t e r i n gp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h ei n f l u e n c eo fl a y e rt h i c k n e s sa n dp a r tc o o r d i n a t et op r e c i s i o na n de f f i c i e n c yi sg r e a t a f t e rs t u d y i n gt h ei n f l u e n c e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r tc o o r d i n a t ea n ds l i c et h i c k n e s sa n d s u r f a c er o u g h n e s sa n dm a n u f a c t u r ee f f i c i e n c yi s p r e s e n t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ，w h i c h p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n de x p e r i m e n t a ld e p e n d e n c i e st oc h o o s i n gl a y e rt h i c k n e s sa n dp a r t c o o r d i n a t e s t u d i e st h es h o r t n e s so fr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mc u r r e n t l y , p r o p o s e sa l la l g o r i t h mo f d e c o m p o s i n gl a r g ea n dc o m p l e xp a r t si n t os m a l l e ra n ds i m p l e rc o m p o n e n t sw h i c hc a nb e f a b r i c a t e do n c e b e c a u s eo fc o n s i d e r i n gt h ec r i t i c a ls u r f a c ea c c u r a c yw h e nd e c o m p o s i n g ，t h i s a l g o r i t h mc a no p t i m i z et h eb u i l dt i m e ，t h es u p p o r tv o l u m ea n dt h es u r f a c ea c c u r a c y d e v e l o p e dp a r td e c o m p o s i n gs y s t e mo nt h eu g e n v i r o n m e n tt h r o u g ht h eg r i pp r o g r a m m i n g l a n g u a g e i tu s e de a s yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nd i a l o gb o x e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h e e n h a n c e m e n to fe f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no fc r u c i a ls u r f a c e si sr e m a r k a b l e k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g p a r t p r e c i s i o n p a r t d e c o m p o s i t i o n u gf u r t h e rd e v e l o p m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，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过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 1 签名： 盘旦堕竺 日 期：丝竖：z 兰二 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留，使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 量垦堕兰 导师签名： 日，期： 、幻 、j u蕊。7 _ 第一章绪论 第一章绪论 快速成型技术是在计算机技术、数控技术、激光技术和新材料的基础上发展起来的 一种先进制造技术，该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、 考古和影视等领域得到良好应用。本章将对快速成型技术进行概述，提出改善加工方法 的必要性和措施。 1 1 快速成型技术概述 随着现代物质文明和科学技术的迅速发展，人民生活水平不断提高，其消费也日趋 个性化，对工业产品不断地提出更新的要求，产品竞争也愈来愈激烈，从卖方市场转化 为买方市场并且日趋全球化。在工业中，特别是汽车零部件产品向多品种、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。为了保持和加强产品在市场上的竞争 力，要求产品的开发周期、生产周期、更新换代周期越来越短，设计者不但能根据市场 的需求很快地设计出新产品，而且能在短时间内制造出产品或样品。在这种情况下，如 果用传统的制造方法，需要多种机械加工机床、工具、模具，还要高水平的技术工人， 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。因此，研究低成本、高效 率的产品生产技术是解决这个问题的关键1 1 州。 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 技术是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的一项 高新技术【5 蚓。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，其基本过程如图1 1 所示。 c a d 实体模型一 按照一定方式离散一 各层面信息处理一 r 1 层面加工与连接 堆积处理一 后处理一 分计 解中 过 处j 程 r l 组 台 成 过 中 处j 程 ， 附加一恃j 过程j中i r 图1 1 快速成型基本流程 f i g 1 1 b a s i cf l o wo fr p 江南大学硕士学位论文 它基于离散和堆积原理，将零件的c a d 模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、 离散线和离散点，而后采用物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零 件的整体形状。具体的方法是，依据零件的三维c a d 模型，经过格式转换后，对其进行 分层切片，得到各层截面的二维轮廓形状。按照这些轮廓形状，用激光束选择性地固化 一层层的液态光敏树脂，或切割一层层的纸或金属薄片，或烧结一层层的粉末材料，以 及用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔性材料，形成各截面的平面轮廓形状， 并逐步叠加成三维立体零件。 r p 成型工艺方法的原理是先将c a d 模型水平地切成许多薄层，然后在快速成型机上 每次一层地进行逐层成形，并将各层粘合在一起，从而得到零件的原型。 图1 2 所示的是选择性激光选区烧结的工艺原理【7 3 1 ，成型系统的主体结构是在一封 闭成型室中装有两个活塞筒，一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始，供粉活 塞上移一定量，铺粉辊将粉末均匀地铺在加工平面上。激光束在计算机的控制下透过激 光窗口以一定的速度和能量密度扫描。激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度片层，未 扫过的地方仍然是松散的粉末，这样零件的第一层就制造出来了。这时，成型活塞下移 一定距离，这个距离与设计零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定距离。铺粉辊再 次将粉末铺平后，激光束开始依照设计零件第二层的信息加工。激光扫过之后，所形成 的第二个片层同时也烧结在第一层上。如此往复，一个三维实体就制造出来了。 聚焦镜+ 激光器 图1 2s l s 工艺原理 f i g 1 2p r i n c i p l ep r o c e s so fs l s 快速成型具有以下优点： ( 1 ) 技术集成度高。整个生产过程数字化快速成型技术集成了计算机、数控、激光、 材料技术等现代高科技成果，是一种典型的多学科交叉运用技术0 1 。成型零件与c a d 模型具有直接关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。 ( 2 ) 制造成本与产品的复杂程度无关。它突破了传统“毛胚一切削加工一成品”的零 件加工模式，产品的制造过程几乎与零件复杂性无关，由计算机数据信息驱动设备进行 数字化制造，无需专用工具，采用分层加工，大大地降低了材料加工难度。这是传统方 法无法比拟的，特别是对难制造、形状复杂的零件具有极大吸引力。 2 第一章绪论 ( 3 ) 产品的单价几乎与批量无关。特别适合新产品的开发和小批量零件的生产，与 传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造等功能，为传统制造方法注入了新的活 力。 ( 4 ) 绿色的加工技术。由于快速成型采用了激光技术，其加工过程是激光与材料相 互作用的过程，是一种非接触、无磨损、无噪音( 或噪音小) 、无切屑( 或去除材料时产 生少量的废屑) 、无振动，基本上对环境不造成污染的加工技术【2 1 ，而且节省被加工材料， 有利于环保。 总而言之，由于快速成型技术具有经济性和高效率等优点，它必然会成为2 1 世纪的 一种先进加工技术，其应用也将越来越广泛。 1 2 快速成型技术研究现状和发展趋势 1 2 1 快速成型技术的分类 目前，国内外快速成型技术的成型方法有很多种。根据使用材料的形态( 气态、液 态、固态或粉末) 和成型机理不同，快速成型有下列几种比较成熟的方法 4 , 1 2 - 1 4 。 1 立体光刻技术 立体光刻成型( s t e r e ol it h o g r a p h ya p p a r a t u s 简称s l a ) 技术是目前世界上研究最深 入、技术最成熟、应用最广泛的实用化技术。该技术采用紫外激光束硬化光敏树脂生成 三维物体。在液槽中盛满液态的光敏树脂，树脂可以在紫外激光照射下进行聚合反应， 发生相变，由液态变为固态。成型开始时，工作台下降至液面以下一个层高的距离，在 计算机控制下的激光束以预先确定的各个分层截面的轮廓为轨迹逐点快速扫描，被扫描 区域固化，从而形成一个固态薄截面。然后升降机构带动工作台再下降一个层高，其上 又覆盖上一层液态树脂，以便进行第二层扫描固化，新固化的一层牢固地粘在前一层上， 如此重复，直到加工出整个模型。s l a 技术的常用原料是热固性光敏树脂，主要用于制 造各种模具和模型等。还可以通过在光敏树脂中加入其他的材料成型，用制造出的原型 代替熔模精密铸造中的蜡模等。 2 分层实体造型 分层实体造型( 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 ) 技术是近年来发展起来 的又一种快速成型技术，它是通过对原料纸进行层合与激光切割来形成零件。这种工艺 采用激光器按照c a d 分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热溶胶的薄膜材料或 其他材料的箔带切割成预制原型在该层平面的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚刚切 好的一层与下面己切割层粘接在一起。这样通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料 剥离，得到预制的原型。l o m 技术常用的材料是纸、金属箔、陶瓷膜、塑料膜等，除了 制造模具、模型以外，还可以制造结构件。但是制件的粘结强度与所选的基材和胶种密 切相关，废料的分离比较费时，边角废料多。 3 熔丝沉积造型 熔丝沉积造型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e li n g ，简称f d m ) 技术是采用热熔喷嘴，将半流 动的材料按c a d 分层数据控制的路径挤压并沉积在指定位置凝固成型，逐层沉积、凝固 江南大学硕士学位论文 后形成整个原型或零件。这一技术也称为熔化堆积法、熔融挤出成模( m e m ) 等。f d m 的技 术关键是得到一定粘度、易沉淀、挤出程度容易调整的熔体。它用液化器代替了激光器， 所用材料主要是石蜡、塑料等低熔点材料和低熔点金属，可直接制造金属件和多种模型。 此技术具有系统成本低、体积小、无污染等优点，是办公环境下的理想的桌面制造技术。 4 三维喷涂粘接 三维喷涂粘接( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，简称3 d p ) 技术是一种不依赖激光的成 型技术。其原理类似于喷墨打印机，它使用粉末材料和粘接剂，按原型或零件分层界面 轮廓，喷头在每一层铺好的材料粉末层上有选择地喷射粘接剂，喷过粘接剂的路径材料 被粘接在一起，其他地方仍为松散的粉末。层层粘接后就得到一个三维空间实体，去除 实体周围的粉末材料后烧结成型，就得到了所要求的原型或零件。3 d p 技术采用的材料 包括陶瓷、金属、塑料等粉料。造型的过程中可以随时改变材料，因此可以制造多种不 同材料、颜色、力学性能、热性能组合的复合材料零件和非均质结构材料零件。但是这 种制件有精度较差、制件易变形甚至出现裂纹等缺陷。 5 选择性激光烧结 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 ) 技术是首先由c a d 产生制件 的三维模型，用分层切片软件对其进行切片处理，获得各截面形状的信息参数，在计算 机的控制下，激光对材料粉末分层扫描，使粉末材料粘结固化，再进行下一层扫描烧结， 如此层层叠加，最终生成所需要的三维实体制件。s l s 技术突破了快速原型由于其制造 方法要求的使用材料的限制，现在可以烧结陶瓷、塑料、石蜡等多种材料，还将开发更 多的使用材料，用金属粉末直接进行烧结的工艺正在研究阶段【6 , 1 5 - 1 7 】由于激光烧结工艺 参数对制件精度、强度的影响很大，对经验的依赖性非常强。尤其是烧结塑料材料时， 针对某种材料，合理地选取工艺参数，对提高烧结制件精度、避免烧结缺陷是非常重要 的。 1 2 2 快速成型技术的研究现状 自1 9 9 1 年以来，d a y t o n 大学每年举办i n t c e n f o nr a p i dp r o t o t y p i n g ，它是快 速成型历史最悠久的会议并陆续提出了多种快速成型方法及成型机。目前在美国、欧共 体、日本等快速成型制造技术研究和应用较深入的国家，有关于快速成型制造技术的专 门学术期刊，如美国的r a p i dp r o t o t y p i n gr e p o r t 等，并且定期召开以快速成型制造 技术为主题的学术会议。由美国s m e 协会的r p a 分会主办的i n t c o n f 0 1 1r a p i d p r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g 会议，侧重点为快速成型制造对制造业的影响，并伴 有大量销售商的展览。t a x a x 大学每年举办t h es o l i df r e ef o r mf a b r i c a t i o n 学术会 议，会议侧重点为快速成型制造科学研究。欧洲、日本也举办快速成型制造年会。快速 成型制造技术还成为许多国际学术会议的热点主题。己g , l f 0 的有关快速成型制造的专业 杂志有美国c a d c 崩杂志的每月新闻通讯r a p i dp r o t o t y p i n gr e p o r t s ，英国m c b 大学 出版的r a p i dp r o t o t y p i n gj o u r n a l ( 1 9 9 5 年创刊) ，美国r p a 协会季刊r a p i d p r o t o t y p i n g 概括起来这些会议和杂志涉及新的快速成型制造方法、工艺改进、新材料 丌发、快速模具制造、制件精度软件以及新应用等【1 5 1 8 】。 4 第一章绪论 近年来随着对先进制造技术理论研究的不断深入，国外相继提出了许多新理论和新 概念，如并行工程( c e ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 等，这些都极大地促进了快 速成型制造技术的发展。 国内正逐渐开展r p 技术和系统的研究与开发。清华大学已研制成功具有f d m ，l o m 多功能r p 设备，北京隆源公司采用选择性激光烧结技术，成型速度快，材料范围广， 其a f s - 3 2 0 ，a f s - 4 5 0 已得到广泛推广。西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大 学也在开展r p 技术、材料、设备的研究工作，并取得了突破性的进展。 清华大学徐达、颜永年等研制的( 实心块体原型) 超大型l o m - 1 6 0 0 分层实体制造系 统，其成型空间为1 6 0 0 8 0 0 7 0 0 咖3 ，是汽车覆盖件首选r p 工艺装备。它填补了r p 制 造大型原型方面的空白，解决了凝固过程中的尺寸精度问题，对于大型汽车覆盖件快速 金属模具制造中优化原型尺寸，获得良好尺寸精度的模具，提高设计水平及快速反应能 力具有现实意义。 西安交通大学与第四军医大学从事的生物活性组织快速制造技术，研制具有生物活 性的人体骨骼，通血液、通营养，用于人体骨骼移植，这是r p 技术与生物医学的巧妙 结合。西安交通大学刘亚雄、季涤尘等基于快速原型的个体匹配骨骼造型方法研究，改 进了个体匹配的设计与制造的速度和精度，缩短了病人的等待时间，改善了骨骼外形的 匹配程度，不通过曲面重构，而直接利用r p 完成人体骨骼模型的造型。 1 2 3 快速原型技术的发展趋势 快速原型技术经过近2 0 年的发展，正朝着实用化、工业化、产业化方向迈进。其未 来发展趋势归纳如下【1 9 2 0 】： 1 创新工艺 r p 技术的发展离不开其他先进设计、制造技术的支持，而且，它们之间的结合越来 越紧密。冰冻成形以水为原料，通过温度控制、水滴控制、喷射方法与速度控制实现快 速成形：人体骨骼组织工程材料成形利用材料的生物活性，将器官移人人体后诱导破坏 组织再生，恢复机体功能，并适时降解。 2 开发新材料 合适的材料是快速原型制造的关键。研制替代进口的光固化树脂，是r p 技术推广 的当务之急，开发全新的r p 新材料如复合材料、纳米材料、非均质材料、活性生物材 料，是当前国内外r p 成型材料研究的热点。 3 开发功能强大的数据采集、处理和监控软件 软件系统不仅是实现离散、堆积成型的关键，而且还对成型速度、成型精度、零件 表面质量等方面有很大影响。目前，大多数快速原型制造系统所使用的分层切片算法都 是基于s t l 文件进行的，s t l 文件存在许多缺陷和不足，如何克服s t l 文件本身的缺陷， 建立统一的数据格式是十分重要的。现在的切片方式都是平面的，今后可能发展曲面切 片、不等厚分层等方法，从曲面模型直接截面、分层，用更精确、更简洁的数学描述， 提高造型精度。 4 不同制造目标相对独立发展 江南大学硕士学位论文 当前，r p 制造目标主要有三个方面，即快速概念设计原型制造、快速模具原型制造、 快速功能零件原型制造。其中快速概念设计原型制造与快速模具原型制造技术已在实际 中应用，市场潜力巨大，是近期研究和市场化重点。快速功能零件原型制造技术难度较 大，近期仅限于研究领域。 5 反求技术已成为研究热点 麻省理工学院( m i t ) 的r p 课程均将反求与r p 融合。由实物、照片或c t 数据等组成 的反求几何模型，常用于仿制、维修和新产品开发，可大大缩短产品开发周期，降低成 本。反求技术也是人体器官成型的核心与基础。 6 向大型制造和微型制造进军 由于大型模具的高难度和高成本，以及r p m 在模具制造方面的优势，可以预测r p m 将向大型原型制造方向发展。r p m 的另一个重要发展方向是微型化，适应环境和桌面化 的微型“三维打印机 正日益受到r p 设备开发商和用户的关注，这种产品价格便宜、 外观小巧、成型空间小并有一定的造型精度。这方面以色列的概念模型机世界领先，清 华大学激光成形中心也在开发适合中国国情的“三维打印机 ，它有较高的性价比。 7 r p m 行业标准化 目前，r p m 工艺、设备种类繁多，r p m 行业标准化既有利于开发商开发更新的产品， 又方便用户。 8 高速度、高精度、高可靠性 大力改进快速原型制造系统，研制工作精度高、可靠性好、效率高而且廉价的制造 设备，将解决制造系统昂贵、精度偏低、制品物理较差、所使用材料有限等问题。 9 生长成型 伴随着生物工程、活性材料、基因工程、信息科学的发展，信息制造过程与物理制 造过程相结合的生长成型方式将会产生，制造与生长将是同一概念。以全息生长元为基 础的智能材料自主生长方式是r p m 的新里程碑。 l o 网络加工 通过信息高速公路形成快速原型制造信息网络，使用户直接从网络得到产品的模 型，利用自己的快速原型制造设备制造出原型，另一方面没有原型设备的公司也可以利 用网络通过远程制造来实现原型制造。 1 3 本课题研究目的、意义和主要内容 1 3 1 本课题研究目的、意义 自快速成型技术诞生以来，精度就一直是快速成型技术发展的一个瓶颈，也一直是 快速成型领域的一个重要研究方向。快速成型包括数据处理、成型过程和后处理三部分 组成，所以确切地讲，快速成型误差由数据处理产生的误差、成型过程产生的误差和后 处理产生的误差组成。本课题旨在研究快速成型制造的误差产生机理，完善快速成型制 造的精度理论，提高快速成型制造精度，从而改善快速成型方法。 快速原型制造理论上来说是不受零件的形状和尺寸限制的，它可加工具有复杂外形 6 第一章绪论 等传统加工方法无法完成的工件。但是目前对于每一种快速原型设备，它们都存在以下 两大问题： ( 1 ) 成形缸的大小和形状都有一定的范围，所以对予那些尺寸比较大的零件通常是 无法加工的，即使可以翔工也需要大量的加工时润和成本。 ( 2 ) 快速原型机的原理是层加工( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g ，缩写l l l l ) 即一层一层的 堆积材料。磊层加工也带来了其他的阔题，其中一个就是零件的制造精度难以提离。分 层制造的一个主要的精度损失就是它所特有的阶梯误差，如图1 3 所示，分层制造后产 生的台阶必然带来精细轮廓的损失。 z 向警误差 分层制j 造i 轮廓 2 2 2 2 么么 柳耩细结构遗失静瞄面搬 刈彳阶一 ? 飞| 励 轮廓 豳1 3 分层裁造酶原理牲误蓑 f i g i 3p r i n c i p l ee r r o ro fi a y e r e dm a n u f a c t u r e 如何解决以上两大问题? 对于阀题( 1 ) ，解决方法无菲有两种：一种是从硬件设备粥发，增大成形缸尺寸， 但是这样无疑大大提高了整个设备的制造成本，而且也只能在一定程度上解决问题，并 没有完全解决；另一种方法藏是从零件本身考虑，蒋那些尺寸比较大妁零件分解成尺寸 较小的可加工零件。 对于问题( 2 ) ，唯一的办法是降低分层厚度来减小台阶效成的影响，但是分层厚 度直接影响着加工效率和表面精度。如何解决这一矛盾，以较好的制造精度，较高的效 率制造出表面质量更好的零件成为近年来r p 行业的研究热点，为了能够更好的降低台阶 效应，提离零件表菰质量：同时减少层片数，提高加工效率，人们提出了自适应分层算 法，即以不同的层厚对c a d 模型进行分层，层片的厚度随着零件表面的几何特征变化。 般来说当零件表瑟曲率大时，层片采雳较小的层厚，以提高表蘧精度；当零件表瑟睦 率小时，采用用户给定的最大层厚进行分层，以减少层片数目，提高加工效率。e l j 于减 小了台阶效应，自适应分层可以获得更好的表面质量。 但是自适应分层算法还怒有以下几点不足的地方： 只能一定程度的减小尖端误差，尤其在特征交汇处很难达到精度要求。 很多的方法都还不能在誉前的快速原型系统上得到实现，对于实际加工帮助不大。 很少考虑支撑机构的多少。 本课题针对目前的快速原型系统试图从零件本身出发，着力髌决可加工性和提高表 面精度，并实现整个过程的简单，便捷。 7 江南大学硕士学位论文 1 3 2 本课题主要内容 圭对快速原型的加工工艺流程进行分析，确定影响制件效果的因数，对主要因数产生 的原因以及阶梯效应对制件表面精度的影响进行一定研究，通过实验得到可以指导实际 生产豹经验数据。 2 分析零件的坐标和层厚的选取对制件的表面精度和加工效率的影响，列出它们之间 的影响关系，并提出定精度切片和定时闻切片。 3 提出种基于零件分解的快速原型算法，通过实验证明该方法的有效性。 4 用u g 二次开发语言将分解算法实现，更好的指导生产。 s 第二章影响制件精度的因数 第二章影响制件精度的因数 正确理解快速成型制造中误差形成机理和误差的传递机理是进行快速成型制造精度 研究的前提，因为只有在这个基础上我们才能评价、预测和控制零件的最终精度，才能 有针对性地对产生误差的各个环节予以研究，进而采取有效措施以切实提高快速成型制 造的精度。快速成型制造的误差可以分为数据处理过程中产生的误差、成型加工过程中 产生的误差和后处理产生的误差，分别称之为前处理误差、成型加工误差和后处理误差。 本章将对快速成型制造产生误差的各环节进行分析，并研究各种误差的相互作用和传 递。 2 1 快速原型产生误差及分类 快速成型技术的基本原理是将任意复杂的三维型体转化为一系列简单的二维层片， 逐一加工并叠加这些层片，从而获得三维模型：从其工艺过程来看，主要包括以下三个 部分：其一是c a d 模型的前处理，即首先建立三维c a d 模型，然后对其进行s t l 格式化( 网 格化) 处理，形成s t l 文件，在此基础上进行分层切片处理，获得每个二维层片信息，亦 且p c a d 模型的数据处理。其二是成型加工，根据切片处理得到的二维层片信息，控制成 型机逐层加工并叠加这些层片，最后获得三维实体原型。其三为原型的后处理，包括剥 离支撑和废料、打磨、抛光，表面涂覆等。r p 原型产生误差的主要原因可按图2 1 所示 分类【2 1 之5 1 图2 1r p 误差的分类 f i g 2 1 e r r o rt y p eo f r p 9 江南大学硕士学位论文 2 2 产生误差的因数分析 2 2 1 前处理产生的误差 数据处理亦即前处理是快速成型的第一步，是指从c a d 模型获得成型机所能接受的 控制数据，其数据精度直接影响r p 原型的制作精度。在这一过程中产生误差的原因主要 有两个，一个是c a d 模型的面型化处理艮p s t l 格式化带来的误差、一个是分层切片产生的 误差【2 6 l 。 1 s t l 文件格式的影响 目前，快速原型制造技术使用的数据交换格式主要有s t l 、i g e s 等格式文件，其 中s t l 文件是美国3 ds y s t e m s 公司首先提出的。现已成为c a d 系统与快速原型制造系 统之间进行数据交换的标准。事实上它已成为工业数据标准，国内外几乎所有的快速原 型系统都把s t l 文件作为数据输入格式之一。它的描述方式就是将制件的三维模型的 自由曲面用一系列的小三角形平面来逼近，根据曲面近似的程度不同，选择不同的三角 形网格划分。每个三角形面片由四个数据项表示，即三角形三个顶点坐标( x ，y ，z ) 和一个三角形面片外法线矢量( n ) 。显然，精度要求越高，网格划分的三角形应该越多、 越逼近实物，计算机处理的时间越长。 s t l 格式文件的优点是大大简化j c a d 模型的数据格式，它便于在后续分层处理时获 取每一层片实体点的坐标值，以便控制成型头对材料进行选择性扫描。这种文件格式将 c a d 连续的表面离散为三角形面片的集合，因而不管精度怎么高，也不能完全表达原表 面，这种逼近误差不可避免地存在。如制作一圆柱体，当沿轴线方向叠加时，如果逼近 精度有限，则明显地看到圆柱体变成了棱柱体。过高的选择精度，将使三角形面片的数 目急剧增加，这样s t l 文件的数据量也将急剧增加，加大了计算机数据处理难度，因此 又限制了精度不能提的过高。清除这种误差的根本途径是能直接从c a d 模型产生制造数 据，但是目前实用中尚未达到这一步。 现有的办法只能在对c a d 模型进行s t l 格式转换时，通过恰当地选择精度参数值减少 这一误差，这往往依赖于经验，如图2 2 ，p r o e 软件是通过选定弦高值( c h - c h o r dh e i g h t ) 作为逼近的精度参数。图2 3 所示一柱体的s t l 文件格式，如果c h 值选的太小，要牺牲处 理时间及存储空间，并且这种情况下由于软件的问题s t l 文件也会产生错误，需进一步 检查修补，这给后续处理带来了麻烦【2 7 之引。 1 0 第一章影响制件精度的因数 囤22p r o e 软件输出s t l f i g2 2o ulo u ts f lo f ? r o l es o l t ( a ) c h = 02( b ) c h ，o0 2 凰23 柱体的s t l 文件格式 f ig23s t lr i ief o r m a t o fac o l 岫n i a t i o n 2 分层切片时产生的误差 切片过程需要控制的参数包括零件牮标、切片厚度，扫描间距和扫描方式。 ( 1 ) 零件坐标、切片厚度产生的误差 零件坐标即切片过程中零件在坐标系中的摆放方向。切片的过程是通过一簇垂直于 制作方向的平行平面- 与s t l 文件格式模型相截，所得到的截面与模型实体的交线就是各 薄层的轮廓与实体信息。平行平由i 之日j 的距离就是分层厚度，也就是成型叠加时的单层 厚度。在选定了制作方向后，需对s t l 文件格式进行一维离散，从而获取每薄层截面 轮廓及实体信息，切片方向艘厚度的选拌对快速原犁的精度、制作时叫、成本有重要影 响。它们的合理选择能够改善上述两冈索对产品表晰质量的影响。在特定的切片参数下， 呵以通过对阶梯效果的理论分析柬预测切片过程引入的误差。由于每切片层之日j 存在 距离，因此切片不仅破坏了模型表而的连续性，而且不- l r 避免地丢失了两切片甚州的信 息、导致原型产生移状和尺、j 上的误筹i ”】。 零件坐标、切片厚度产k 的误差主要r 可以分为两方面：一方面是表面精度的误差； 另一方面是陡度尺叫的曝差。表面精度的误差主要是由于台阶效应所引起( 有关于这方 面的内容将在第二章r p 做详细分析) ，而k 度尺寸的最差是因为长度尺寸与层厚的关系 江煮大学硬士学位论文 决定的。 侧如图2 。4 所示零件尺寸当分层时选层厚 t = 0 1 咖时，制做出的原型尺寸7 9 5 咖变为8 m m 、 误差为0 。0 5 渤，尺寸3 9 2 黻没有误差。当选择 层厚为a t = 0 1 6 r a m 时，尺寸7 9 5 m m 没有误差， 尺寸3 9 2 m 变为3 9 3 m m ，误差为0 i m ，当选择 层厚为a t = 0 1 8 r a m 时，尺寸7 9 5 r a m 变为8 i m m ， 误差为0 1 5 r a m ，尺寸3 9 2 m m 变为3 9 2 4 r a m ，误差 为0 0 4 r a m 。由此可见，一般情嚣下层厚t 取值越 小，尺寸误差越小，但是只有当所有的尺寸能够 整除层厚时才会没有误差。 ( 2 ) 扫描方式的影响 z 。 i 墓s 曼j r | 一 羹 【 拳 对杉黝 x 一3曩2l一 阴2 ，4 示侧零件j y i l 。2 ，霉s 鑫曩参l e 爹毫r t 一 当激光扫描到粉末时，粉末由于温度突然升高达到熔点而熔化，并与周围粉末形成 一个较大的温度梯度，产生热应力。扫描完成后，粉末溢度下降，先前熔化的粉末熔固收 缩，产生残余应力。热应力与残余应力相互作用，引起烧结体的翘曲变形，并且随着成型 区瑟积的增大翘曲变形呈现蹭热的趋势。扫描方式的选择直接影响s l s 加工层面上的温 度场分布和成型区的扫描顺序，对制件翘曲变形有十分重要的影响。通常的快速原型激 光扫描方式按其扫描路径不周网可以分为以下凡类：第l 类为扫描线平镗于x ( 或y 轴) 的x ( 或y ) 向扫描，包括长边同侧扫描见图2 5 ( a ) 、长边异侧扫描见图2 5 ( b ) 、短边方 向扫描见图2 5 ( c ) ；第2 类为每个截面扫描2 次的光栅扫描见图2 5 ( d ) ；第3 类为 扫描线平行于边界轮廓线的环形扫描，包括向内循环冤图2 。5 ( e ) 和向外循环觅图2 5 ( f ) ；第4 类为分区扫描见图2 5 ( g ) 和分区变向扫描见图2 5 ( h ) ，分区扫描将截面分割 成若干个无内孔的李薹描子域，扫摇子域内部黑悫线填充，以减少成型区悉袄，分区变相扫 描则是在相邻两层截面的扫描方向之间错开角度a ( 一般为9 0 。) 的分区扫描方式 l 鲰3 2 1 。 对扫描方式的研究表明： i 短边方向扫描虽然其翘曲变形不大，但由于其烧结效率低，一般不予采用。 l i 被熔化的粉术在激光扫描后立即冷却凝固，雩l 起收缩。在烧结参数、材料等相同 的情况下，短线段的收缩量较小，因而，将截面分割成几个小区域，有利于减少烧结体的 翘曲变形。采用分区扫描是减少翘魏变形鹣一个有效途径。 i i i 幽外向内扫描时，外层粉末先被烧结，内层热威力难向外释放，易导致烧结体翘 隧变形甚至开裂。 i v 扫描方向相同时，每条扫描线的收缩应力方向一致，增大了烧结体翘曲变形的可 能性，因而相邻两层采用不同的扫描方向可以减少烧结体的翘曲变形。光栅扫描时，扫描 成型区的温度要高于其它方式，因丽国热传导产生的轮廓尺寸误差会更大。 以上分析表明，在图2 5 所示的各种扫描方式中，采用分区变向扫描方式可以在兼顾 效率的基础上有效的减少翘魏变形。 1 2 第二章影响制件精度的因数 l ( a ) 长边同侧( b ) 长边异侧( c ) 短边方向 l l i ( d ) 光栅扫描( e ) 向内循环( f ) 向外循环 一 ( g ) 分区扫描 ( h ) 分区变向扫描 图2 5 扫描方式的分类 f i g