第四章激光快速成形误差分析

第四章激光快速成形误差分析第1页，共23页，2023年，2月20日，星期三概述激光快速成形的要想大规模应用，需要解决的首要问题就是成形精度问题，这不仅关系到成形件的质量，而且也关系到快速模具的质量。第2页，共23页，2023年，2月20日，星期三前期数据处理误差前期数据处理误差主要产生于：1.三维CAD模型的STL文件转换2.STL文件的分层处理第3页，共23页，2023年，2月20日，星期三STL文件格式转换误差

STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维CAD模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，选取的三角形应该越多，精度就越高。第4页，共23页，2023年，2月20日，星期三STL文件格式转换误差一般三维CAD系统在输出STL格式文件时都要求输入精度参数，也就是用STL格式拟合原CAD模型的最大允许误差。但过高的精度要求会增加三角形数目，从而引起计算机差补运算量和内存容量的加大，同时带来切片处理时间的显著增加。减少三角形数目则会破坏截面轮廓边界的平滑程度。因此，需要恰当地选择STL格式转换的精度参数值，这往往依赖于经验。第5页，共23页，2023年，2月20日，星期三分层处理对成形精度的影响分层处理产生的误差属于原理误差，分层处理以STL文件格式为基础，先确定成形方向，通过一簇垂直于成形方向的平行平面与STL文件格式模型相截，所得到的截面与模型实体的交线再经过数据处理生成截面轮廓信息，平行平面之间的距离就是分层厚度。第6页，共23页，2023年，2月20日，星期三分层处理对成形精度的影响由于每一切片层之间存在距离，因此切片不仅破坏了模型表面的连续性，而且不可避免地丢失了两切片层间的信息，这一处理造成分层方向上的尺寸误差和面型精度误差。第7页，共23页，2023年，2月20日，星期三分层方向尺寸误差分析进行分层处理时，确定分层厚度后，如果分层平面正好位于顶面或底面，则所得到的多边形恰好是该平面处实际轮廓曲线的内接多边形；如果分层平面与此两平面不重合，即沿切层方向某一尺寸与分层厚度不能整除时，将会引起分层方向的尺寸误差。第8页，共23页，2023年，2月20日，星期三分层方向尺寸误差分析在解决上述问题，开发自适应切片分层软件，是目前柔性切片软件研究的一个努力方向。自适应切片分层就是根据零件的几何特征来决定切片的厚度，在轮廓变化频繁的地方采用小厚度切片，在轮廓变化平缓的地方采用大厚度切片，与统一厚度切片方法比较，可以减小成形方向上的尺寸误差，并减少了数据的处理量。第9页，共23页，2023年，2月20日，星期三阶梯误差分析由于激光成型是用积分累加的原理生成的，其在加工过程中必然会产生所谓的“阶梯效应”现象，但这个“阶梯效应”是由快速成型制造的原理所决定的，因而所产生的误差称为“原理误差”。第10页，共23页，2023年，2月20日，星期三阶梯误差分析该误差的存在使得零件的精度，尤其是垂直于叠层方向的曲面精度明显的降低。另外，RP加工中z向的进给一般可采用0.05～0.3mm／次，进给太大则原理误差过大，过小零件的生产效率又太低。因此，分层制件的精度和效率是影响激光快速成型大面积推广应用的主要因素。第11页，共23页，2023年，2月20日，星期三阶梯误差分析目前对原理误差的控制常采用优选分层法、变层厚分层法和后处理法。第12页，共23页，2023年，2月20日，星期三阶梯误差分析后处理法是用紫外光二次固化及打磨、喷涂等来改善制作精度的。这些方法没有从原理误差产生的本质上解决问题，并不能避免原理误差的产生。直接对三维模型切片，不经过STL格式转化。第13页，共23页，2023年，2月20日，星期三机器误差机器误差是成形机本身的误差，它是影响制件精度的原始误差。机器误差在成形系统的设计及制造过程中就应尽量减小，因为它是提高制件精度的硬件基础。1.工作台Z

方向运动误差2.X-Y方向定位误差第14页，共23页，2023年，2月20日，星期三工作台Z方向运动误差工作台Z方向运动误差直接影响堆积过程中的厚度精度，最终导致Z方向的尺寸误差；而工作台在垂直面内的运动直线度和垂直度误差直接影响制件的形状、位置误差。第15页，共23页，2023年，2月20日，星期三X-Y

方向定位误差对于采用步进电机驱动的开环驱动系统而言，步进电机本身的运动精度、机械系统的传动精度，以及同步齿形带的弹性变形误差都直接影响扫描系统的运动准确性和定位误差。第16页，共23页，2023年，2月20日，星期三成形过程中的误差1.材料状态的变化引起的误差2.不一致约束引起的误差3.后处理产生的误差第17页，共23页，2023年，2月20日，星期三材料状态的变化引起的误差在成形过程中，材料的状态要发生变化，材料状态的变化会引起制件的线性手说和体积收缩，从而导致制件的形状和尺寸的变化。第18页，共23页，2023年，2月20日，星期三不一致约束引起的误差由于相邻层的轮廓有所不同，它们的成形轨迹也可能有差别，因此，在成形每一层时都会受到相邻两层不一致的约束，导致复杂的内应力，这种层间应力会导致制件产生翘曲变形，并且制件尺寸越大，翘曲变形越明显。第19页，共23页，2023年，2月20日，星期三后处理产生的误差从成形机上取出已成形的工件后，需要进行剥离支撑结构，有的还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面处理等，这些工序统称为后处理。后处理工艺不当可能会严重影响成形件的精度。第20页，共23页，2023年，2月20日，星期三后处理产生的误差

解决办法1.对于有支撑结构的成形件，要掌握支撑剥离的时机。刚刚完成光固化的成形件往往存在较大的内部应力，在此后的时间里会以近似指数曲线逐渐消失。过早的剥离支撑结构可能会因为消除的残余应力而变形。第21页，共23页，2023年，2月20日，星期三后处理产生的误差

解决办法2.后续加工处理问题。为改善成形件的表面平滑程度，或表面材料性能等，经常要对已固化