[轉(zhuǎn)載]激光燒結(jié)快速成型件的精度分析 [復(fù)制鏈接]

作者：趙桂范 林樂川 楊娜 I0-1
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一、前言 A;!5c;ftj,  
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快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)[1]。它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法全然不同，更重要的是在目前制造策略以市場響應(yīng)速度為第一的方針狀況下，可以縮短市場開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)的競爭力。 6/!:vsa"3  
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快速成型技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）技術(shù)集成度高，整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化；（2）制造成本與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)；（3）產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無關(guān)；（4）綠色的加工技術(shù)。以累加思想實(shí)現(xiàn)零件制作的快速成型技術(shù)是制造技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，其理論、工藝的完善以及精度的提高等，對快速成型技術(shù)的普及和應(yīng)用有著極其重要的影響。 zJ`u>:*$  
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成型加工過程中，必須保證一定的制作精度和表面質(zhì)量，影響制件精度的因素是多方面的[2]。對成型加工精度的影響因素及改進(jìn)措施的研究，對快速成型技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用具有重要的意義[3,4]。本文試驗(yàn)所采用的快速成型設(shè)備是AFS快速成型機(jī)。 oKGH|iVEe  
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二、數(shù)據(jù)處理誤差 6O4*OR<&  
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2.1格式轉(zhuǎn)換誤差 p{?duq=  
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CAD模型的STL格式轉(zhuǎn)換即是用三角形面片逼近實(shí)際模型表面，轉(zhuǎn)換為所謂的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。STL文件的精度等級不同，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差也不同。STL文件的精度是指用STL格式擬合最大允許誤差。實(shí)際上，如果原幾何模型完全由直邊組成，則STL格式擬合絕對準(zhǔn)確，沒有任何誤差；否則，存在擬合誤差。例如同一個(gè)圓分別使用4個(gè)及6個(gè)三角形的STL格式表示，如圖1所示。 由此可見，精度要求越高，三角形面片的數(shù)目越多，它所表示的模型與實(shí)際模型就越逼近，但與此同時(shí)，STL文件數(shù)據(jù)量也將劇增，加大了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量。另外，三角形面片也會(huì)隨精度提高而變小，在模型的細(xì)節(jié)部位會(huì)出現(xiàn)大量極為細(xì)小的三角形面片，增大數(shù)據(jù)處理的難度。而且在數(shù)據(jù)處理過程中常常產(chǎn)生致命的錯(cuò)誤。因此，較好的方法是根據(jù)工藝條件和制件的精度要求選擇適當(dāng)?shù)腟TL格式精度。 Z
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2.1 分層切片誤差 h]zok}$  
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將CAD模型進(jìn)行STL轉(zhuǎn)換后，接著便要對其進(jìn)行分層處理。分層是用一簇平行平面沿某一設(shè)定方向與STL模型求截交線得到輪廓信息。以半徑為 的球體為例，如圖2a所示，從中截出特定的一段，設(shè)其STL格式為圖2b所示，這時(shí)其頂面和底面是距球心高度分別為h1 、 h2的兩個(gè)圓，設(shè)其半徑分別r1 、r2 。 如果分層平面位于頂面或底面之間，設(shè)其距球心高度為h，所在平面實(shí)際輪廓圓的半徑為r，此時(shí)分層所得到的多邊形將不是半徑為r的圓的內(nèi)接多邊形，而是半徑為r’的圓的內(nèi)接多邊形。r或r’的大小分別表示為： 所以，為了減少或消除數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的誤差，開發(fā)能直接從CAD模型獲取成型機(jī)能接受的輪廓信息的軟件迫在眉睫。 besc7!S  
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三、設(shè)備誤差 yf{\^^ i(  
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3.1 托板 方向運(yùn)動(dòng)誤差 lU 9o"2  
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托板 方向運(yùn)動(dòng)誤差直接影響堆積過程中層厚精度，最終導(dǎo)致Z方向產(chǎn)生尺寸誤差，而托板在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)直線度誤差，宏觀上產(chǎn)生制件的形狀、位置誤差，微觀上導(dǎo)致粗糙度值增大。因此，托板 方向系統(tǒng)要選用精密導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服控制系統(tǒng)來提高 方向的運(yùn)動(dòng)精度。  hyxv+m[  
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3.2 X-Y方向同步帶變形誤差 1P]J3o  
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X-Y掃描系統(tǒng)采用X-Y二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形同步帶并帶動(dòng)光頭運(yùn)動(dòng)。在定位時(shí)，由于同步帶的變形，會(huì)影響定位的精度，常用的方法是通過設(shè)定位置補(bǔ)償系數(shù)來減小其影響。為了考察其影響結(jié)果，我們在AFS快速成型機(jī)上加工制件，分別在采用補(bǔ)償系數(shù)和未采用補(bǔ)償系數(shù)兩種情況下作了實(shí)驗(yàn)。 x.t<@y~  
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下表即為采用補(bǔ)償系數(shù)和未采用補(bǔ)償系數(shù)時(shí)所測得的制件的實(shí)際尺寸值，制件的名義尺寸分別為2，5，10，15，20，25mm，所使用的光斑補(bǔ)償直徑分別為1.0mm和1.1mm。 將上表中的制件誤差用圖形表示更加直觀，如圖3所示，將制件的名義尺寸用水平軸表示，制件的尺寸偏差用垂直軸表示，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做圖如下： 從圖3可以看出，在相同光斑補(bǔ)償直徑的情況下，考慮同步帶變形補(bǔ)償系數(shù)所得到的制件尺寸精度要高些。在這幾種情況下使用1.1mm的光斑補(bǔ)償直徑并設(shè)定相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)，制件的精度最高。 2<7pe@c98  
3.3 X-Y方向掃描運(yùn)動(dòng)誤差 m.P F'_)/  
掃描過程中，X-Y工作臺(tái)存在以下問題： b'(AVA  
(1)運(yùn)動(dòng)慣性力的影響 工作臺(tái)在開始掃描階段以恒定的加速度 從靜止?fàn)顟B(tài)提高到設(shè)定掃描速度 ；在制動(dòng)階段，工作臺(tái)以- 的加速度降低為靜止?fàn)顟B(tài)，如圖4所示。在一般情況下，工作臺(tái)能很快地進(jìn)入掃描狀態(tài)，以速度 掃描，在臨近另一個(gè)邊緣處，速度逐漸降低為0。工作臺(tái)在啟動(dòng)和制動(dòng)階段，存在一定的慣性，使得工作臺(tái)在制件邊緣部分將超出設(shè)計(jì)尺寸的范圍，導(dǎo)致制件的尺寸有所增加。
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(2)工作臺(tái)振動(dòng)的影響 成型過程中，掃描機(jī)構(gòu)對制件的截面作往復(fù)填充掃描，如圖5所示。由于工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中本身具有一個(gè)固有頻率，當(dāng)掃描頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)增大，甚至出現(xiàn)共振現(xiàn)象，制件將產(chǎn)生較大的誤差。 四、固化成型誤差 5REH`-  
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4.1 過固化誤差 ~ESw* 6s9  
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塑料粉末的固化寬度與深度是與其所吸收的激光平均能量有關(guān)的。掃描速度越低，平均能量越大，這時(shí)粉末固化寬度、深度越大，固化程度越高。在靠近制件邊緣處，掃描速度越低，而且由于存在掃描方向的變換，形成一定時(shí)間的滯留，因此邊緣處粉末固化程度較高，出現(xiàn)過固化。在這種情況下，當(dāng)掃描一條直線時(shí)，直線的兩端固化程度逐漸增加，固化線呈兩頭大、中間小的啞鈴型，如圖6所示。 4.2 收縮變形誤差 CCpRQKb=  
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由于材料從粉末狀到固態(tài)的聚合反應(yīng)過程中要產(chǎn)生線性收縮和體積收縮，而線性收縮將導(dǎo)致在層堆積時(shí)產(chǎn)生層間應(yīng)力，這種層間應(yīng)力使制件變形，導(dǎo)致精度喪失。這種變形的機(jī)理復(fù)雜，與材料的成分、光敏性、聚合反應(yīng)的速度有關(guān)。實(shí)踐證明：通過開發(fā)低收縮、高強(qiáng)度的塑料粉末是提高制件精度的根本途徑。而對同一性能的塑料粉末，通過合理選擇制作工藝參數(shù)來提高制件精度也是一條有效的途徑。 l>jrY1u  
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4.2 光斑補(bǔ)償直徑誤差 mAH7;u<  
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