快速成型精度

快速成型技术及运用专题小论文论文名称光固化成型（SLA）精度误差和精度提高专业班级机械1211学号2012118501145学生姓名董艳春任课教师杜茂华2014年12月01日作业成绩批阅教师日期目录1.工艺原理：............................................................................................................12.光固化成型精度误差............................................................................................12.1．STL文件格式的影响..............................................................................................12.2．分层切片(Slice)时产生的误差................................................................................22.3．成型加工过程产生的误差......................................................................................22.4．后处理不当产生的误差..........................................................................................33.光固化快速成型精度的提高.................................................................................33.1．数据处理..................................................................................................................33.2．成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形......................................................33.3成型过程中液面位置波动产生误差.........................................................................33.4.成型过程中，准备层厚度误差.................................................................................33.5.光学系统对精度的影响.............................................................................................34.总结.........................................................................................................................4快速成型技术及运用小论文1光固化成型精度误差和精度提高光固化快速成型（SLA）工艺是美国于1986年研制成功的一种RP工艺，1987年获美国专利，是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光器逐层凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状复杂的原型。1.工艺原理：激光束在计算机控制下根据分层数据连续扫描液态光敏树脂表面，利用液态光敏树脂经激光照射凝固的原理，层层固化光敏树脂，一层固化后，工作台下移一精确距离，扫描下一层，并且保证相邻层可靠粘结，如此反复，直到成型出一个完整的零件。如图1所示。激光光固化成型方法的特点是精密度较高，质量稳定，对原材料的利用率高，制造速度快能成型形状特别复杂、特别精细的零件。2.光固化成型精度误差快速成型精度影响因素有：数据处理过程中，因为三角面片设置而产生的精度误差；分层厚度和制造过程中产的层效应误差；双振镜扫描系统造成的枕形误差；材料变造成的误差；因为成型工艺不同（包括后处理工艺不成型精度也有所不同）。2.1．STL文件格式的影响STL文件格式将CAD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，这逼近误差不可避免地存在。在对CAD模型进行STL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，如格式转换时，如Pro/E软件软件是通过选定弦高值(ch—chordheight)作为逼近的精度参数。ch值的太小，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STL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。ch选择的过大，则牺牲表面精度。快速成型技术及运用小论文2消除这种误差的根本途径是能直接从CAD模型产生制造数据，但是目前实用中尚未达到这一步。2.2．分层切片(Slice)时产生的误差分层切片是在选定了制作方向后，需对STL文件格式进行一维离散，从而获取每一薄层截面轮廓及实体信息，切片方向及厚度的选择对快速原型的精度、制作时间、成本有重要影响。切片的过程是通过一簇垂直于制作方向的平行平面与STL文件格式模型相截，所得到的截面与模型实体的交线就是各薄层的轮廓与实体信息。平行平面之间的距离就是分层厚度，也就是成型叠加时的单层厚度。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、导致原型产生形状和尺寸上的误差。2.3．成型加工过程产生的误差（1）液面位置波动产生的误差假如液态树脂的实际液面位置与相对理想的位置发生△L的波动，如图2所示，激光束发散角为θ，则引起光斑直径φ变化△φ，△φ=2△Ltgθ。同时引起光点位置的变化△γ=△Lctgα，其中α为光斑处于γ处光线与树脂液面的夹角。由于树脂的黏性及表面张力的作用，保证层准备的精度并不容易，为此美、日等国家的成型机制造商就层准备方法申请了多项专利。（2）层制造与层叠加产生的误差层制造与层叠加的另一种误差为原材料在成型中产生的误差，这类误差分为以下几个方面：其一，原材料的状态变化，成型时原材料由液态变为固态，或由固态变为液态、熔融态再凝固成固态，而且同时伴随加热作用，这会引起工件形状、尺寸发生变化；其二是不一致的约束，由于相邻截面层的轮廓有所不同，它们的成型轨迹也可能有差别，因此每一层成型截面都会受到上、下相邻层不一致的约束，导致复杂的内应力，使工件产生翘曲变形；其三是叠层高度的累积误差，理论叠层高度可能与实际值有差别，从而导致切片位置(高度)与实际位置高度错位，使成型轮廓产生误差。在有些快速成型机上，叠加每层材料后，用刮平装置将材料上表面刮平。每层厚度误差的累积导致原型截面形状、尺寸的误差。一般模型的切片层高达几百甚至几千层，所以上述累积误差可能相当大；其四成型功率控制不恰当使原型产生误差。例如LOM型速成型系统，难以绝对准确地将激光切割功率控制到正好切透一层薄型材料，因此可能损伤前一层轮廓；其五是工艺参数不稳定产生的误差。快速成型技术及运用小论文3例如当LOM快速成型系统制作大工件时，由于在X和Y平面内热压辊对薄型材料的压力和热量不均匀，会使粘胶的厚度产生误差，导致制件厚度不均匀。2.4．后处理不当产生的误差其一是SLA、FDM制品需剥离支撑等废料，支撑去除后工件可能要发生形状及尺寸的变化，破坏已有的精度；其二是LOM制品虽无支撑但废料往往很多，剥离废料时受力将产生变形，特别是薄壳类零件变形尤其严重：其三SLS成型金属件时，需将原型重新置于加热炉中烧除粘结剂、烧结金属粉和渗铜，从而引起工件形状和尺寸误差。3.光固化快速成型精度的提高3.1．数据处理（1）生成STL文件时，选取适当的精度。（2）减小切片层厚度，但这会增加切片层的数量，致使处理数据庞大，增加了数据处理的时间。（3）根据零件轮廓的表面形状，自动地改变分层厚度，以满足零件表面精度的要求，当零件表面倾斜度较大时选取较小的分层厚度，以提高原型的成形精度；反之则选取较大的分层厚度，以提高加工效率。3.2．成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形对于因材料固化收缩而带来的翘曲变形可以通过改进材料配方的方法(如在收缩性树脂中加入适当量的膨胀型单体)，来控制光固化过程中产生的体积收缩。3.3成型过程中液面位置波动产生误差对液面采用有效的检测、控制，各个公司有自己的专利技术，如美国3D公司，采用检测，成型缸下方电机带动丝杠调整液面。西安交通大学采用激光检测，缸体内采用沉块对液面进行控制。3.4.成型过程中，准备层厚度误差对于光固化快速成型，最早通过刮板式刮平系统得到准备层，从最早的单刮板发展到双刮板，存在的问题之一是刮板携带树脂不足以铺平大平面，必须采用网板下潜—回升方式，保证已固化层表面有足够的树脂，之二是刮板下方树脂回流，使层厚度难以控制。目前采用真空吸附式刮平，真空吸附槽内吸附有足够的树脂，网板不必采用下潜—回升运动，提高工作效率；已经成型表面不必有多余的树脂，吸附槽在刮平运动过程中，槽内树脂对表面补充树脂，实现大平面树脂的补充，也不会出现树脂的回流现象，实现涂层厚度的精确控制。3.5.光学系统对精度的影响（1）光斑直径较大的光斑直径会影响到制件的精细特征，如拐角处特征。可使用单模激光器取代多模激光器，单模激光器光束成像质量好、边界清晰，光斑直径小，可聚焦到0.1mm之内。（2）双振镜系统的“枕形误差”可采用振镜厂家提供的“矫正文件”对“枕形误差”予以矫正。需要提供扫描器中心至液面距离参数。目前，西安交通大学采用标定方法，标准标定板和液面同一平面，记录光斑精确位置，和理论位置比较，计算位置偏差，控制扫描器自动修正误差。快速成型技术及运用小论文44.总结光固化快速成型技术发展至今已有了长足的进步，正继续向着工业化、产业化方向发展，它与其他先进设计和制造技术的结合越来越来紧密。在光固化快速成型技术未来的发展中，应对以下3个方面的发展趋势加以注意：第一，进一步研制经济的、高效的和精密的光固化成型工艺和设备，努力提高成型精度和成型尺寸的稳定性，降低设备运行成本；第二，继续研究成型材料的机理和性能，进一步开发高性能、低成本的光固化成型特种材料；第三，不断拓展新的应用领域。