快速成型精度(第七章)1

快速成型制造技术
快速成型制造技术
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Pro/E软件是通 过选定弦高值(ch—chord height) 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。 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。
快速成型制造技术
二、三维模型的表达方法 STL(Stereo Lithography interface specification)格式。STL格 式最初出现于1989年美国3D Systems公司生产的SLA快速成 型系统，它是目前快速成型系统中最常见的一种文件格式， 用于将三维模型近似成小三角形平面的组合。 这种格式有ASCⅡ码和二进制码两种输出形式，二进制码输 出形式所占用文件空间比ASCⅡ码输出形式小得多（一般是 1/6），ASCⅡ码输出形式可以阅读并能进行直观检查。 STL格式的数据文件，可以方便地使用数据处理软件进行分 层处理，得到截面轮廓数据。
快速成型制造技术
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。
快速成型制造技术
第七章 快速成型系统的软件技术及快速成型精度
快速成型制造技术
一、快速成型常用的CAD软件系统 快速成型的前提条件是在计算机上构造的三维模型，因而 要求用于构造模型的CAD软件系统有较强的三维造型功 能 ， 这 主 要 是 实 体 造 型 （ Solid Modeling ） 和 表 面 造 型 (Surface Modeling)功能，后者对构造复杂的自由曲面有重 要作用。 目前，快速成型行业中常用的CAD软件系统，有： Pro/ENGINEER ， AutoCAD ， I-DEAS ， Unigraphics ， CATIA，SolidWorks
从头至尾依序排列相交线 确定每一交线方向组合 为轮廓线
写入文件 关闭文件，释放内存
后 处 理
快速成型制造技术
七、扫描控制软件 在扫描快速成型中，主要扫描参数有轮廓扫描速度，填充 扫描速度，支撑扫描速度和跳垮速度以及扫描间距等。 支撑扫描速度较低，便于生成稳定可靠的支撑结构； 填充扫描速度，决定了制作速度； 轮廓扫描，提高轮廓的光洁度； 支撑、填充和轮廓扫描速度均决定于激光功率； 跳跨扫描速度较高，结合轮廓上激光的关、开，提高边界的光 洁度； 扫描间距，决定于光斑大小，光斑小，采用小的扫描间距，提 高制作精度，大光斑，采用大的扫描间距，可提高制作速度。
快速成型制造技术
五、STL模型支撑的添加 在快速成型过程中，当模型存在悬臂、形体变化剧烈的复 杂情况下，应当根据模型自身情况，添加适当的支撑，以避免 成型过程中，工件翘曲变形使成型失败。
快速成型制造技术
六、分层软件
读入STL文件 依据拓扑信息建立数据结构 排除水平三角面片
前 处 理
Z坐标从最小到最大轮询所 有三角面片，若三角面片与 Z平面相交，求出相交线
快速成型制造技术
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。
快速成型制造技术
B A B A
共顶点规则的示例 表达正确 表达错误
表达正确 取向规则示例
表达错误
快速成型制造技术
四、STL文件格式的缺陷 生成STL文件,顶点记录顺序的混乱导致外法向量计算错误,违 反共顶点原则，三维模型失去完整性，无法进行切片处理。 当CAD模型的表面有较大曲率的曲面相交时，在曲面的相交 部分，出现三角面片丢失现象，出现错误的裂缝或孔洞，无 法进行切片处理，或者出现切面轮廓线不封闭现象，无法进 行填充扫描计算。 三角形过多或过少，精度降低，或者计算、成型困难。 微小特征遗漏或出错，如很小的缝隙、肋条或很小的凸起 等，可能其表面难以布置足够数目的三角形，致使这些特征 结构遗漏或形状出错，或者在后续的切片处理时出现错误、 混乱。
快速成型制造技术
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。
பைடு நூலகம் 快速成型制造技术
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6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。
快速成型制造技术
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。 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。
然后根据不同的成型方式，开发出不同的扫描成型软件。 对于切纸快速成型，需要成型软件控制激光或刀具沿截面轮 廓数据切割纸，然后纸与纸相叠加，最终成型。 对于光固化快速成型(SLA)、熔融挤压快速成型(FDM)和粉 末烧结快速成型(SLS)，快速成型软件将要控制激光束或喷 头，不仅要沿轮廓数据扫描，还要以一定方式，实现支撑扫 描、截面填充扫描。扫描参数包括支撑扫描速度、扫描方 式，填充扫描速度、扫描方式，以及轮廓扫描速度、跳跨扫 描速度等。
快速成型制造技术
快速成型制造技术
（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。
快速成型制造技术
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。
快速成型制造技术
6、激光扫描方式对成型精度的影响（划分扫描区域）
快速成型制造技术
SLA工艺成形时多采用方向平行路径进行实体填充，即每 一段填充路径均互相平行，在边界线内往复扫描进行填充，也 称为Z字形(zig- zag)或光栅式扫描方式，如图10 ( a) 所示。但 扫描一行的过程中，扫描线经过型腔时，扫描器以跨越速度快 速跨过。这种扫描方式，需频繁跨越型腔部分，一方面空行程 太多，会出现严重的“拉丝”现象(空行程中树脂感光固化成丝 状)；另一方面扫描系统频繁地在填充速度和快进速度之间变 换，会产生严重的振动和噪声，激光器要频繁进行开关切换， 降低了加工效率。
快速成型制造技术
快速成型制造技术中需要的分层信息是由平面与物体 在计算机内建立的多面体模型相交的交线组成，即每层截 轮廓线是由许多小线段组成。经后处理生成数控代码后， 制激光的扫描。CAD模型形状越复杂，网格化处理时所形 成的三角形面片数就越多，组成轮廓线的小线段也越多。 由于每一层轮廓线都是由许多直线段组成，造成快速成 型制件的加工表面有突起和毛刺，影响制件表面质量和尺 精度。 多 数 快 速 成 型 系 统都 有 STL格式文件缺陷的修补功 其中，有的是自动修补，有的是手工修补。
快速成型制造技术
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、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 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。
快速成型制造技术
三、STL文件格式的规则 共顶点规则。每一个小三角形平面必须与每个相邻的小三角 形平面共用两个顶点，也就是说，一个小三角形平面的顶点 不能落在相邻的任何一个三角形平面的边上。 取向规则。对于每一个小三角形平面，其法向量必须向外，3 个顶点连成的矢量方向按右手法则确定，而且，对于相邻的 小三角形平面，不能出现取向矛盾。
快速成型制造技术
十、光固化快速成型精度的提高 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。
快速成型制造技术
在快速成型工艺中，扫描方式或路径的选择是影响成型 效率的主要因素。采用先将复杂截面轮廓划分为单调子区 域，再用方向平行的扫描线填充子区域生成扫描路径的方 法，不仅大幅度减少了激光的跳转次数（对薄壁，复杂件尤 其明显）而且由于在材料收缩率百分数相同的条件下，扫描 线长度与收缩程度成正比关系，因此，将原先较长的扫描线 分成较短的扫描线，这在一定程度上减小了翘曲变形的程 度，提高了加工精度。
快速成型制造技术
八、快速成型精度 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。 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。
快速成型制造技术
对于光固化快速成型，还必须具有支撑的添加与处理等功 能。同时，还要求快速成型软件具有一般CAD软件常备功 能，如STL格式文件缺陷的修补功能，数据的读取与显示、 模型辅助变换，包括平移、旋转、比例缩放—模型修补—添 加支撑—模型的复制、镜像、分割、合并—分层等功能。
快速成型制造技术