激光燒結(jié)快速成型件的精度分析

    一、前言

    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。
    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)品的單價幾乎與批量無關(guān)；（4）綠色的加工技術(shù)。以累加思想實現(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。
    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]。本文試驗所采用的快速成型設(shè)備是AFS快速成型機(jī)。

    二、數(shù)據(jù)處理誤差

    2.1格式轉(zhuǎn)換誤差

    CAD模型的STL格式轉(zhuǎn)換即是用三角形面片逼近實際模型表面，轉(zhuǎn)換為所謂的事實上的標(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。例如同一個圓分別使用4個及6個三角形的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際模型就越逼近，但與此同時，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，三角形面片也會隨精度提高而變小，在模型的細(xì)節(jié)部位會出現(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。
    2.1 分層切片誤差
    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，這時其頂面和底面是距球心高度分別為h1 、 h2的兩個圓，設(shè)其半徑分別r1 、r2 。
    

    三、設(shè)備誤差
    3.1 托板 方向運(yùn)動誤差
    托板 方向運(yùn)動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)動精度。
    3.2 X-Y方向同步帶變形誤差
    X-Y掃描系統(tǒng)采用X-Y二維運(yùn)動工作臺，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒形同步帶并帶動光頭運(yùn)動。在定位時，由于同步帶的變形，會影響定位的精度，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)兩種情況下作了實驗。
    下表即為采用補(bǔ)償系數(shù)和未采用補(bǔ)償系數(shù)時所測得的制件的實際尺寸值，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。

    （注：表中帶有+號表明設(shè)定了同步帶變形補(bǔ)償值，其中同步帶的X方向的補(bǔ)償系數(shù)為1.017，Y方向的補(bǔ)償系數(shù)為1.022。）
    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)以上實驗數(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。
    3.3 X-Y方向掃描運(yùn)動誤差
    掃描過程中，X-Y工作臺存在以下問題：
    (1)運(yùn)動慣性力的影響 工作臺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 ；在制動階段，工作臺以- 的加速度降低為靜止?fàn)顟B(tài)，如圖4所示。在一般情況下，工作臺能很快地進(jìn)入掃描狀態(tài)，以速度 掃描，在臨近另一個邊緣處，速度逐漸降低為0。工作臺在啟動和制動階段，存在一定的慣性，使得工作臺在制件邊緣部分將超出設(shè)計尺寸的范圍，導(dǎo)致制件的尺寸有所增加。

    (2)工作臺振動的影響 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。由于工作臺在運(yùn)動過程中本身具有一個固有頻率，當(dāng)掃描頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，振動增大，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
    4.1 過固化誤差
    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，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
    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。

    4.2 光斑補(bǔ)償直徑誤差
    相對于激光快速成型系統(tǒng)，AFS成型系統(tǒng)所用的光源形成的光斑直徑要大一些，成型用的光點(diǎn)實際上是一個具有一定直徑的光斑(塑料粉末面上光斑約0.5mm)，成型中不能將光斑進(jìn)似為光束能量聚集的光點(diǎn)，光能量分布在整個光斑范圍內(nèi)，實際制件輪廓是光斑中心運(yùn)行軌跡上一系列固化點(diǎn)包絡(luò)形成的，如圖7所示。圖中虛線部分為設(shè)計尺寸，在成型過程中光斑中心沿虛線運(yùn)動，實線部分為實際成型制件，它是由固化點(diǎn)的包絡(luò)線形成的。這一固化特點(diǎn)不僅增加了制件的尺寸，在其拐角處形成圓角，導(dǎo)致形狀鈍化，制件的輪廓形狀變差，降低了制件形狀精度，這使得一些小尺寸的制件用這種大直徑的光斑無法加工。

    所以如果不采用補(bǔ)償，所做出的制件實體部分實際上每側(cè)大了一個光斑半徑，使制件出現(xiàn)正偏差。為了減小或消除正偏差，采用光斑補(bǔ)償，使光斑掃描路徑向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個光斑半徑。從理論上說，光斑掃描按照向?qū)嶓w內(nèi)部縮進(jìn)一個光斑半徑的路徑掃描，所得制件的尺寸誤差為零。
    但是實際上，光斑直徑是不容易控制的，它隨著安裝的狀態(tài)不同而改變。由于AFS快速成型機(jī)無光斑測量機(jī)構(gòu)，所以實際上的光斑直徑大小是不可以直接測量的，需要根據(jù)制件誤差大小修正補(bǔ)償直徑大小，使補(bǔ)償直徑大小等于實際光斑直徑。

    五、后處理誤差

    后處理是指整個制件加工完成后的輔助處理工藝，包括制件的清洗、打磨、表面噴涂以及后固化處理。在后固化時，殘留粉末固化不均勻收縮引起制件變形，產(chǎn)生后處理誤差。因此，研究具有良好性能的粉末材料可減小因此對精度的影響。

    六、幾種可能的改進(jìn)措施

    通過對影響制件精度的各種因素的分析，可對現(xiàn)有的設(shè)備提出以下幾種可能的改進(jìn)措施：
    (1)對工作臺進(jìn)行運(yùn)動平衡 固化成型過程中，工作臺的運(yùn)動精度是制約制件質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素。不僅工作臺的靜態(tài)工作特性(X、Y方向?qū)к壍闹本�度、配合部件之間的摩擦系數(shù)以及工作臺的定位精度等)影響制件精度，由于成型掃描是往復(fù)運(yùn)動的過程，盡量減輕工作臺的質(zhì)量以減少慣性，通過調(diào)整工作臺的阻力系數(shù)以減少慣性的影響。另一方面，適當(dāng)提高工作臺運(yùn)動加速度，可以減小速度轉(zhuǎn)化時間，縮小制件過固化的區(qū)域。
    (2)增加擋光系統(tǒng) 針對掃描系統(tǒng)加減速特征，在光路系統(tǒng)的前端增加擋光片，當(dāng)工作臺處于加速或減速階段時，擋光片阻擋光線傳輸?shù)焦饫w，只有達(dá)到正常掃描速度時，擋光片讓開，使系統(tǒng)正常掃描固化，避免了制件邊緣過固化現(xiàn)象，提高制件的尺寸精度，同時改善輪廓質(zhì)量。
    (3)適量增加光斑補(bǔ)償 成型過程中的制件外形尺寸，實際是一系列光斑的包絡(luò)線包絡(luò)形成的，光斑補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ峭ㄟ^修改制件的CAD數(shù)據(jù)尺寸，在成型過程中原制件的邊界等距離收縮一定數(shù)值，與光斑直徑的增加量互相補(bǔ)償，光斑補(bǔ)償直徑的大小主要取決與粉末平面處的光斑大小，同時考慮其他的因素的影響。在實際過程中，補(bǔ)償直徑的數(shù)值的大小是通過實驗確定。
    (4)適當(dāng)調(diào)整定位補(bǔ)償參數(shù) 將同步齒形帶變形的影響考慮在內(nèi)，根據(jù)下面的公式進(jìn)行修正：定位補(bǔ)償參數(shù)=名義尺寸值/實測值 默認(rèn)的補(bǔ)償系數(shù)
    通過應(yīng)用上述改進(jìn)措施，制件的精度有所提高，如圖10所示。

    七、結(jié)論

    本文通過對影響制件精度的各種因素的分析，以及將對工作臺進(jìn)行運(yùn)動平衡、增加擋光系統(tǒng)、適量增加光斑補(bǔ)償、適當(dāng)調(diào)整定位補(bǔ)償參數(shù)等改進(jìn)措施應(yīng)用于試驗，得到了精度較高的制件。由此說明，本文所分析的各種影響因素及所采取的改進(jìn)措施是正確的。
   
    [參考文獻(xiàn)]
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