提高快速成型制件精度方法研究

金属铸锻焊技术ICasting•Forging•Welding2008年3月122HotWorkingTechnology2008,Vol.37,No.5避免地在层间产生内应力，而内应力的存在导致原型变形，其中以翘曲变形最为常见。例CAD模型为平板，如图1(a)，成型后却为碗形”,如图1(b)〇(a)平板（b)碗形图1平板翘曲示意图Fig.lSketchofsheetwarpage1.1.2减小翘曲变形的措施减小FDM制件翘曲变形一般从从3个方面着手。(1)设计方面对于变形的形状和大小可以预先估算出的变形，设计CAD图时在标准零件图的基础上加上一个反变形，形成一个新的CAD图，用新的CAD图形软件驱动喷嘴运动。当成型时因为变形而刚好达到标准零件图的要求。(2)材料方面热塑性丝材的玻璃化温度和收缩率对翘曲变形有直接影响，通过对成型丝材进行适当的改性处提高快速成型制件精度方法研究彭安华w，张剑峰％王其兵1(1.淮海工学院工程训练中心，江苏连云港222005;2.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225009)摘要:提高快速成型制件质量是快速成型技术研究的热点。快速成型制件的的误差分为尺寸误差、形状误差和表面粗糙度。在熔融堆积成形制造中，形状误差有翘曲变形、台阶效应等形式。产生误差的原因有原理性误差、材料收缩引起的误差、工艺参数引起的误差及设备误差等。分析了各种快速成型制件误差产生的原因，提出减小误差的方法。关毽词：形状误差；尺寸误差；表面粗糙度；快速成型工艺中图分类号:TG241;TG315.2文献标识码:A文章编号：1001-3814(2008)05*012205ResearchonMethodofImprovingPartAccuracyDuringRapidPrototypingPENGAnhuau,ZHANGJianfeng2,WANGQibing1(1.EngineeringTrainingCenter^HuaihaiInstituteofTechnologyfLianyungang222005,China;2.Instituteofmechanicalengineering,Universityofyangzhou,yangshou225009,China)Abstract：Improvingpartqualityduringrapidprototypingistheimportantproblem.TheparterrorwithRPTisclassifiedasdimensionerror,shapedenorandroughnessofsurface.Theshapederrorshavemanyforms,includingwarpagedeformation,Stair-steppingeffectandsooninftiseddqwsitionmodeling(FDM).Thereareseveralreasons-fortheerrors,includingprinciple,processandequipmentThereasonsinducingerrorareanalyzed,andthemeasureswhichimprovethepartaccuracyareputforwardKeywords:shapederror;dimensionerror;roughnessofsurfece;rapidprototypingtechnology(RPT)快速成型在现代工业中获得广泛应用，如何提高成型件的精度成为快速成型技术研究的热点[1〗，尤其当原型被用作母模、注塑模或EDM电极等来进行产品批量生产时，它对于最终产品的质量起着决定性作用。快速成型制件的精度是指加工后的成型件与原三维CAD设计模型之间的误差。成型件误差主要包括尺寸误差、形状误差和表面质量等。本文主要分析各种误差产生的原因及减小误差的方法。1形状误差1.1翘曲变形[?|1.1.1翘曲变形产生的原因在熔融堆积成型(FDM)工艺中，原型的每一个层片都是通过喷嘴挤出的丝料有序编织而成。成型材料经历了固相的丝材、熔融态、冷却固化三个阶段。由于材料的热胀冷缩和不均勻加热不可收稿曰期：2007-10-19作者筒介：彭安华（丨973-)男，讲师，硕士，从亊快速成型技术的研究工作；电话:[phone];E-mail：[e-mail]万方数据上半月出版Casting.Forging•WeldingS金属铸锻焊技术123《热加工工艺》2008年第37卷第5期万方数据理，适当降低成型丝材的玻璃化温度和收缩率，可以在一定程度上减小原型的变形量，提高原型的制作质量。(3)成型工艺方面①改进扫描工艺。扫描线的长度是一个很重要的影响因素，尺寸越大，无论是零件的内应力还是翘曲变形量都会越大，因此要减小翘曲变形量，应尽量减少扫描线的长度。对平行直线扫描时，尽量沿短边异侧扫描；如果扫描区域大或者是非单连通区域,则应采用分区扫描;循环扫描时向外循环比向内循环有利于应力的释放，从而可以减小翘曲变形量;层与层之间应采用正交的方式扫描。②加支撑。通过加支撑，可以增加内应力而阻止原型的翘曲变形；成型后的原型和支撑部分一起在成型室中保温，保温一段时间后缓慢冷却以消除内应力，类似于热处理中退火的方法。③适当提高成型室的温度。提高成型室的温度有利于减小温差和降低冷却速度，从而减少丝材的收缩量和减小翘曲变形。但成型室温度太高，零件表面易起皱，影响原型的表面质量。④二次曝光法。在光固化快速成型中采用二次曝光法降低翘曲变形。二次曝光法是对同一截面分两次进行曝光固化的填充策略。通过控制扫描速度，第一次曝光后，固化深度比层厚略小，此时光固化的这一层并末与下一层粘接上，可以自由收缩，收缩应力基本上得到释放，因而不会产生层间应力;接着进行第二次曝光，即把第一次扫描过的区域重新扫描一次。二次曝光后，层片加厚并与下层粘接上。第二次固化是约束固化，但由于只是少数树脂发生固化，因而产生的收缩应力较少。1.2精细结构的遗失所谓精细结构的遗失是指在CAD模型中具有的一些细微结构在快速成型制件中却没有表现出来。产生的主要原因一是由于喷头具有一定的直径;二是由于在切片过程中层厚过大I1.2.1喷头直径过大喷头直径的大小决定了制作零件的精细程度。轮廓线为外凸时，如果喷头的半径大于轮廓线的最小曲率半径，则该轮廓线加工不出来。对于MEM-300成型机，喷头直径一般在0.3-0.5min左右，所以如果轮廓线的最小曲率半径小于0.15mm，则该轮廓线无法成型。为成型曲率半径很小处的细微结构，就必须减小喷头的直径。但一般来说,喷头的直径小，加工的效率就低。1.2.2层厚过大如图2所示，实际要求轮廓上的一些尖角、内凹的细微结构在分层制造时造成遗失。Fig.2Errorinducedbylayerthickness1.3台阶效应L3.1台阶效应产生原因切片是几何体与一系列平行平面求交的过程，切片的结果将产生一系列折线边界表示的实体截面轮廓。通过已经面型化的STL模型进行分层切片，所得到的信息仅仅是每一层片的二维轮廓信息及实体信息，而丢失了两截面之间的外轮廓信息，如图2所示。堆积时则产生了台阶效应，即阶梯误差。1.3.2减小台阶效应的方法(1)斜切法w斜切法是指切片的方向不是固定沿着竖直方向，而是沿着外轮廓的切线方向。采用斜切法要求喷头能随时摆动，从而对对工作台运动系统提出更高要求，目前数控技术完全可以满足此要求。(2)采用自适应分层的方法自适应分层，即以不同的层厚对零件模型进行分层，层片的厚度随着零件表面的几何特征变化。一般来说，当零件表面曲率较小时，采用用户给定的最大层厚分层，以减少层片数目，提高加工效率;当零件表面曲率大时，层片采用较小值，以提高表面精度。模型表面的法向量与堆积平面的夹角值大时，为提高精度,应采用较小的层厚;其夹角值小时，为提高效率，应采用较大的层厚。(3)CAD模型直接分层、针对STL的缺点，有人提出了不同的改进方法，目前主要有两种,一种是设计制定一些新的格式，对CAD模型进行面片逼近文件转换，以取代STL文件；另一种解决方法是在CAD系统内进金属铸锻焊技术_Casting•Forging•Welding2068年3月124万方数据层间剥离HotWorkingTechnology2008,V〇1.37,N〇.5行直接分层，无须借助中介的文件转换方式，从而在根本上解决从CAD到RP的数据转换问题。(4)优化分层方向在原型制作时，模型会有很多倾斜表面，由于模型制作时是以一定的厚度一层一层制作的，这样就会在倾斜表面上形成大小不一的台阶，降低了零件的表面质量和加工精度。优化制作方向可以减少台阶效应对零件表面质量的影响。如图3所示，图3(b)的制作方向可以消除图3(a)所示的阶梯效应。2表面质量表面质量指制件表面不够光滑，出现凹凸不平的现象。引起表面质量差的原因主要有以下三个方面。2.1延迟时间延迟时间包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。当送丝机构开始送丝时，喷嘴不会立即出丝而有一定的滞后，把从送丝机构开始送丝到喷嘴出丝的这段时间称为出丝延迟时间；同样当送丝机构停止送丝时,喷嘴也不会立即断丝，把从送丝机构停止送丝到喷嘴断丝的这段时间称为断丝延迟时间。每一层都有许多封闭的几何边界,每一封闭的几何边界都存在起停点，要求喷头的移动速度和丝材挤出速度在喷头的起停点协调一致，否则会造成材料的过剩或不足。因此在喷头还未到达终点时，丝材的挤出运动就应停止，在背压的作用下，喷头仍在喷料，直至喷头到达终点；在喷头到达起点之前，送丝运动开始送丝，由于弹性滞后效应此时喷头并没有出丝，当喷头运动至起点位置时喷头开始出丝。因此距起点多远开始送丝，距终点多远就断丝，这是一个需要优化的工艺参数。如果距起点距离过短才送丝，则当喷头到达起点时仍没出丝，造成欠堆积;如果距终点距离太近才停止送丝，有过多的丝材进人喷头，那么在喷头到达终点时，在重力的作用下仍有丝材溢出，造成过度堆积，形成火柴头现象。反之，如果距终点距离过远就停止送丝，则在喷头到达终点之前已停止喷料，造成欠堆积，形成内部空洞。2.2喷嘴溫度与成型室环境温度设置不合理FDM成型工艺对温度的要求极其严格。喷嘴温度(％)太高会造成材料分子破裂，表面焦黄，挤出丝表面粗糙。成型室的温度(A)会影响到成型件热应力的大小，温度过高,虽然有助于减少热应力，但零件表面易起皱。因此喷头和成型室温度必须处于稳定状态，不能发生大的波动，否则将影响成型质量。喷嘴和成型室的温度关系如图4所示。例如当材料为ABS时，r。应控制在22a-27(rc之间，：rE应控制在40〜80°C之间。丨表面起皱80------------------喷嘴堵塞满意工作区间表面起皱精细轮廊难以成形220270T〇rc图4喷嘴和成型室合适温度范围Fig.4Appropriatetemperaturerangebetweensprayheadandformingroom2.3支撑的毛剌在悬臂结构制件的成型过程中，下面必须有支撑，否则无法成型。但是当制件成型完毕，去除支撑后却在制件的表面上留下一些毛刺和小凹坑，影响了原型的表面质量。要采取以下方法提高原型表面质量：①对制件进行后处理，例如表面打磨、抛光等;②应用具有水溶性或酸溶性的支撑材料。成型后的支撑材料不用机械方法去除，而是将原型放在水中或酸溶液中，支撑部分自然溶解，并且不会使原型表面出现毛刺现象。3尺寸误差尺寸误差包括砂平面的尺寸k差和z向的高度误差。3.1邛平面的尺寸误差3.1.1三角化近似形成的尺寸误差从本质上看，用有限的小三角形面逼近CADFig.3Stair-steppingeffect上半月出版Casting.Forging•WeldingS金属铸锻焊技术125《热加工工艺》2008年第37卷第5期万方数据模型表面，是原始模型的一阶近似，类似于二维平面上用直线逼近曲线。如果原型的几何模型完全由直线边组成，则只要增加三角面的数目可保证STL格式拟合绝对准