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快速成型制造技术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快速成型制造技术一、快速成型常用的CAD软件系统z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（SolidModeling）和表面造型(SurfaceModeling)功能，后者对构造复杂的自由曲面有重要作用。z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快速成型制造技术快速成型制造技术二、三维模型的表达方法zSTL(StereoLithographyinterfacespecification)格式。STL格式最初出现于1989年美国3DSystems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。z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。zSTL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。快速成型制造技术快速成型制造技术z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。快速成型制造技术快速成型制造技术z然后根据不同的成型方式，开发出不同的扫描成型软件。z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。z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三、STL文件格式的规则z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。z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。快速成型制造技术快速成型制造技术ABAB表达正确表达错误共顶点规则的示例表达正确表达错误取向规则示例快速成型制造技术快速成型制造技术四、STL文件格式的缺陷z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。z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。z三角形过多或过少，精度降低，或者计算、成型困难。z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，释放内存前处理后处理快速成型制造技术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。z支撑扫描速度较低，便于生成稳定可靠的支撑结构；z填充扫描速度，决定了制作速度；z轮廓扫描，提高轮廓的光洁度；z支撑、填充和轮廓扫描速度均决定于激光功率；z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；z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。快速成型制造技术快速成型制造技术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—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。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。快速成型制造技术快速成型制造技术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。快速成型制造技术快速成型制造技术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。快速成型制造技术快速成型制造技术z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。快速成型制造技术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