分層實(shí)體制造快速成型技術(shù)Word版

1、傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！分層實(shí)體制造(lom)快速成型技術(shù)摘要：本文重點(diǎn)闡述了lom成型技術(shù)的基本原理和一般工藝過程，并對分層實(shí)體制造成型精度的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)論述。關(guān)鍵詞：快速成型；分層實(shí)體制造；lom1 前言快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)之一。它涉及cad/cam技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、材料技術(shù)、cnc技術(shù)、測試傳感器技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等，是各種高技術(shù)的綜合應(yīng)用。快速成型技術(shù)能快速地將任意復(fù)雜形狀的產(chǎn)品零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型(cad模型)轉(zhuǎn)換為物理模型、零件原形甚至零件，無需采用專用工具和工裝；能自動(dòng)、直接、快速、精確地將

2、設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而可以直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、外觀驗(yàn)證、工程分析、市場訂貨以及企業(yè)的決策等，從而大大提高了新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，縮短了產(chǎn)品研制周期。目前，比較成熟的快速成型工藝方法已達(dá)十余種，得到廣泛應(yīng)用的主要有如下幾種：光固化成型技術(shù)(sla)、分層實(shí)體制造技術(shù)(lom)、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(sls)、熔融沉積技術(shù)(fdm)等快速成型技術(shù)1。其中，由于lom技術(shù)的制造原型精度高，成型件質(zhì)量高、成本低的特點(diǎn)，特別適合于中、大型制件的快速成型。lom技術(shù)作為一種快速、高效及低成本的rp系統(tǒng)在汽車、航空航天、通信電子領(lǐng)域及日用消費(fèi)品、制鞋、運(yùn)動(dòng)器械等行業(yè)

3、得到廣泛的應(yīng)用。2 分層實(shí)體制造技術(shù)的基本原理及其一般工藝過程2.1 分層實(shí)體制造的工作原理分層實(shí)體制造(lom)是被廣泛應(yīng)用的一種快速成型工藝，其成型系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、原材料送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱壓裝置、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)等組成。其工作原理如下：在cad軟件系統(tǒng)上建立產(chǎn)品的三維cad模型，并傳遞到快速成型系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理軟件，將cad模型沿成型方向切成一系列具有一定厚度的“薄片”。原材料送進(jìn)機(jī)構(gòu)將底面涂有熱熔膠和添加劑的紙或塑料等薄層材料送至工作臺(tái)的上方。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制激光切割系統(tǒng)，按傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！“薄片”的橫截面輪廓線，在工作臺(tái)上

4、方的薄層材料上切割出該層橫截面的輪廓形狀，并將材料的無輪廓區(qū)切割成小碎片?？缮倒ぷ髋_(tái)支撐正在成型的零件，并在每層成型之后，降低一個(gè)分層厚度，然后新的一層材料疊加在上面。通過恒溫控制的熱壓裝置將其與下面的己切割層粘合在一起，激光束再次切割出物體的新一層截面輪廓，如此往復(fù)，層層堆積，直到所有的層都加工完后，便得到最終需要的三維產(chǎn)品2。其工作原理如圖1所示。圖1 lom工藝的成型原理圖22.2 分層實(shí)體制造的一般工藝過程lom成型的一般工藝過程大致如下：(1)料帶移動(dòng)，使新的料帶移到工件上方。(2)工作臺(tái)往上升，同時(shí)熱壓輥移到工件上方，工件頂起新的料帶，工作臺(tái)停止移動(dòng)，熱壓輥來回碾壓新的薄材材料，

5、將最上面一層的新材料與下面已成型的工件部分粘結(jié)起來，添加一新層。(3)系統(tǒng)根據(jù)工作臺(tái)停止的位置，測出工件的高度，并反饋回計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)前零件的加工高度，計(jì)算出三維實(shí)體模型的交截面。(4)交截面的輪廓信息輸入到控制系統(tǒng)中，控制co2激光器沿截面輪廓切割。激光的功率設(shè)置在只能切透一層材料的功率值上。輪廓內(nèi)、外面無用的材料用激光切成方形的網(wǎng)格，以便工藝完成后分離。(5)工作臺(tái)向下移動(dòng)，使剛切下的新層與料帶分離。(6)料帶移動(dòng)一段比切割下的工件截面稍長一點(diǎn)的距離，并繞在復(fù)卷輥上。(7)重復(fù)上述過程，直到最后一層。分離掉無用碎片，得到三維實(shí)體。傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！

6、lom成型的工藝過程如圖2所示。圖2lom成型過程示意圖3lom技術(shù)的特點(diǎn)是制造的原型精度高，分層實(shí)體制造中激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓，而不用掃描整個(gè)截面，且無需設(shè)計(jì)和制作支撐，所以制作效率高、速度快、成本低。結(jié)構(gòu)制件能承受高達(dá)200的溫度，有較高的硬度和較好的機(jī)械性能，可進(jìn)行各種切削加工。缺點(diǎn)是由于材料質(zhì)地原因，加工的原型抗拉性能和彈性不高，易吸濕膨脹，需進(jìn)行表面防潮處理。3 分層實(shí)體制造成型精度分析3.1 成型系統(tǒng)對成型精度的影響(l)高度傳感器的測量誤差。高度傳感器用于測量熱壓后紙面的實(shí)時(shí)高度，并將此數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一方面，使當(dāng)前要切割的紙面正好處于焦平面上，另外，

7、根據(jù)此數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)高度處的分層截面數(shù)據(jù)(為了滿足高度的要求，有可能忽略掉某層或某幾層截面的加工)，或者計(jì)算切片高度，進(jìn)行實(shí)時(shí)切片，得到對應(yīng)的切片輪廓。因此，高度傳感器的精度會(huì)直接影響成型件的加工精度。此外，由于高度傳感器安裝在x向熱壓板的中間，所以只能測得成型件x方向中間位置附近處的高度值，而不能對整個(gè)成型件的上表面進(jìn)行測量，同時(shí)，側(cè)量的準(zhǔn)確性還受溫度和機(jī)械振動(dòng)等的影響，這些都會(huì)導(dǎo)致成型件的尺寸和形狀誤差4。(2) 熱壓板表面溫度分布不均勻?qū)е碌恼`差。由于熱壓板表面溫度沿x向分布不可能很均勻，同時(shí)，升降工作臺(tái)與z軸的垂直度誤差引起成型件上表面高度不一致，這些因素使膠的最高熱壓溫度分布不均勻，導(dǎo)

8、致膠厚分布不均勻，從而影響z向尺寸精度傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！4。3.2 切片方式對成型精度的影響理想的分層方法應(yīng)是沿成型方向?qū)⑷Scad模型分解為一系列精確的層片，即每個(gè)層片不僅具有內(nèi)外輪廓線，還具有三維幾何特征，使該層片的側(cè)面與三維cad模型對應(yīng)位置處的幾何特征完全一致。然而在實(shí)際成型中，不能采用理想的分層方法，其主要原因在于：(l)理想分層后每個(gè)層片仍具有三維幾何特征，不能用二維數(shù)據(jù)進(jìn)行精確描述，因而在生成數(shù)控程序方面，將由簡單的兩坐標(biāo)數(shù)控加工問題轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^復(fù)雜的四坐標(biāo)或五坐標(biāo)數(shù)控加工問題；(2)具體的工藝難于保證層片厚度方向的輪廓形狀，因?yàn)閷τ诩す馇懈钕到y(tǒng)

9、來說，需要激光加工頭能繞x和y軸擺動(dòng)，以便沿輪廓曲線進(jìn)行切割。因此，每一層片只能用直壁層片近似，用二維特征截面近似代替整個(gè)層片的幾何輪廓信息。lom成型工藝中，有以下兩種分層方法：定層厚分層。根據(jù)所選定的分層厚度(一般為紙的名義厚度)一次性對三維cad模型或stl格式化模型進(jìn)行切片處理，將各層的數(shù)據(jù)存貯在相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中，計(jì)算機(jī)順序調(diào)用各層的數(shù)據(jù)至數(shù)控卡，控制成型機(jī)完成原型的制作。這種分層方法比較簡單，但紙厚的累積誤差導(dǎo)致成型件z向尺寸精度無法控制。如果安裝z方向高度實(shí)時(shí)檢測反饋控制系統(tǒng)，雖然能控制成型件最終的z向尺寸，但又不能保證成型件每一高度處的截面輪廓完全符合cad模型或stl模型相應(yīng)高

10、度處的截面輪廓，因?yàn)樵诩庸み^程中，為了滿足高度的要求，對于某些層片數(shù)據(jù)將不會(huì)加工。實(shí)時(shí)測厚，實(shí)時(shí)分層。對升降工作臺(tái)采用閉環(huán)控制，根據(jù)成型件當(dāng)前層的實(shí)測高度，對cad模型或stl模型進(jìn)行實(shí)時(shí)分層，以獲取相應(yīng)截面的數(shù)據(jù)。這不僅能較真實(shí)地反映模型相應(yīng)高度處的截面輪廓，而且可以消除紙厚的累積誤差對零件z向尺寸精度的影響5。另外，對于某些快速成型工藝如fdm工藝等，還可采用變層厚分層(又稱自適應(yīng)切片方法)，即根據(jù)cad模型的表面幾何信息(曲率和斜率)及給定的誤差要求自動(dòng)調(diào)整分層厚度。但這種自適應(yīng)切片方法對lom工藝來說不適合，因?yàn)閘om工藝的成型材料為固定厚度的紙。傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫

11、助，可雙擊去除！3.3 光路系統(tǒng)偏差對成型精度的影響圖3中，5與6表示聚焦凸鏡上有兩個(gè)激光光斑，a向表示沿z軸自下而上觀察所得。假定光斑5為當(dāng)激光頭在原點(diǎn)o處時(shí)激光照射在凸鏡上的位置，而光斑6為激光頭運(yùn)動(dòng)到成型空間與原點(diǎn)成對角的另一點(diǎn)d處(如400mm×600rnm坐標(biāo)處)時(shí)激光照射在凸鏡上的位置。這表明在掃描加工范圍內(nèi)光路系統(tǒng)有偏差，因而當(dāng)激光頭分別位于o、d兩點(diǎn)時(shí)，激光束經(jīng)過傳輸后在聚焦鏡上的位置并不重合在一起，而且它們也并沒有位于聚焦鏡的中心位置。這樣，必將引起成型零件的尺寸誤差，用圖4所示的y方向尺寸誤差及x方向平面不平行度d來表示光路系統(tǒng)偏移所引起的誤差。實(shí)際上，只要激光束

12、在聚焦鏡上不重合，就會(huì)同時(shí)引起x、y兩個(gè)方向的尺寸和形狀誤差。激光光斑在聚焦鏡上不重合還會(huì)使聚焦后的焦點(diǎn)不在同一個(gè)水平面內(nèi)，即形成的焦平面為曲面形狀，這樣，在零件的掃描加工范圍內(nèi)會(huì)使激光切割點(diǎn)處的光斑直徑大小發(fā)生變化，這必然會(huì)降低切口的精度，因而影響成型零件的尺寸和形狀精度。圖3分層實(shí)體制造激光光路與掃描范圍圖6圖4光斑不重合時(shí)引起的y向尺寸誤差及x向平面不平行度6傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！3.4 成型材料的熱、濕變形對成型精度的影響目前，影響lom快速成型系統(tǒng)精度最大的因素是加工過程中材料的冷卻翹曲和吸濕生長，即熱、濕變形，表現(xiàn)為成型件的翹曲、扭曲、開裂等。熱、濕

13、變形是影響lom工藝成型精度最關(guān)鍵也是最難控制的因素之一5。lom工藝的成型材料主要為涂覆紙，存在因熱壓板熱壓和激光切割時(shí)傳遞給零件的熱量而引起的熱變形，因?yàn)榧埡蜔崛勰z的熱膨脹系數(shù)相差較大，加熱后膠迅速熔化膨脹，而紙的變形相對較??；在冷卻過程中，紙和膠的不均勻收縮，使成型件產(chǎn)生熱翹曲、扭曲變形。廢料小方格剝離后，成型件的熱內(nèi)應(yīng)力還會(huì)引起某些部位開裂。lom成型件是由復(fù)合材料疊加而成的，其濕變形遵守復(fù)合材料的膨脹規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)水分在疊層復(fù)合材料的側(cè)向開放表面聚集之后，將立即以較大的擴(kuò)散速度通過膠層界面，由較疏松的纖維組織進(jìn)入膠層，使成型件產(chǎn)生濕脹，損害連接層的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致成型件變形甚至

14、開裂5。通過改進(jìn)熱熔膠的涂覆方法、改進(jìn)成型件的后處理方法及根據(jù)成型件的熱變形規(guī)律，預(yù)先對cad模型進(jìn)行修正，可減少熱、濕變形對成型精度的影響。3.5 lom工藝參數(shù)設(shè)置對成型精度的影響lom在制作原型件時(shí)，整個(gè)成型過程是自動(dòng)完成的，但lom成型件的精度與操作者的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)有著很大的關(guān)系，需要對系統(tǒng)工藝參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)置7。多功能快速成型設(shè)備lom工藝的標(biāo)稱精度為：±0.1mm/100mm，而美國helisy公司的lom-2030h系統(tǒng)的標(biāo)稱精度為：x和y方向0.1%；z方向0.2%。實(shí)際上由于lom工藝固有的特點(diǎn)，lom制件在成型后的數(shù)小時(shí)內(nèi)在z方向上會(huì)有12%的尺寸回彈7，為了控制成

15、型件的精度，需要在設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)時(shí)對該因素進(jìn)行修正。分層實(shí)體制造中需利用激光束經(jīng)聚焦后來切割薄層材料(如紙張)，激光光斑具有一定的直徑(0.1mm0.3mm)，而切片軟件產(chǎn)生的截面輪廓線是激光束的理論軌跡線，激光束可看作數(shù)控加工中的刀具，其光斑需要進(jìn)行半徑補(bǔ)償，尤其當(dāng)激光光斑半徑比較大時(shí)，半徑補(bǔ)償就更為必要，否則，它將直接影響切片截面輪廓線的精度，從而影響整個(gè)成型件的精度。因此，在激光切割過程中，激光光斑中心的運(yùn)動(dòng)軌跡不能是實(shí)體截面的實(shí)際輪廓線，而應(yīng)根據(jù)輪廓線邊界的內(nèi)外性，使光斑中心向內(nèi)邊界的內(nèi)側(cè)或外邊界的外側(cè)偏移一個(gè)光斑半徑的距離，這個(gè)偏移就是對激光光斑的半徑補(bǔ)償。傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希

16、望對您有幫助，可雙擊去除！在lom工藝參數(shù)設(shè)置方面，還需要著重考慮切割速度與激光輸出功率的實(shí)時(shí)匹配問題。在實(shí)際加工過程中，每層輪廓線的切割加工都是由激光束與薄層材料相互作用完成的，由于激光束作用在薄層材料上的能量不均勻，會(huì)導(dǎo)致粗細(xì)不均的輪廓線，使得截面上有些輪廓線沒有被切割斷，而另一些卻出現(xiàn)“過燒”現(xiàn)象。前者使廢料小方格與成型件實(shí)體不易分離，影響到原型的表面質(zhì)量；而后者在輪廓“過燒”處的尺寸將出現(xiàn)較大的偏差，從而影響原型的尺寸精度，另外，“過燒”會(huì)對前一層已成型的紙進(jìn)行切割，嚴(yán)重時(shí)會(huì)切透，產(chǎn)生過切割，因而也影響到原型的表面質(zhì)量。所以，只有切割速度和激光的輸出功率較好地匹配，才能保證不因激光的輸

17、出功率過高而導(dǎo)致材料的“過燒”，或激光的輸出功率過低而使材料切不透，從而保證良好的切割質(zhì)量。影響lom原型成型質(zhì)量的因素很多，除了掃描速度與激光功率外，主要的還有成型材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，成型時(shí)熱壓輥的溫度、壓力以及熱壓速度。因此，要在大程度上提高lom原型的質(zhì)量，應(yīng)該對各參數(shù)對lom原型的成型質(zhì)量的影響進(jìn)行比較全面的研究，由此才能建立適用性更廣的控制模型，并且設(shè)計(jì)的參數(shù)匹配控制系統(tǒng)將在更大范圍內(nèi)適用。4 展望隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭愈演愈烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，迫切需要采用先進(jìn)的創(chuàng)新手段。用傳統(tǒng)的方法制造物理原型時(shí)，通常需要使用多種機(jī)床設(shè)備和模具，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢，快速成型（rp）

18、技術(shù)的出現(xiàn)，可以在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造。而lom系統(tǒng)作為比較流行的rp系統(tǒng)之一有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用途徑日益廣泛，必將給制造業(yè)帶來巨大的效益。傳播優(yōu)秀word版文檔 ，希望對您有幫助，可雙擊去除！參考文獻(xiàn)1孫大涌. 先進(jìn)制造技術(shù)m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.2.2劉光富. 快速成型與快速制模技術(shù)m. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.3劉偉軍. 快速成型技術(shù)及應(yīng)用m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.4黃旗明. 快速成形lom精度控制研究j. 機(jī)械與電子，1998，(3)：34-35.5陶明元，韓明. lom成形精度的分析j. 鍛壓機(jī)械，20