中職教育二年級下學(xué)期《第5章 FDM成型實例 摩托車后視鏡殼體》教學(xué)課件

第五章

FDM成型實例：

摩托車后視鏡殼體目錄第一節(jié)案例描述第二節(jié)數(shù)據(jù)建模第三節(jié)數(shù)據(jù)處理第四節(jié)模型成型過程第五節(jié)成型后處理第一節(jié)案例描述案例描述后視鏡對于摩托車或汽車來講，屬于重要的安全件。它能夠反映車后方、側(cè)方和下方的情況，使駕駛者可以間接看清楚這些位置的行車情況，起著“第二只眼睛”的作用，擴大了駕駛者的視野范圍。摩托車后視鏡案例描述后視鏡發(fā)揮作用，鏡面技術(shù)的不斷強化是重中之重，但對于后視鏡殼體也有一定的技術(shù)要求。后視鏡裝在車外，長期日曬雨淋，氣候條件惡劣，汽車行駛過程中要經(jīng)受顛簸沖擊，因此在選用后視鏡的材料時兼顧了溫度、濕度、強度與沖擊、彎曲性能等方面的要求，同時還要求材料不易老化、耐腐蝕、注塑性能和泊漆性能好等。注重性能的同時，殼體也要滿足美觀協(xié)調(diào)的要求并與整體設(shè)計風(fēng)格相一致?？紤]到使用模具試制的高昂制造成本和時間耗損，使用3D打印來驗證后視鏡殼體設(shè)計模型的功能、與鏡面的契合度以及與整車設(shè)計風(fēng)格的匹配度等問題是經(jīng)濟有效的選擇。第二節(jié)數(shù)據(jù)建?？傮w分析摩托車后視鏡殼體作為曲面件，主要由曲面和圓角構(gòu)成。建模前，對后視鏡殼體的大致分析如下：1. 產(chǎn)品為殼體，內(nèi)側(cè)無附屬結(jié)構(gòu)，且厚度均勻。也就是說在制作完產(chǎn)品外側(cè)后可通過抽殼得到其內(nèi)側(cè)。2. 應(yīng)在產(chǎn)品基準(zhǔn)坐標(biāo)確定的前提下進行制作。3. 為了避免殼體頂部圓角邊扭曲，在對數(shù)模四周側(cè)面實施脫模處理時，所給予的角度值應(yīng)盡可能一致?？傮w分析完成后的摩托車后視鏡外殼數(shù)模如圖所示。后視鏡外殼數(shù)模設(shè)計分析摩托車后視鏡外殼產(chǎn)品較簡潔，以下從基準(zhǔn)與精度兩方面來進行設(shè)計分析。1.基準(zhǔn)通過觀察產(chǎn)品可知，其分型線位于殼體外側(cè)底邊，而產(chǎn)品底面顯而易見為平面。因此，底部平面的法線方向即為后視鏡外殼的脫模方向。產(chǎn)品分型線、脫模方向示意圖設(shè)計分析產(chǎn)品平放于潔凈的臺面上進行測量，此臺面可視為基準(zhǔn)平面，測量數(shù)據(jù)中有此臺面的測量點，使用“三點構(gòu)面”方法做出產(chǎn)品的基準(zhǔn)平面。做基準(zhǔn)平面時要注意基準(zhǔn)平面與測量數(shù)據(jù)的誤差應(yīng)盡可能低，選取點與結(jié)果如圖。底部基準(zhǔn)平面的生成設(shè)計分析理論上三點獲取的基準(zhǔn)平面可作為產(chǎn)品底平面，但制作時仍須對其進行校驗。由于基準(zhǔn)平面與測量數(shù)據(jù)的誤差在軟件中只能單個測量，為了提高制作效率，制作側(cè)面前先使用【矩形】命令，根據(jù)三點獲取的基準(zhǔn)平面繪制出產(chǎn)品的底平面邊框，再通過【有界平面】命令使之生成片體.繪制底平面邊框并使之片體化設(shè)計分析使用軟件中【偏差測量】命令，檢查所有平臺掃描點至底平面片體的距離，結(jié)果應(yīng)保證在本例所制定的精度要求內(nèi)。若測量值出現(xiàn)異常，可通過測量數(shù)據(jù)的趨勢來判斷其是否為冗余測量點。校驗底平面設(shè)計分析要確定一個產(chǎn)品的設(shè)計坐標(biāo)系，只有Z軸是不夠的，還需要得到X軸或Y軸。后視鏡外殼除基準(zhǔn)平面外主要由曲面和圓角構(gòu)成，所以這里可根據(jù)較長兩側(cè)面的底邊構(gòu)造直線，求出兩者的角平分線即為產(chǎn)品X軸，這里的X軸只需大致平分產(chǎn)品即可。視鏡外殼X軸確定設(shè)計分析將坐標(biāo)放置于校驗后的底平面上，使坐標(biāo)原點大致位于殼體測量數(shù)據(jù)的中心，繪制出坐標(biāo)軸線。完成基準(zhǔn)軸線示意圖設(shè)計分析2.精度產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)根據(jù)所處位置分為：平臺掃描點、外側(cè)掃描點與分型點。后視鏡殼體屬于中小型件，且面型較為簡單，當(dāng)前設(shè)定數(shù)模與測量數(shù)據(jù)的誤差如表4-1所示：后視鏡外殼測量數(shù)據(jù)示意圖設(shè)計分析后視鏡外殼與測量數(shù)據(jù)誤差一覽建模實施建模時的方法應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的幾何特征靈活選擇。例如采用構(gòu)造線制作單面時，構(gòu)造線應(yīng)為平面線，其所在平面與最終面基本垂直；構(gòu)造線在滿足過點情況下應(yīng)盡量簡單（線的階數(shù)、段數(shù)盡量少）；面的控制頂點排列要整齊等。對后視鏡外殼幾何解構(gòu)，后視鏡外殼主要可以分為周邊側(cè)面、主體頂面和圓角處理三大部分。建模實施后視鏡外殼幾何解構(gòu)建模實施周邊側(cè)面如圖為周邊側(cè)面各部位示意，制作思路是參考測量數(shù)據(jù)先繪制出殼體外側(cè)底邊線，再以此底邊線為截面線拉伸得到相關(guān)側(cè)面，接著在側(cè)面與側(cè)面之間倒出圓角，這樣即可完成這一環(huán)節(jié)的制作。周邊側(cè)面各部位示意圖建模實施在相關(guān)面滿足與測量數(shù)據(jù)的精度要求前提下，截面線應(yīng)符合“先直后圓再樣條”的原則。即能做直線的地方要做成直線，做直線無法達(dá)到過點精度要求時可考慮圓弧，在直線和圓弧都達(dá)不到過點精度要求時再考慮用樣條曲線。如圖所示為常規(guī)3階1段樣條在調(diào)整其控制點后所產(chǎn)生的曲率梳變化，軟件中也有此一命令，通過命令可以以圖形比例的方式顯示曲線的曲率，清楚地檢測到曲線的連續(xù)性、突變、拐點等。一般來說圖中第三行所產(chǎn)生的結(jié)果在制作時是不予采用的，第四行交叉型則視情況而定。建模實施3階1段樣條曲率變化建模實施首先將測量數(shù)據(jù)中的分型點沿產(chǎn)品Z軸方向投影至底平面上。投影分型點的方法當(dāng)前是可以接受的，因為測量人員測量時是選取外側(cè)面靠近底邊處進行測量，若選取外側(cè)面底邊向上1mm處，而產(chǎn)品脫模角度為3°；那么測量數(shù)據(jù)沿脫模方向投影后與外側(cè)面底邊的偏差值約為0.05mm。投影分型點分型點測量原理建模實施由于產(chǎn)品底邊趨勢較平緩，所以優(yōu)先考慮圓弧制作。在已確定的坐標(biāo)位置插入草圖并參照投影后的分型點進行繪制，注意所繪線與側(cè)面圓角所構(gòu)成的區(qū)域應(yīng)形似等腰三角，這樣才有利于下一步的圓角制作。外側(cè)底邊線繪制建模實施以繪制的殼體外側(cè)底邊線為截面線沿產(chǎn)品的Z軸方向進行拉伸構(gòu)成實體，脫模角可參考測量數(shù)據(jù)。周邊側(cè)面各部位示意圖建模實施再完成圓角的制作，注意圖中標(biāo)示圓角為變半徑圓角，其余圓角大小可參考測量數(shù)據(jù)。圓角制作示意圖建模實施主體頂面在實際項目的制作過程中，針對主體頂面一般有兩種建構(gòu)方法。一種是使用【通過曲線網(wǎng)格】命令制作，另一種使用【從點云】命令擬合；由于采用擬合方法所構(gòu)建的面在調(diào)整時更易于操作，因此參照此方法進行講解。首先將軟件中的拾取方式改為套索，參考產(chǎn)品外觀后再避開圓角區(qū)域?qū)⒅黧w頂面的測量數(shù)據(jù)挑出，若一并選取圓角區(qū)域的點，容易造成擬合結(jié)果的扭曲。頂面測量數(shù)據(jù)選取示意圖建模實施使用軟件中【從點云】命令對選出的頂面測量數(shù)據(jù)進行擬合。注意在使用此命令時，擬合視角與擬合結(jié)果有直接關(guān)系，當(dāng)前的做法是先將擬合視角置于設(shè)計坐標(biāo)位置再進行擬合。曲面是用一個（或多個）方程來表示的。曲面參數(shù)方程的最高次數(shù)就是該曲面的階數(shù)。構(gòu)建曲面時需要定義U、V兩個方向的階數(shù)，且階數(shù)介于2~24之間，通常盡可能使用3~5階來創(chuàng)建曲面。建模實施面擬合示意圖建模實施使用軟件中【擴大】命令對頂部擬合面進行擴大，結(jié)果須保證超出上一環(huán)節(jié)所制作的實體。擬合面擴大建模實施擴大后的面應(yīng)通過【截面分析】命令查看其曲率梳，主要檢查面的等參柵格（即U、V方向）與其斜45°方向。曲面的參數(shù)表達(dá)式一般使用U、V參數(shù)，因此曲面的行與列的方向用U、V來表示。通常曲面橫截面線串的方向為V方向，掃掠方向或引導(dǎo)線方向為U方向。頂面曲率梳分析建模實施若面的曲率在邊角處出現(xiàn)魚尾扭曲，應(yīng)通過軟件中【X成形】命令調(diào)整面的控制點使其達(dá)到要求。曲率梳要求建模實施由于擬合面置于設(shè)計坐標(biāo)位置進行擬合，所以其控制點的排列從產(chǎn)品Z軸查看為橫平豎直，調(diào)整時應(yīng)確保此幾何關(guān)系。因此，在使用【X成形】命令時，也應(yīng)盡量以產(chǎn)品Z軸方向來上下調(diào)整控制點，如圖所示便是使邊角處曲率去除魚尾的調(diào)整方法。頂面的調(diào)整建模實施再次使用軟件中【偏差測量】命令檢查測量數(shù)據(jù)至頂面的距離，結(jié)果如圖。頂面與測量數(shù)據(jù)誤差結(jié)果示意圖建模實施以調(diào)整好的頂面作為刀具體修剪上一環(huán)節(jié)所制作的實體。實體頂部修剪建模實施圓角與后處理根據(jù)產(chǎn)品外觀可以判斷其在主體頂面與周邊側(cè)面之間銜接的圓角分為兩段，中間為過渡區(qū)域，當(dāng)前的制作思路是采用倒圓角變半徑的方法來實現(xiàn)。頂部圓角區(qū)域示意圖建模實施選取所示高亮邊為倒圓邊，并在過渡區(qū)域中給予變半徑點。倒圓邊與變半徑點示意圖建模實施圓角區(qū)域1與測量數(shù)據(jù)誤差相對來說較易調(diào)整，過渡區(qū)域、圓角區(qū)域2與測量數(shù)據(jù)誤差如圖。過渡區(qū)域、圓角區(qū)域2與測量數(shù)據(jù)誤差示意圖建模實施選取數(shù)模底平面對產(chǎn)品進行抽殼，至此摩托車后視鏡外殼完成制作。抽殼處理建模實施后視鏡外殼完成結(jié)果如圖所示，由于數(shù)模的制作從始至終都保留了參數(shù)，所以即使要修改也可在軟件部件導(dǎo)航器中做相應(yīng)調(diào)整。后視鏡外殼完成結(jié)果第三節(jié)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理逆向造型完成，選定FDM快速成型制造模型。本例采用美國Stratasys公司Fortus系列高精度熔融沉積（FDM）式3D打印機，其配套的前端處理軟件Insight用于完成成型制造前的數(shù)據(jù)處理工作。Insight系統(tǒng)界面數(shù)據(jù)處理Insight是Stratasys公司推出的功能強大的軟件系統(tǒng)。Insight可以將導(dǎo)入的STL文檔自動分層并生成成型路徑以及相關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)，也可以手工操作成型、支撐結(jié)構(gòu)或工具路徑，為用戶提供了更好的靈活性。此外，Insight中的ControlCenterTM是聯(lián)系客戶工作站和Fortus設(shè)備系統(tǒng)的軟件模塊，可以管理加工任務(wù)及監(jiān)控Fortus設(shè)備系統(tǒng)的實時生產(chǎn)狀況，使數(shù)據(jù)處理與設(shè)備系統(tǒng)管理融為一體，最大限度地提高控制系統(tǒng)的效率、吞吐量和利用率，同時減少響應(yīng)時間。Insight使操作更加容易，允許使用單一按鈕自動處理工件，或者定制工件以達(dá)外觀、強度、分辨率、材料用量甚至輸出的最優(yōu)化設(shè)計。數(shù)據(jù)處理Insight中對工件自動分層和生成支撐ControlCenterTM工作界面數(shù)據(jù)處理使用Insight處理后視鏡殼體的數(shù)據(jù)模型，轉(zhuǎn)換為Fortus設(shè)備可執(zhí)行文件主要通過以下幾個步驟來實現(xiàn)。參數(shù)設(shè)置Insight使用的第一步是設(shè)置相關(guān)參數(shù)，比如選擇模型的成型材料和支撐結(jié)構(gòu)的材料等。本例中，需要設(shè)置的參數(shù)有模型的成型材料（Modelmaterial）、支撐結(jié)構(gòu)的成型材料（Supportmaterial）和切片厚度（Sliceheight）。導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)模型參數(shù)設(shè)置本例中，后視鏡殼體模型的成型材料選擇白色聚碳酸酯（PC）。PC屬于工程塑料，具有較好抗沖擊強度、熱穩(wěn)定性和阻燃特性等，且比較耐磨，常用于汽車、內(nèi)飾等。PC雖然具有很好的機械特性，但流動性較差，因此這種材料的注塑過程較困難，在工業(yè)生產(chǎn)中后視鏡殼體常采用ABS來制造，ABS易加工，抗沖擊強度也較高。對于熔融沉積快速成型來講，受PC較差流動性的影響較小，可以用來制造對強度、耐磨等特性要求較高的產(chǎn)品。參數(shù)設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)的成型材料選擇Stratasys公司的支撐專用線材褐色的SR-100support，這種支撐材料和PC較易剝離，方便后處理。根據(jù)所選的成型材料和成型設(shè)備Fortus450mc，選擇中等厚度的切片厚度0.1778mm作為切層厚度。這個厚度對成型質(zhì)量影響很大，需要參考模型的形狀及其他具體要求。0.1778mm的層厚屬于中等層厚，精度較高，F(xiàn)DM快速成型一般采用0.2mm左右進行，對精度有較高要求時，可采用0.1mm左右的層厚，如果只是追求“快速”成型，則可選擇0.3mm左右的層厚進行相對低質(zhì)量但高速成型的方法。對導(dǎo)入數(shù)據(jù)進行診斷和修復(fù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)Insight導(dǎo)入數(shù)據(jù)和大多數(shù)軟件相同，點擊“File”，再點擊“Open”，找到存放數(shù)模文件的位置，“打開”即可，導(dǎo)入方式簡單方便。在Insight中導(dǎo)入數(shù)據(jù)零件擺放導(dǎo)入數(shù)據(jù)檢查無誤后，開始擺放零件。本例中的后視鏡殼體模型是一個凹形的碗狀零件。在分層制造過程中，當(dāng)上層截面大于下層截面時，上層截面的多出部分將會出現(xiàn)懸空，從而使截面部分發(fā)生塌陷或變形，影響零件原型的成型精度，甚至使產(chǎn)品原型不能成型?？紤]到以上因素以及支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和最大可能節(jié)省支撐材料，選擇將凹形開口向上，以較平緩的底部連接支撐的姿態(tài)擺放。后視鏡殼體在Insight中的擺放姿態(tài)后視鏡殼體三維模型零件擺放Insight中調(diào)整零件姿態(tài)的操作也很容易掌握，操作按鈕形象生動易于理解。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，打開“STL”功能欄，選擇“Rotate”（旋轉(zhuǎn)）菜單項，系統(tǒng)界面右側(cè)會出現(xiàn)參數(shù)修改、調(diào)整界面（如圖所示）。“STLRotate”支持在“X”、“Y”和“Z”三個坐標(biāo)方向進行指定角度的旋轉(zhuǎn)，或者使用快捷按鈕逐漸向某個角度靠近。Insight的擺放姿態(tài)切片處理零件擺放好，回到“ProcessingModel”（處理模型）窗口。勾選“Slice”（切片）點擊運行，即刻開始對數(shù)模進行自動切片處理（如圖所示）。自動分層很快即可完成。后視鏡殼體模型切片處理進程生成支撐做好切片，點擊自動生成支撐（如圖所示）。支撐可分為兩種類型：一種是外部支撐，即與快速成型設(shè)備工作平臺有接觸的支撐結(jié)構(gòu)；另一種是在所有出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)的地方給予支撐輔助的結(jié)構(gòu)。本例中的后視鏡殼體模型，只需要與工作平臺接觸的外部平臺附著式支撐即可。這種平臺附著型的支撐也有兩種形式，一種是在模型外圍附加一圈底座幫助模型粘附在平臺上，另一種是在模型的整個底部附加底座來幫助模型粘附，本例選擇在整個底部附加支撐結(jié)構(gòu)（如圖所示）。自動生成支撐功能界面切片處理這種支撐還有另一個重要的目的：建立基礎(chǔ)層。在工作平臺和零件的底層之間建立緩沖層，使零件制作完成后便于剝離工作平臺。此外，基礎(chǔ)支撐還可以給制造過程提供一個基準(zhǔn)面，在支撐的基礎(chǔ)上進行實體制造，自下而上層層疊加形成三維實體，這樣可以保證實體制造的精度和品質(zhì)，所以支撐的選擇和制作是FDM快速成型的關(guān)鍵步驟。自動生成的支撐結(jié)構(gòu)驗證刀具路徑切片處理和生成支撐結(jié)構(gòu)工作完成，接下來檢查刀具路徑做最后的確認(rèn)工作。選擇要制造的零件模型，查看預(yù)估的制造時間（如圖所示），確認(rèn)后，打開ControlCenter（如圖所示）。選擇制造零件原型的模塊驗證刀具路徑在ControlCenter中，通過一系列功能按鈕，可以手動操作移動模型在工作平臺上的位置，復(fù)制模型進行多個零件同時制造，當(dāng)然也可以移除不需要的模型，或者調(diào)整模型的角度等等，調(diào)整驗證完畢即可創(chuàng)建工作。調(diào)整驗證刀具路徑發(fā)送數(shù)據(jù)在ControlCenter中創(chuàng)建項目后，在Queue選項中檢查項目制造隊列（如圖所示），合理安排工作時間。Queue選項中檢查項目隊列發(fā)送數(shù)據(jù)檢查所選實際制造設(shè)備的各項信息（如圖所示），再次確認(rèn)所要制造的模型（如圖所示），點擊“OK”，選定的快速成型設(shè)備收到相關(guān)數(shù)據(jù)，即可開始進行實質(zhì)制造的相關(guān)工作。確認(rèn)快速成型設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)并發(fā)送數(shù)據(jù)第四節(jié)模型成型過程模型成型過程切片數(shù)據(jù)傳送至快速成型設(shè)備，即可開始著手實體制造。利用FDM快速成型方式制造后視鏡殼體模型，選擇美國Stratasys公司的Fortus450mc（如圖所示）系統(tǒng)進行制造。Fortus系統(tǒng)環(huán)保不會產(chǎn)生有害氣體、化學(xué)物或廢棄物等，所需的工作場地沒有特殊的通風(fēng)要求，生產(chǎn)系統(tǒng)易于操作和維護。具有兩個模型材料和兩個支撐材料存儲倉，支持多種功能材料，可在不更換材料的情況下連續(xù)運行兩周以上，效率很高。在正式“打印”之前，先要做一些準(zhǔn)備工作。模型成型過程首先，在工作平臺上鋪一層塑料薄膜。工作平臺鋪薄膜可以防止模型與工作平臺的粘連，有利于模型的成型和取出。薄膜使用前要先撕掉保護膜，由于Fortus450mc“打印”工作艙內(nèi)需要加熱并保有一定的溫度，所以在放入薄膜時要戴手套（如圖所示）。薄膜放置于工作平臺上，關(guān)上艙門，工作間溫度較高會將薄膜軟化，使其與工作平臺自然貼附。Fortus450mcFDM系統(tǒng)在工作平臺放置薄膜模型成型過程關(guān)閉艙門后，轉(zhuǎn)至Fortus450mc的操作面板（如圖所示），按下“開始”鍵，調(diào)整位置并確認(rèn)，即刻開始“打印”制造，整個操作過程十分簡單。Fortus450mc操作面板上可呈現(xiàn)成型進度、切片層數(shù)、當(dāng)前打印層數(shù)、預(yù)計完成時間、所用材料及ControlCenter中的其他數(shù)據(jù)，方便隨時查看。Fortus系統(tǒng)使用兩種材料，一種是模型材