第四章激光快速成形誤差分析

第四章激光快速成形誤差分析第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三概述激光快速成形的要想大規(guī)模應(yīng)用，需要解決的首要問題就是成形精度問題，這不僅關(guān)系到成形件的質(zhì)量，而且也關(guān)系到快速模具的質(zhì)量。第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三前期數(shù)據(jù)處理誤差前期數(shù)據(jù)處理誤差主要產(chǎn)生于：1.三維CAD模型的STL文件轉(zhuǎn)換2.STL文件的分層處理第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三STL文件格式轉(zhuǎn)換誤差

STL文件的數(shù)據(jù)格式是采用小三角形來近似逼近三維CAD模型的外表面，小三角形數(shù)量的多少直接影響著近似逼近的精度。顯然，選取的三角形應(yīng)該越多，精度就越高。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三STL文件格式轉(zhuǎn)換誤差一般三維CAD系統(tǒng)在輸出STL格式文件時都要求輸入精度參數(shù)，也就是用STL格式擬合原CAD模型的最大允許誤差。但過高的精度要求會增加三角形數(shù)目，從而引起計算機差補運算量和內(nèi)存容量的加大，同時帶來切片處理時間的顯著增加。減少三角形數(shù)目則會破壞截面輪廓邊界的平滑程度。因此，需要恰當(dāng)?shù)剡x擇STL格式轉(zhuǎn)換的精度參數(shù)值，這往往依賴于經(jīng)驗。第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三分層處理對成形精度的影響分層處理產(chǎn)生的誤差屬于原理誤差，分層處理以STL文件格式為基礎(chǔ)，先確定成形方向，通過一簇垂直于成形方向的平行平面與STL文件格式模型相截，所得到的截面與模型實體的交線再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成截面輪廓信息，平行平面之間的距離就是分層厚度。第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三分層處理對成形精度的影響由于每一切片層之間存在距離，因此切片不僅破壞了模型表面的連續(xù)性，而且不可避免地丟失了兩切片層間的信息，這一處理造成分層方向上的尺寸誤差和面型精度誤差。第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三分層方向尺寸誤差分析進(jìn)行分層處理時，確定分層厚度后，如果分層平面正好位于頂面或底面，則所得到的多邊形恰好是該平面處實際輪廓曲線的內(nèi)接多邊形；如果分層平面與此兩平面不重合，即沿切層方向某一尺寸與分層厚度不能整除時，將會引起分層方向的尺寸誤差。第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三分層方向尺寸誤差分析在解決上述問題，開發(fā)自適應(yīng)切片分層軟件，是目前柔性切片軟件研究的一個努力方向。自適應(yīng)切片分層就是根據(jù)零件的幾何特征來決定切片的厚度，在輪廓變化頻繁的地方采用小厚度切片，在輪廓變化平緩的地方采用大厚度切片，與統(tǒng)一厚度切片方法比較，可以減小成形方向上的尺寸誤差，并減少了數(shù)據(jù)的處理量。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三階梯誤差分析由于激光成型是用積分累加的原理生成的，其在加工過程中必然會產(chǎn)生所謂的“階梯效應(yīng)”現(xiàn)象，但這個“階梯效應(yīng)”是由快速成型制造的原理所決定的，因而所產(chǎn)生的誤差稱為“原理誤差”。第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三階梯誤差分析該誤差的存在使得零件的精度，尤其是垂直于疊層方向的曲面精度明顯的降低。另外，RP加工中z向的進(jìn)給一般可采用0.05～0.3mm／次，進(jìn)給太大則原理誤差過大，過小零件的生產(chǎn)效率又太低。因此，分層制件的精度和效率是影響激光快速成型大面積推廣應(yīng)用的主要因素。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三階梯誤差分析目前對原理誤差的控制常采用優(yōu)選分層法、變層厚分層法和后處理法。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三階梯誤差分析后處理法是用紫外光二次固化及打磨、噴涂等來改善制作精度的。這些方法沒有從原理誤差產(chǎn)生的本質(zhì)上解決問題，并不能避免原理誤差的產(chǎn)生。直接對三維模型切片，不經(jīng)過STL格式轉(zhuǎn)化。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三機器誤差機器誤差是成形機本身的誤差，它是影響制件精度的原始誤差。機器誤差在成形系統(tǒng)的設(shè)計及制造過程中就應(yīng)盡量減小，因為它是提高制件精度的硬件基礎(chǔ)。1.工作臺Z

方向運動誤差2.X-Y方向定位誤差第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三工作臺Z方向運動誤差工作臺Z方向運動誤差直接影響堆積過程中的厚度精度，最終導(dǎo)致Z方向的尺寸誤差；而工作臺在垂直面內(nèi)的運動直線度和垂直度誤差直接影響制件的形狀、位置誤差。第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三X-Y

方向定位誤差對于采用步進(jìn)電機驅(qū)動的開環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)而言，步進(jìn)電機本身的運動精度、機械系統(tǒng)的傳動精度，以及同步齒形帶的彈性變形誤差都直接影響掃描系統(tǒng)的運動準(zhǔn)確性和定位誤差。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三成形過程中的誤差1.材料狀態(tài)的變化引起的誤差2.不一致約束引起的誤差3.后處理產(chǎn)生的誤差第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三材料狀態(tài)的變化引起的誤差在成形過程中，材料的狀態(tài)要發(fā)生變化，材料狀態(tài)的變化會引起制件的線性手說和體積收縮，從而導(dǎo)致制件的形狀和尺寸的變化。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三不一致約束引起的誤差由于相鄰層的輪廓有所不同，它們的成形軌跡也可能有差別，因此，在成形每一層時都會受到相鄰兩層不一致的約束，導(dǎo)致復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，這種層間應(yīng)力會導(dǎo)致制件產(chǎn)生翹曲變形，并且制件尺寸越大，翹曲變形越明顯。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三后處理產(chǎn)生的誤差從成形機上取出已成形的工件后，需要進(jìn)行剝離支撐結(jié)構(gòu)，有的還需要進(jìn)行后固化、修補、打磨、拋光和表面處理等，這些工序統(tǒng)稱為后處理。后處理工藝不當(dāng)可能會嚴(yán)重影響成形件的精度。第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三后處理產(chǎn)生的誤差

解決辦法1.對于有支撐結(jié)構(gòu)的成形件，要掌握支撐剝離的時機。剛剛完成光固化的成形件往往存在較大的內(nèi)部應(yīng)力，在此后的時間里會以近似指數(shù)曲線逐漸消失。過早的剝離支撐結(jié)構(gòu)可能會因為消除的殘余應(yīng)力而變形。第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三后處理產(chǎn)生的誤差

解決辦法2.后續(xù)加工處理問題。為改善成形件的表面平滑程度，或表面材料性能等，經(jīng)常要對已固化