【文章內(nèi)容簡介】 子模型制成固體的三維陶瓷模殼 .取走模殼處疏松的陶瓷粉 ,露出完成的模殼 ,采用熔模鑄造的一般方法對(duì)模殼最后加工 ,完成整個(gè)加工過程 .此系統(tǒng)能檢測(cè)自己的印刷缺陷 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工 . 光屏蔽 (即 SGC— Solid Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開發(fā) ,該工藝可以在同一時(shí)間固化整個(gè)一層的液體光聚合物 . SGC 工藝使用丙烯酸鹽類光聚合物材料 ,其制作精度可達(dá)整體尺寸的 %,切片厚度約為 ～ ,Cubital 公司開發(fā)的 Solider5600 型產(chǎn)品制作的最大工作尺寸為 508 508 356mm ,所用紫外光燈功率為 2kW ,每一層循環(huán)約化 90s. MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化學(xué)最近推出的三菱化學(xué)快速制模系統(tǒng) ,可將原型直接轉(zhuǎn)換成模具 ,采用稱作“金屬補(bǔ)強(qiáng)樹脂制模 (Metal Resin Moulding)復(fù)合料” ,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時(shí)間縮短了 1/2～ 1/3. 奧斯丁的德克薩斯大學(xué)正在研究的高溫選擇激光燒結(jié) (HTSLS) ,在取消聚合物粘結(jié)劑方面進(jìn)行了嘗試 .結(jié)果表明 ,可利用 Cu Sn 或青銅 — 鎳粉兩相粉末 ,采用激光局部熔化低熔點(diǎn)粉末來制造模具 各種成型方法簡介及對(duì)比 表 幾種典型成型工藝的比較 成型 工藝 原型 精度 表面 質(zhì)量 復(fù)雜 程度 零件 大小 材料 價(jià) 格 利用 率 常用 材料 制造 成本 生產(chǎn) 效率 設(shè)備 費(fèi)用 SLA 較高 優(yōu) 中等 中小件 較貴 很高 樹脂 較高 高 較貴 LOM 較高 較差 簡單 中小件 便宜 較差 塑料 低 高 便宜 SLS 較低 中等 復(fù)雜 中小件 較貴 很高 石蠟 較低 中等 較貴 HDM 較低 較差 中等 中小件 較貴 很高 金屬 較低 較低 便宜 快速成型精度概述 研究成型機(jī)的成型精度，提高成型精度，對(duì)于 RP 技術(shù)的推廣和應(yīng)用有很重要的影響。制件誤差的產(chǎn)生原因見圖 11 所示： 光固化成型由三個(gè)環(huán)節(jié)組成 :前處 理、快速成型加工和后處理。 這三個(gè)部分彼此相連，共同完成光固化快速成型過程。每一環(huán)節(jié)中存在的誤差都會(huì)影響到最終成型零件的精度?？焖俪尚偷木葹闄C(jī)械精度和制件精度。 目前影響快速成型最終精度的主要原因由于下幾個(gè)方面 : CAD 模型的前處理造成的誤差 目前，對(duì)于絕大多數(shù)快速成型系統(tǒng)而言，必須對(duì)工件的三維 CAD 模型進(jìn)行 STL格式化和切片等處理，以便得到一系列的截面輪廓。在對(duì)三維 CAD 模型分層切片前， 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT4 需作實(shí)體模型的近似處理，即用三角面片近似逼近處理表面，其輸出的數(shù)據(jù)為 STL 文件格式，這種格式非常簡單，便于后續(xù)的 分層處理。 STL 格式中每個(gè)三角面片只用四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向矢量，而整個(gè) CAD 模型就是這樣一組矢量的集合， STL 公式化用許多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它會(huì)導(dǎo)致誤差 : A: 從本質(zhì)上看，三角面的組合，不可能完全表達(dá)實(shí)際表面，所以，誤差無法避免 。 B: STL 公式化時(shí)，數(shù)據(jù)的沉余量太大，致使所需計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量過大，從而難于選取更小、更多的小三角面，造近似結(jié)果與實(shí)際表面有更大的誤差 。 C: 另外，在進(jìn)行 ST L 格式轉(zhuǎn)換時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些局部缺陷，例如，在表面曲率變化較大的分界處，可 能出現(xiàn)據(jù)齒狀小凹坑，從而造成誤差。 圖 制件誤差產(chǎn)生原因 成型系統(tǒng)的工作誤差 CPS250 成型機(jī)成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、 XY 掃描誤制 件 誤 差 數(shù)據(jù)處理誤差 成型過程誤差 后處理誤差 分成切片產(chǎn)生誤差 光斑變化誤差 固化成型誤差 機(jī)器誤差 方向運(yùn)動(dòng)誤差 Z XY 掃描誤差 圖層誤差 液位波動(dòng)引起誤差 多光譜造成誤差 驅(qū) 動(dòng)器 參數(shù)補(bǔ)償誤差 樹脂收縮引起 工件變型 殘留液態(tài)樹脂不均 勻收縮引起工件變型 CAD 模型面誤差 5 差和樹脂涂層誤差。托板升降誤差指的是托板的運(yùn)動(dòng)精度，它直接影響層厚的精度 。XY 掃描誤差指的是 XY 平面掃描系統(tǒng)沿 X, Y 方向的運(yùn)動(dòng)精度，它影響成型零件的尺寸精度和表面光潔度。 成型過程中材料狀態(tài)引起的翹曲變形 在光固化過程中， 樹脂由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，此時(shí)單體分子發(fā)生聚合反應(yīng)，分子之間距離改變，相應(yīng)地造成體積收縮。在這個(gè)過程中，伴有加熱作用，這些因素會(huì)引起制件每層截面的尺寸變化，再加上相鄰層間不規(guī)則約束，以由收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)造成零件在加工過程中的變形。如加工一懸臂零件 (在懸臂部分不加支撐 )，可以很明顯地看到由于樹脂收縮而造成的變形。 成型之后環(huán)境度化引起的誤差 從成型系統(tǒng)上取下已成型的工件之后，由于溫度、濕度等環(huán)境狀況的變化，工件會(huì)繼續(xù)蠕變并導(dǎo)致誤差。成型過程中殘留在工件內(nèi)的殘余應(yīng)力也可能由于時(shí)效的作用而部分消失而導(dǎo)致誤差。 工件后處理造成誤差 通常，成型后的工件需進(jìn)行打磨、拋光和表面涂鍍等后處理。如果后處理不當(dāng)，對(duì)形狀尺寸控制不嚴(yán)格，也可能導(dǎo)致誤差。后處理過程產(chǎn)生的誤差可分為三種 :一是支撐去除時(shí)對(duì)表面質(zhì)量的影響。要求支撐的設(shè)計(jì)必須合理，不多不少。另外一種是殘留液態(tài)樹脂的固化引起工件的變形。因此在掃描成型時(shí)盡可能使殘留樹脂為零 。成型過程中工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的蠕變也是影響精度的因素之一。設(shè)法減小成型過程中的殘余應(yīng)力有利于提高零件的成型精度。 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（ λ=325nm）和功率（ P=30mW）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對(duì)分子質(zhì)量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。 SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)備制造的零件進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì) ,再由專門的計(jì)算機(jī)切片軟件 CAD 系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對(duì)表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些 ,其他一般部位切得厚些 .隨后 CAM 軟件再根據(jù)各薄層平面的 X Y 運(yùn)動(dòng)指令 ,在結(jié)合提升機(jī)構(gòu)沿 Z 坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動(dòng) ,形成整個(gè)零件的數(shù)控加工指令 .指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT6 先是工作臺(tái)下降至液體容器的液面之下 ,對(duì)應(yīng)于 CAD 模型最下一層切片的厚度處 ,根據(jù)該切片的 X Y 平面幾何數(shù)據(jù) ,紫外光照射可固化的液態(tài)樹脂 (如環(huán)氧樹脂 ,乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂 ) ,在紫外光的作用下 ,因光聚合作用 ,第一層被固化在工作臺(tái)上 .然后 ,升降工作臺(tái)下降至第二層切片厚度 ,激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面 ,使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊粘長在前一層已固化的樹脂上。如此反復(fù)“生長” ,直 至形成整個(gè)三維實(shí)體零件 .如圖所示： 圖 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理圖 立體光固造型 SLA 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 立體光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型方法。 目前 ,研究 SLA 方法的有 3D System 公司、 EOS 公司、 Famp。S 公司、 CMET 公司、 D MEC 公司、 Teijin Seiki 公司、 Mitsui Zosen 公司、西安交通大學(xué)等 .美國 3D System公司的 SLA 技術(shù)在國際市場上占的比例最大 ,其設(shè)備自 1988 年推出 SLA 250 機(jī)型以后 ,又于 1997 年推出 SLA 250HR,SLA 3500 ,SLA 5000 三種機(jī)型 ,在技術(shù)上有了長足進(jìn)步 . 其中 ,SLA 3500 和 SLA 5000 使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器 ,掃描速度分別達(dá)到 m/ s 和 5m/ s,成型層厚最小可達(dá) 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為 Zephyer recoating system的新技術(shù) ,該技術(shù)是在每一成型層上 ,用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層 ～ 0. 1 mm 的待固 化樹脂 ,使成型時(shí)間平均縮短了 20 %.該公司于 1999 年推出的 SLA 7000 機(jī)型與 SLA 5000 機(jī)型相比 成型體積雖然大致相同 ,但其掃描速度卻達(dá) 9. 52m/ s,平均成型速度提高了 4倍 , 成型層厚最小可達(dá) mm,精度提高了 1 倍。 國內(nèi)對(duì) SLA 技術(shù)的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術(shù)、成型材料等多方面都進(jìn)行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果 .目前西安交通大學(xué)開發(fā) 7 的 LPS 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產(chǎn)品 . 國內(nèi)外研究者在 SLA技術(shù)的成形機(jī)理、控 制制件變形、提高制件精度等方面進(jìn)行了大量研究。 立體光固造型 SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 美國克萊斯勒公司 (Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析 。此外美國 Dayton 大學(xué)還利用 SLA 工藝研制了一種桌面成型系統(tǒng)專門用于人體軟組織器官模型的建造。 本次設(shè)計(jì)的主要工作 主要設(shè)計(jì)工作 固化用激光掃描裝置設(shè)計(jì)； 浸于樹脂液體中的升降托盤設(shè)計(jì)； 刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 整機(jī)總裝配圖設(shè)計(jì)； 部分硬件控制電路的設(shè)計(jì)。 設(shè) 計(jì)參數(shù) 成型空間： 400*400*300mm 激光頭最大運(yùn)行速度： 80mm/s。 激光頭定位精度： 上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量：約 10kg 最大成型件重量：約為 10kg 固化深度 /托盤的層間下降距離： Z 向定位精度： 設(shè)計(jì)思路及主要問題 采用分塊設(shè)計(jì)的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分 X—— Y 掃描系統(tǒng)， Z 方向工作臺(tái)升降系統(tǒng)，刮刀機(jī)構(gòu)等三部分。 XY 掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 XY 動(dòng)工作臺(tái)，它帶動(dòng)光 纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作 XY 平面運(yùn)動(dòng)，掃描范圍為 400x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁材進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、 XY 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)， X, Y 方向都采用了這種電機(jī)。為減少 X 方向負(fù)載的質(zhì)量，連接 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT8 板及電機(jī)座采用鋁材。 Z 軸升降系統(tǒng) Z 軸升降系統(tǒng)完成零 件支撐及在 Z 軸方向運(yùn)動(dòng)的功能，它帶動(dòng)托板上下移動(dòng)。每固化一層，托板要下降 1 個(gè)層厚。它是實(shí)現(xiàn)零件堆積的主要過程，必須保證其定位精度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度、表面光潔度以及層與層之間的粘接性能。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動(dòng)，省去了中間齒輪級(jí)傳動(dòng)，既減小了尺寸又減小了傳動(dòng)誤差。 成形零件時(shí)，托板經(jīng)常做下降、提升運(yùn)動(dòng)，為了減少運(yùn)動(dòng)時(shí)與托板對(duì)液面的攪動(dòng)，并且便于成型后的零件從托板上取下，需將托 板加工成篩網(wǎng)狀，網(wǎng)孔大小、孔距設(shè)計(jì)要合理，既能使零件的基礎(chǔ)與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運(yùn)動(dòng)時(shí)最小限度地阻礙液體流動(dòng)。此外，考慮到樹脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹脂內(nèi)的材料全部選用鋁合金或不銹鋼材料，一方面防腐 。另一方面防止普通鋼和鑄鐵對(duì)樹脂的致凝作用。由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長，為避免托板 Z 方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí)造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2m 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形狀。 刮平系統(tǒng) 由于樹脂的粘性及固化樹脂的表面張力作用，如僅僅依賴樹脂的流動(dòng)而達(dá)到液面平整的話，就會(huì)需要很長的時(shí)間，特別是在固 化面積較大的零件時(shí)。刮平運(yùn)動(dòng)可以使液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過程包括兩個(gè)步驟 :第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過程是為了克服液態(tài)樹脂與固化層面的表面張力，使樹脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至比上一層低一個(gè)層厚的位置。第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動(dòng)，其作用是把涂敷在零件表面的多余樹脂刮掉。刮平后，樹脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動(dòng)，尚需等待一定的時(shí)間才能平整。等待時(shí)間的長短要根據(jù)樹脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大小而定。