【文章內(nèi)容簡介】 S250 成型機成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、 XY 掃描誤差和樹脂涂層誤差。托板升降誤差指的是托板的運動精度，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 方向的運動精度，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)，此時單體分子發(fā)生聚合反應，分子之間距離改變，相應地造成體積收縮。在這個過程中，伴有加熱作用，這些因素會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)生的應力會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 機器誤差 方向運動誤差 Z XY掃描誤差 圖層誤差 液位波動引起誤差 多光譜造成誤差 驅(qū) 動器 參數(shù)補償誤差 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 8 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，工件會繼續(xù)蠕變并導致誤差。成型過程中殘留在工件內(nèi)的殘余應力也可能由于時效的 作用而部分消失而導致誤差。 工件后處理造成誤差 通常，成型后的工件需進行打磨、拋光和表面涂鍍等后處理。如果后處理不當，對形狀尺寸控制不嚴格，也可能導致誤差。后處理過程產(chǎn)生的誤差可分為三種 :一是支撐去除時對表面質(zhì)量的影響。要求支撐的設計必須合理，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。因此在掃描成型時盡可能使殘留樹脂為零 。成型過程中工件內(nèi)部的殘余應力引起的蠕變也是影響精度的因素之一。設法減小成型過程中的殘余應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，相對分子質(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)對準備制造的零件進行三維實體造型設計 ,再由專門的計算機切片軟件 CAD 系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應切得薄些 ,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 運動指令 ,在結(jié)合提升機構(gòu)沿 Z 坐標方向的間歇下降運動 ,形成整個零件的數(shù)控加工指令 .指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應于 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上 .然后 ,升降工作臺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“生長” ,直至形成整個三維實體零件 .如圖所示： 9 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 ,其設備自 1988 年推出 SLA 250 機型以后 ,又于 1997 年推出 SLA 250HR,SLA 3500 ,SLA 5000 三種機型 ,在技術(shù)上有了長足進步 . 其中 ,SLA 3500 和 SLA 5000 使用半導體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達到 m/ s 和 5m/ s,成型層厚最小可達 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 ,使成型時間平均縮短了 20 %.該公司于 1999 年推出的 SLA 7000 機型與 SLA 5000 機型相比 成型體積雖然大致相同 ,但其掃描速度卻達 9. 52m/ s,平均成型速度提高了 4 倍 , 成型層厚最小可達 mm,精度提高了 1 倍。 國內(nèi)對 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行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果 .目前西安交通大學開發(fā)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)的成形機理、控制制件變形、提高制件精度等方面進行了大量研究。 立體光固造型 SLA 應用領域 美國克萊斯勒公司 (Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風洞中進行空氣動力學試驗分析 。此外美國 Dayton 大學還利用 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。 10 本次設計的主要工作 主要設計工作 固化用激光掃描裝置設計； 浸于樹脂液體中的升降托盤設計； 刮刀機構(gòu)設計； 整機總裝配圖設計； 設計 參數(shù) 成型空間： 400*400*300mm 激光頭最大運行速度： 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： 設計思路及主要問題 采用分塊設計的思路，機械結(jié)構(gòu)主要分 X—— Y掃描系統(tǒng)， Z 方向工作臺升降系統(tǒng)，刮刀機構(gòu)等三部分。 XY掃描系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu) 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的 XY 動工作臺，它帶動光纖 和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動掃描頭作 XY 平面運動，掃描范圍為 400x400mn，重復定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應速度，選用鋁材進行設計，并選取大扭矩輸出的高頻響應電機。 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機、 XY 掃描頭、聚焦鏡頭、直線圓柱滾動導軌、滾珠絲杠、步進電機等組成。由于混合式步進電機具有體積小、力矩大、低頻特性好、運行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點， X, Y 方向都采用了這種電機。為減少 X 方向負載的質(zhì)量，連接板及電機座采用鋁材。 Z 軸升降系統(tǒng) Z 軸升降系統(tǒng)完成零件 支撐及在 Z 軸方向運動的功能，它帶動托板上下移動。每固化一層，托板要下降 1 個層厚。它是實現(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。采用步進電機驅(qū)動，精密滾珠絲杠傳動及精密導軌導向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動電機采用 11 混合式步進電機，配合細分驅(qū)動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(xiàn)高分辨率驅(qū)動，省去了中間齒輪級傳動，既減小了尺寸又減小了傳動誤差。 成形零件時，托板經(jīng)常做下降、提升運動，為了減少運動時與托板對液面的攪動，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、孔距設計要合理，既能使零件的基礎與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運動時最小限度地阻礙液體流動。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方向上下運動時造成吊梁扭曲變形，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而達到液面平整的話，就會需要很長的時間，特別是在固化 面積較大的零件時。刮平運動可以使液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過程包括兩個步驟 :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層厚的位置。第二步刮板按設定次數(shù)作刮平運動，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，尚需等待一定的時間才能平整。等待時間的長短要根據(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。 12 第 2章 XY方向設計計算 成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的 XY 工作 臺，它帶動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動掃描頭作 XY平面運動，掃描范圍為 400x400mn，重復定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應速度，選用鋁材進行設計，并選取大扭矩輸出的高頻響應電機。 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計算機、 XY 掃描頭、聚焦鏡頭、直線滾動導軌、滾珠絲杠、步進電機等組成。由于混合式步進電機具有體積小、力矩大、低頻特性好、運行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點， X, Y 方向都采用了這種電機。 設計任務 機械結(jié)構(gòu)裝配圖， A1 圖紙一張。要求重要剖面表達完整， 向視表達完整，視圖適合標準。 設計參數(shù) 統(tǒng)分辨率 31 10 mm?? 由靜止到最大快進速度過度時間 Pt 17ms～ 19ms 工作臺行程 x 向 400mm y 向 400mm 最大快進速度 x 向和 y向 80mm/s 定位精度 ? 方案的分析、比較、論證 西安交通大學開發(fā)的 cps250 成型機 XY 掃描系統(tǒng)，其掃描范圍為 250mmx250mm，運動方式采用步進電機驅(qū)動高精密同步帶的方式，其傳動較為平穩(wěn)，傳動件質(zhì)量比較小，運動特性好。但工作行程較短，本設計掃描范圍 400mmX400mm,行程較長，若采用步進電機驅(qū)動高精密同步帶的傳動方式，會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，對掃描的精度不利。故本次設計采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠的傳動方式，中間沒有其他部件降低傳動精度損失，使 運動較為平穩(wěn)。 XY 方向掃描進給系統(tǒng)的總體方案設計考慮以下幾點： A．工作臺應具有沿縱向和橫向往復運動、暫停等功能，因此數(shù)控控制系統(tǒng)采用連 13 續(xù)控制系統(tǒng)。 B．在保證一定加工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應簡單，以求降低成本。因此進給伺服統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 C． 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們各自由各的步進電動機、波紋管、絲杠螺母副組成。 D． 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊裝置，以提高傳動剛度和消除間隙。 E． 為減少導軌的摩擦阻力，選用滾 動直線導軌。 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如下頁圖 ： 脈沖當量和傳動比的確定 脈沖當量的確定 脈沖當量 p? 即系統(tǒng)分辨率。本設計中， p? ＝ 31 10 mm?? 傳動比的確定 當 i ＝ 1時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本設計中取 i ＝ 1。 確定步進電機步距角 微 機 驅(qū)動器 驅(qū)動器 功率放大 功率放大 步 進 電 機 步 進 電 機 X 向 Y 向 波紋管 波紋管 圖 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 14 根據(jù)公式 pbLi ??3600? () 其中 i 為傳動比， b? 為電機步距角， 0L 為滾珠絲杠導程， p? 為脈沖當量。 因為 i ＝ 1， p? ＝ ，現(xiàn)取 0L ＝ 4mm，可得 b? ＝ 。由于其步距角很小，所以將采用有細分電路的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 絲杠的選型及計算 計算絲杠受力 由于工作臺質(zhì)量較小，且只承擔傳動作用，不承受任何切削力，故本設計中只考慮導軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時的慣性力。 導軌摩擦力的計算 根據(jù)摩擦力計算公式： f=mgμ () X 向：工作拖板質(zhì)量 x