快速成型第2章快速成型制造工艺Word文档下载推荐.docx
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树脂。
当刮板进行涂刮运动时,吸附槽中的树脂会均匀涂敷到已固化的树脂表面。
此外,涂敷机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。
2.光固化成型工艺的特点
在当前应用较多的几种快速成型工艺方法中,由于光固化成型具有制作原型表面质量好,尺寸精度高以及能够制造比较精细的结构特征,因而应用最为广泛。
(1)光固化成型的优点:
l)成型过程自动化程度高。
SLA系统非常稳定,加工开始后,成型过程可以完全自动化,直至原型制作完成。
2)尺寸精度高。
SLA原型的尺寸精度可以达到+0.lmm。
3)优良的表面质量。
虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶,但上表面仍可得到玻璃状的效果。
4)可以制作结构十分复杂、尺寸比较精细的模型。
尤其是对于内部结构十分复杂、一般切削刀具难以进入的模型,能轻松地一次成型。
5)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。
6)制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。
(2)光固化成型的缺点:
1)成型过程中伴随着物理和化学变化,制件较易弯曲,需要支撑,否则会
引起制件变形。
2)液态树脂固化后的性能尚木如常用的工业塑料,一般较脆,易断裂。
3)设备运转及维护成本较高。
由于液态树脂材料和激光器的价格较高,并且为了使光学元件处于理想的工作状态,需要进行定期的调整和严格的空间环境,其费用也比较高。
4)使用的材料种类较少。
目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料,并且在大多数情况下,木能进行抗力和热量的测试。
5)液态树脂有一定的气味和毒性,并且需要避光保护,以防止提前发生聚合反应,选择时有局限性。
6)在很多情况下,经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固
化,为提高模型的使用性能和尺寸稳定性,通常需要二次固化。
2.2.2光固化成型的工艺过程
光固化成型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。
1.前处理
前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、确定摆放方位、施加支撑和切片分层,实际上就是为原型的制作准备数据。
下面以某一小手柄为例来介绍光固化快速成型的前处理(图2-6)。
(1)CAD三维造型。
三维实体造型是CAD模型的最好表示,也是快速成型制作必需的原始数据源。
没有CAD三维数字模型,就无法驱动模型的快速成型制作。
CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Chtia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现,图2-6a给出的是小手柄在UGNX2.0上的三维原始模型。
(2)数据转换。
数据转换是对产品CAD模型的近似处理,主要是生成STL格式的数据文件。
STI。
数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的
外表面,STI。
数据模型如图2-6b所示。
这一阶段需要注意的是STI。
文件生成的
精度控制。
目前,通用的CAD三维设计软件系统都有STI一数据的输出。
(3)确定摆放方位。
摆放方位的处理是十分重要的,不但影响着制作时间和
效率,更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等,因此,摆放方位的确定
需要综合考虑上述各种因素。
一般情况下,从缩短原型制作时间和提高制作效率
来看,应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。
但是,有时为了提高原型制作质
量以及提高某些关键尺寸和形状的精度,需要将较大的尺寸方向作为叠层方向摆
放。
有时为了减少支撑量,以节省材料及方便后处理,也经常采用倾斜摆放。
确
定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现的。
对于小手柄,由于其尺寸较小,为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的
精度,选择直立摆放,如图2-6C所示。
同时考虑到尽可能减小支撑的批次,大
端朝下摆放。
(4)施加支撑。
摆放方位确定后,便可以施加支撑了。
施加支撑是光固化快
速成型制作前处理阶段的重要工作。
对于结构复杂的数据模型,施加支撑是费时
而精细的。
支撑施加得好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。
施加
支撑可以手工进行,也可以软件自动实现。
软件自动施加支撑一般都要经过人工
的核查,进行必要的修改和删减。
为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良
的表面质量,目前,比较先进的支撑类型为点支撑,即支撑与需要支撑的模型面
是点接触。
图2-6d示意的支撑结构就是点支撑。
(5)切片分层。
支撑施加完毕后,根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方
向进行切片,生成RP系统需要的SI。
C格式的层片数据文件,提供给光固化快
速成型制作系统,进行原型制作。
图2-7给出的是该手柄的光固化原型。
2原型制作
光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。
在原型制作
前,需要提前启动光固化快速成型设备系统,使得树脂材料的温度达到预设的合理温度,激光器点燃后也需要一定的稳定时间。
设备运转正常后,启动原型制作控制软件,读入前处理生成的层片数据文件。
一般来说,叠层制作控制软件对成型工艺参数都有默认的设置,不需要每次在原型制作时都进行调整,只是在固化特殊的结构以及激光能量有较大变化时,进行相应的调整。
此外,在模型制作之前,要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系,以确保支撑与工作台网板的稳固连接。
当一切准备就绪后,就可以启动叠层制作了。
整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的.所有叠层制作完毕后,系统自动停止。
图2-8给出的是SPS600光固化成型设备在进行光固化叠层制作时的控制软件界面。
界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。
3.后处理
光固化成型的后处理主要包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。
下面以某一SLA原型为例给出其后处理过程(图2-9)。
1)原型叠层制作结束后,工作台升出液面,停留5~10min,以晾干滞留在原型表面的树脂和排除包裹在原型内部多余的树脂,如图2-9a所示。
2)将原型和工作台网板~起斜放晾干,并将其浸入雨酮、酒精等清洗液体中,搅动并刷掉残留的气泡,如图2-9b所示。
如果网板是固定于设备工作台上的,直接用铲刀将原型从网板上取下进行清洗,如图2干C所示。
3)原型清洗完毕后,去除支撑结构,即将图2-9C中原型底部及中空部分的
支撑去除干净。
去除支撑时,应注意不要到伤原型表面和精细结构。
4)再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化,如图2-9d所示。
对于有些
性能要求不高的原型,可以不做后固化处理。
2.2.3光固化成型的激光扫描方法
由于激光束的照射使得液态光敏树脂的聚合反应发生在液体的表面,其固化的区域可以用水平方向上的线宽和垂直方向上的已成型深度来表示。
目前,激光束固化光敏树脂常用的三种方法是ACESTM、STARWEAVETM和QuickCastTM。
当采用ACESTM方法时,实体的内部在激光束的作用下将完全固化,如图2-9d所示。
发生反应的树脂相当于一半线宽的间距。
由于间距都相等,所以所固化的树脂将受到同等累积的紫外激光束的照射并向下形成平直的表面。
这种方法只适用于聚合时不收缩的环氧树脂,否则在成型时将会发生变形。
和其他两种常用的方法相比,ACESTM方法是低变形树脂材料固化成型中精度最高的。
尽管其扫描时间是三种方法中最长的,但该方法广泛应用于高精度原型的制作。
STARWEAVETM方法则依据一系列在原型内部的栅格为所固化的原型提供了较高的尺寸稳定性,这些栅格是在每隔一层成型时在每半个间距中产生的,如图2-11所示。
栅格的末端并不接触到实体的边缘,这样可以减少实体的完全变形。
而且,为了便变形更小,棚路线不能相交;
但是为了提高实体的强度,栅格线将尽可能地接近。
这种方法适用于聚合时收缩率较高的丙烯酸树脂,同时由于它的扫描时间较短,也适用于环氧树脂材料。
QuickCastTM方法主要用于中空的铸件模型制造中。
在成型过程中,每层的外轮廓在内部固化之前先被扫描,并且正方形(QuickCastTMVersionl.1)或等边三角形(QuickCastTMVersionl.0)填充在实体中,它们在垂直方向上以一定的距离子行,以便于多余树脂的排出。
三角形的平移如图2刁2所示,应确保每个三角形面的顶点位于前一层三角形质心的上方而正方形的平移则按间距的一半距离进行偏离。
由于正方形的内角比三角形大,树脂的月形液面更小,便于排出多余的树脂。
因为QuckCastTM方法生成的原型具有较大的表面,以及树脂是吸湿性的,所以为了避免因吸湿而产生变形,原型应该尽可能快地移到可以控制湿度的地方。
2.2.4光固化成型的支撑结构
在成型过程中,由于未被激光束照射的部分材料仍为液态,它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位。
囚此必须设计一些细往状或肋状支撑结构(如图2-13所示),并在成型过程中制作这些支撑结构,以便确保制件的每一结构部分都能可靠固定,同时也有助于减少制件的翘曲变形。
从图2-13还可见,在模型的底部也设计和制作了支撑结构,这是为了成型完毕后能方便地从工作台上取下模型,而不会使模型损坏。
成型过程完成后,应小心地除去上述支撑结构,从而得到最终所需的模型。
图2-14所示为常见的支撑结构。
其中,斜支撑(图2-14a)主要用于支撑悬臂结构部分,它在成型过程中为悬臂提供支承,同时也约束悬臂的翘曲变形;
直支撑(图2-14b)主要用于支承腿部结构;
腹板(图2-14C)主要用于大面积的内部支承;
十字壁板(图2-14d)主要用于孤立结构部分的支撑。
在常用的几种快速成型方法中,熔融沉积成型方法也需要在原型的制作过程中施加支撑结构。
2.2.5光固化成型的收缩变形
1.树脂收缩原因
树脂在固化过程中都会发生收缩,通常其体收缩率约为10%,钱收缩率约
为3%。
从分子学角度讲,光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子
聚合体转变的过程,其分子结构发生很大变化,因此,固化过程中的收缩是必然
的。
树脂的收缩主要由两部分组成,一部分是固化收缩;
另外一部分是当激光扫
描到液体树脂表面时,由于温度变化引起的热胀冷缩。
常用树脂的热膨胀系数为
10-4左右,同时,温度升高的区域面积很小,因此温度变化引起的收缩量极小,
可以忽略不计。
而光固化树脂在光固化过程所产生的体积收缩对零件精度(包括
形状精度和尺寸精度)的影响是不可忽视的。
从高分子物理学方面来解释,产生
这种体积收缩的一个重要原因是,处于液体状态的小分子之间为范德华作用力距
离,而固体态的聚合物,其结构单元之间处于共价键距离,共价键距离远小于范
德华力的距离,所以液态须聚物固化变成固态聚合物时,必然会导致零件的体积
收缩。
由上所述,无论从高分子物理还是从高分子化学角度分析,树脂收缩都是
由于聚合反应时分子结构的变化而引起,是一个内部过程。
2.零件成型过程中树脂收缩产生的变形
在零件成型过程中,被激光扫描到的树脂发生聚合反应而转化为固体,分子间距缩小,必然发生收缩,这种收缩由树脂的固有特性决定,有时是非常明显的。
按照某一给定长度扫描一条线,其最终固化长度必小于给定长度。
在收缩率不变的情况下,扫描线越长,绝对收缩量越大。
这种材料累加成型方式要求零件层与层之间必须固化连接,当扫描至某一层时,该层产生固化收缩,此时这一层与其下已固化层之间的连接,导致前一固化层受到一向上拉的力矩作用,极易发生高出该层所在平面的翘曲变形现象。
典型的有悬臂梁翘曲,其发生翘曲变形过程时,零件的悬臂端最初生于液体树脂之上,因其底部没有支撑,故在固化过程中不受约束力作用,不表现出翘曲现象,当扫描速度比较高时,这一层反而有轻微下弯趋势。
随后当累加层累加于其上时,开始受到前面固化层的约束作用,在收缩时对前一固化层产生一向上的拉应力作用,从而表现为翘曲变形。
在一般情况下,不管成型件中有无悬臂梁存在,导致翘曲变形的翘曲力都会存在,最终表现为翘曲行为。
零件几何形状不同,树脂固化时的绝对收缩量和零件内部各部分的应力分布不同,由此引起的变形也各不相同。
此外,还有可能出现与辅助动作(如刮平)和树脂性能有关的表面不平(凸出或凹陷)现象,影响零件表面精度。
3.零件后固化时收缩产生的变形
尽管树脂在激光扫描过程中已经发生聚合反应,但只是完成部分聚合作用,
零件中还有部分处于液态的残余树脂未固化或未完全固化,零件的部分强度也是
在后固化过程中获得的,因此,后固化处理对完成零件内部树脂的聚合,提高零
件最终力学性能是必不可少的。
后固化时,零件内未固化树脂发生聚合反应,体
积收缩也引起均匀或不均匀形变。
与扫描过程中变形不同的是,由于完成扫描之
后的零件是由一定间距的层内扫描线相互粘接的薄层叠加而成,线与线之间、面
与面之间既有未固化的树脂,相互之间又存在收缩应力和约束,以及从加工温度
(一般高于室温)冷却到室温引起的温度应力,这些因素都使固化部分对未固化
树脂的后固化产生约束,因此,零件在后固化过程中也要产生变形。
后固化的变
形特点如下:
1)后固化收缩非常不均匀,且随着扫描长度增加而增加,其原因是随着扫
描长度增加,其内部包含的本固化树脂量增加,放收缩量增加。
2)后固化收缩随扫描路径的不同而有极大差异,其差异主要取决于末固化
树脂在零件中存在的数量和方式,当然与树脂本身的收缩特性也有很大关系。
所
以零件成型时扫描路径的选择是非常重要的。
3)后固化收缩量占总收缩量的25%~40%左右,所以为保持零件最终尺寸
稳定性,后固化是非常必要的。
2.2.6光固化成型的精度及控制
光固化快速成型技术发展到今天,光固化原型的精度一直是人们持续需要解决的难题。
原型的精度一般包括形位精度、尺寸精度和表面精度。
形状误差主要有:
翘曲变形、扭曲变形、圆度误差及局部缺陷等;
尺寸误差是指成型件与CAD模型相比,在X、y、Z三个方向上的尺寸相差值;
表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。
影响光固化成型精度的因素很多,包括成型前和成型过程中的数据处理、成型过程中光敏树脂的固化收缩、光学系统及激光扫描方式等。
按照成型机的成型工艺过程,可以将产生成型误差的因素按图2-15所示分类。
下面对各主要影响因素及相对应的控制措施叙述如下:
1.几何数据处理造成的误差
在成型过程开始前,必须对实体的三维CAD模型进行STLI格式化及切片分层处
理,以便得到加工所需的一系列的截面轮廓信息,在进行数据处理时会带来误差。
STL文件的数据格式是“棋盘状”的数据格式,它采用大量小三角形面片来近似逼近实际模型的表面。
图2-16为一圆柱体和圆球的STL格式。
从本质上讲,小三角形面片不可能完全表达实际表面信息,不可避免地会产生弦差,导致截面轮廓线误差,如图2-17
所示。
可见,如果小三角形面片过少,就会造成成型件的形状、尺寸精度无法满足要求。
但如果减小弦差值以增加小三角形面片的数量,STI。
文件占用的空间量又太大,可能会超出快速成型系统所能接受的范围,所以应适当调整STL格式的转化精度。
3DSystems公司于1992年开发了SLC数据格式,有效消除了由原始数据模型进行STL格式转换中出现的问题,减小了STL格式化带来的误差。
为减小几何数据处理造成的误差,较好的办法是开发对CAD实体模型进行直接分层的方法。
在商用软件中,Pro/E具有对实体的三维CAD模型直接分层的功能,如图2-18所示。
在进行切片处理时,因为切片厚度不可能太小,因而在成型工件表面会形成“台阶效应”,还可能遗失切片层间的微小特征结构(如凹坑等),形成误差。
切片层厚度越小,误差越小,但层厚过小会增加切片层的数量,如图2-19所示,致使数据处理庞大,增加了数据处理的时间。
切层的厚度直接影响成型件的表面粗糙度,轴向切片的精度及成型时间,是光固化成型工艺中最主要的控制参数之一,因此,必须仔细选择切层厚度。
有关学者采用不同算法进行了自适应分层方法的研究,即在分层方向上,根据零件轮廓的表面形状,自动地改变分层厚度,以满足零件表面精度的要求,当零件表面倾斜度较大时,选取较小的分层厚度,以提高原型的成型精度;
反之则选取较大的分层厚度,以提高加工效率。
自适应分层如图2-20所示。
2.成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形
光固化成型工艺中,液态光敏树脂在固化过程中都会发生收缩。
这是因为液态光敏树脂在激光束的照射下发生光交联反应,分子结构发生很大变化,聚合后的结构单元的共价键距离小于液态时的范德华力作用距离,导致聚合过程产生体积收缩。
收缩会在工件内产生内应力。
沿层厚从正在固化的层表面向下,随固化程度不同,层内应力呈梯度分布。
在层与层之间,新固化层收缩时要受到层间粘合力限制。
层内应力和层间应力的合力作用,致使工件产生翘曲变形。
对于因材料固化收缩而带来的翘曲变形,可以通过改进材料配方的方法(如
在收缩性树脂中加入适量的膨胀型单体),来控制光固化过程中产生的体积收缩。
现在越来越多的SLA工艺应用商使用阳离子型光固化树脂(目前常用的阳离子
型齐聚物是环氧化合物和乙烯基醚),它与自由基型光固化树脂(主要以环氧丙
烯酸酯、聚氨酯丙稀酸酯和乙氧化-双酚A丙稀酸酯作为齐聚物)相比,固化收
缩率小,从而提高了成型精度。
此外,在软件设计时对体积收缩进行补偿也是有
效的方法。
3.树脂涂层厚度对精度的影响
光固化成型是一种逐层累加的加工方法,一层液态树脂固化后,需要在已固化层表面涂上一层均匀厚度的液态树脂,使成型过程连续进行。
树脂涂层厚度是影响光固化成型精度的关键因素之一。
在成型过程中要保证每一层铺涂的树脂厚度一致。
当聚合深度小于层厚时,层与层之间将粘合不好,甚至会发生分层;
如果聚合深度大于层厚时,将引起过固化而产生较大的残余应力,引起翘曲变形,影响成型精度。
在扫描面积相等的条件下,固化层越厚,则固化的体积越大,层间产生的应力就越大,敢为了减小层间应力,就应该尽可能地减小单层固化深度,以减小固化体积。
为了达到这个目的,Jacobs等人提出了“二次曝光洁”。
“二次曝光法”是根据曝光等效原理提出的:
多次反复曝光后的固化深度与以多次曝光量之和进行一次曝光的固化深度是等效的。
针对二次曝光法存在的层间漂移缺陷,进一步提出了“改进的二次曝
光法”。
减小涂层厚度,提高Z向运动精度,也可以提高成型精度。
现有的成型机,
层厚的选择范围受涂层系统的限制,一般采用浸没式和真空吸附式涂层系统。
浸
没式和真空吸附式涂层系统均为自由液面式涂层系统,受液体树脂粘度的影响较
大,很难获得很薄的涂层。
近期研究提出的约束液面方式,可获得均匀一致的小
涂层厚度,节省等待树脂流平时间,且不需要刻意降低树脂粘度。
4.光学系统对成型精度的影响
在光固化成型过程中,成型用的光点是一个具有一定直径的光斑,因此实际
得到的制件是光斑运行路径上一系列团化点的包络线形状。
如果光斑直径过大,
有时会丢失较小尺寸的零件细微特征,如在进行轮廓拐角扫描时,拐角特征很难成型出来,如图2-21所示。
聚焦到液面的光斑直径大小以及光斑形状会才直接影响加工分辨率和成型精度。
目前SLA系统的光源大多采用多模激光器,一般为HeCd激光器和固体激光器,其光斑直径和发散角都较大,直
接导致了成型精度的降低。
为此,可采用单模激光图2-21轮廓拐角处的扫描
器取代多模激光器。
单模激光器光束成像质量好、边界清晰,光斑直径小,可聚
焦到队0.01mm之内。
在SLA系统中,扫描器件采用双振镜模块(图2-22中A和B)。
设置在激
光束的汇聚光路中,由于双振镜在光路中前后布置的结构特点,造成扫描轨迹在X轴向的“枕形”畸变。
当扫描~正方形图形时,扫描轨迹并非一个标准的正方形,而是出现图2-23中所示的“枕形”畸变。
“枕形”畸变可以通过软件校正。
双振镜扫描的另一个缺陷是,光斑扫描轨迹构成的像场是球面,与工作面不重合,产生聚焦误差或Z细误差。
扫描范围越大,上述现象越严重,对加工质量的影响也越大。
聚焦误差可以通过动态聚焦模块得到校正。
动态聚焦模块可在振镜扫描过程中同步改变模块焦距,调整焦距位置,实现Z轮方向扫描,与汉振镜构成一个三维扫描系统。
聚焦误差也可以用透镜前扫描和则
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