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1、快速成型制件精度的影響因素分析劉杰，趙清（沈陽工業(yè)大學郵編：110870）摘要：光固化快速成型技術是國內外公認的一種應用前景最為廣闊、技術最成熟、發(fā)展最迅速、研究最深入的成型方法。它不僅具有制造周期短、材料利用率接近100%的優(yōu)點還可以成型復雜、精密零件，且快速可靠、無污染、制造成本低。但用該方法制成的零件的精度卻一直難以提高，嚴重地困擾著整個制造業(yè)，限制了該技術的實際應用和推廣。本文著重對快速成型的工藝過程中的前處理、成型加工和后處理工序中影響成型精度的因素進行了分析，即包括：數(shù)據(jù)前處理階段的STL文件格式轉換和分層厚度，成型加工階
2、段的設備誤差、材料變形、光斑直徑、掃描速度、掃描間距，還有后處理階段的去除支撐、殘余應力和環(huán)境因素對成型制件的影響。并提出了一些減少誤差、提高精度的措施。關鍵詞：光固化；制件精度；影響因素；快速成型（RP）是20世紀80年代末產生于美國的一項高新技術，它集計算機輔助設計、計算機輔助制造、激光、新材料等諸多先進技術于一體，能夠迅速將設計構思轉化成具體的原型產品。RP技術打破了傳統(tǒng)的加工模式，不再以去除材料為主，而是一種基于逐層累加方式發(fā)展起來的先進制造技術。光固化快速成型作為其最典型的成型工藝，得到了全世界研究人員的青睞，研究應用兩不誤
3、。但該工藝在成型精度上仍存在一些問題。因為它是一個涉及前期數(shù)據(jù)處理、成型加工和后處理的集成制造過程，所以任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差都將影響制件的精度，牽一發(fā)而動全身。針對影響因此，本論文著重從光固化快速成型的工藝過程出發(fā)，分析了各種因素對成型件精度的影響規(guī)律，并提出相應的改善措施，力求提高成型件精度。1.前處理在快速成型工藝中，數(shù)據(jù)處理是零件成型的第一步，它的主要功能是從CAD三維模型中獲得快速成型機所需的控制數(shù)據(jù)（即將CAD模型進行分層處理），其數(shù)據(jù)精度直接反映零件的成型精度。影響精度因素主要包括：STL文件和分層處理。1.1STL文件的影響
4、STL是對CAD三維模型進行離散三角化處理后得到的模型文件，是CAD與RPM間的數(shù)據(jù)交換標準。這種文件格式是用許多小三角形來逼近CAD三維模型的自由表面形成的，[1]小三角形數(shù)量的多少直接影響逼近精度。也就是說精度越高，所用小三角形數(shù)量越多。但小三角形數(shù)量又不能無限制的增加，因為那樣會造成STL文件的數(shù)據(jù)量急劇增加，加大計算機數(shù)據(jù)處理難度，因此精度不能提的過高。且當模型完全是平面的組合時，不會產生近似誤差；但對于曲面而言，無論精度怎么高，都不可能完全擬合出原始的圖形，所以這種逼近[2]誤差是不可避免的，勢必會對成型件精度造成影響，如圖
5、1所示。圖1不同精度的STL文件格式表示而消除這種誤差的方法就是直接從CAD中產生制造數(shù)據(jù)，但實際應用中尚未達到這一步。所以，只能在CAD模型進行STL文件轉換時，根據(jù)工藝條件和制件精度要求恰當?shù)剡x取精度參數(shù)值來減小這一誤差，而這往往取決于經驗。1.2分層厚度的影響分層切片是以STL文件為基礎，確定分層方向后，用一簇垂直于分成方向的平行平面與STL文件模型相截，所得到的截面與模型實體的交線就是每一薄層的輪廓與實體信息。平行平面間的距離就是分層厚度，也就是成型疊加時的單層厚度。由于每一切片層間存在距離，因此切片不僅破壞了模型表面的連續(xù)性
6、，而且不可避免地丟失了兩層間的信息，導致原型產生形狀和尺寸上的誤差。圖2所示零件尺寸為：m=4.26mm，n=55.83mm，Z為分層堆積方向。若分層厚度Δd=0.10mm時，制作的零件尺寸m=4.20mm，誤差為0.06mm，n=55.8mm，誤差為0.03mm；當分層厚度Δd=0.05mm時，制作的零件尺寸m=4.25mm，誤差為0.01mm，n=55.85mm，誤差為0.02mm。由此可見，層厚越小，誤差越小。但層厚又受精度、制作時間和成本等的影響，并不是越小越好。本例中，當層厚Δd=0.03mm時，此時制作零件尺寸m=4.26
7、mm，n=55.83mm，誤差均為零。所以，合理選擇分層厚度有助于減小或消除誤差。當沿切層方向尺寸能被層厚整除時，則沒有誤差。圖2分層厚度的影響另一方面，由于快速成型采用分層疊加的制造原理，即用柱面替代任意曲面，其在加工[3]過程中必然會產生所謂的“階梯效應”。而且，層厚越大，階梯效應越明顯，如圖3所示。圖3階梯效應2.成型加工2.1成型機的影響成型機本身的誤差表現(xiàn)為設備誤差，它是影響成型件精度的原始誤差。這種誤差在制造設備出廠前就該得到較好的調整，且主要應從系統(tǒng)的設計和制造過程入手。因為它是提高制件精度的硬件基礎，所以不容忽視。設備
8、誤差主要表現(xiàn)在X、Y、Z三個方向上的運動誤差，以及激光束或掃描頭的定位誤差。（1）工作臺Z向的運動誤差工作臺主要由絲杠控制，通過上下移動來完成最終的零件加工。所以它的運動誤差直接影響成型件的層厚精度，最終導致Z方向的尺寸
