快速成型制件精度的影响因素分析_刘杰

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1、快速成型制件精度的影响因素分析刘杰，赵清（沈阳工业大学邮编：110870）摘要：光固化快速成型技术是国内外公认的一种应用前景最为广阔、技术最成熟、发展最迅速、研究最深入的成型方法。它不仅具有制造周期短、材料利用率接近100%的优点还可以成型复杂、精密零件，且快速可靠、无污染、制造成本低。但用该方法制成的零件的精度却一直难以提高，严重地困扰着整个制造业，限制了该技术的实际应用和推广。本文着重对快速成型的工艺过程中的前处理、成型加工和后处理工序中影响成型精度的因素进行了分析，即包括：数据前处理阶段的STL文件格式转换和分层厚度，成型加工阶

2、段的设备误差、材料变形、光斑直径、扫描速度、扫描间距，还有后处理阶段的去除支撑、残余应力和环境因素对成型制件的影响。并提出了一些减少误差、提高精度的措施。关键词：光固化；制件精度；影响因素；快速成型（RP）是20世纪80年代末产生于美国的一项高新技术，它集计算机辅助设计、计算机辅助制造、激光、新材料等诸多先进技术于一体，能够迅速将设计构思转化成具体的原型产品。RP技术打破了传统的加工模式，不再以去除材料为主，而是一种基于逐层累加方式发展起来的先进制造技术。光固化快速成型作为其最典型的成型工艺，得到了全世界研究人员的青睐，研究应用两不误

3、。但该工艺在成型精度上仍存在一些问题。因为它是一个涉及前期数据处理、成型加工和后处理的集成制造过程，所以任一环节出现误差都将影响制件的精度，牵一发而动全身。针对影响因此，本论文着重从光固化快速成型的工艺过程出发，分析了各种因素对成型件精度的影响规律，并提出相应的改善措施，力求提高成型件精度。1.前处理在快速成型工艺中，数据处理是零件成型的第一步，它的主要功能是从CAD三维模型中获得快速成型机所需的控制数据（即将CAD模型进行分层处理），其数据精度直接反映零件的成型精度。影响精度因素主要包括：STL文件和分层处理。1.1STL文件的影响

4、STL是对CAD三维模型进行离散三角化处理后得到的模型文件，是CAD与RPM间的数据交换标准。这种文件格式是用许多小三角形来逼近CAD三维模型的自由表面形成的，[1]小三角形数量的多少直接影响逼近精度。也就是说精度越高，所用小三角形数量越多。但小三角形数量又不能无限制的增加，因为那样会造成STL文件的数据量急剧增加，加大计算机数据处理难度，因此精度不能提的过高。且当模型完全是平面的组合时，不会产生近似误差；但对于曲面而言，无论精度怎么高，都不可能完全拟合出原始的图形，所以这种逼近[2]误差是不可避免的，势必会对成型件精度造成影响，如图

5、1所示。图1不同精度的STL文件格式表示而消除这种误差的方法就是直接从CAD中产生制造数据，但实际应用中尚未达到这一步。所以，只能在CAD模型进行STL文件转换时，根据工艺条件和制件精度要求恰当地选取精度参数值来减小这一误差，而这往往取决于经验。1.2分层厚度的影响分层切片是以STL文件为基础，确定分层方向后，用一簇垂直于分成方向的平行平面与STL文件模型相截，所得到的截面与模型实体的交线就是每一薄层的轮廓与实体信息。平行平面间的距离就是分层厚度，也就是成型叠加时的单层厚度。由于每一切片层间存在距离，因此切片不仅破坏了模型表面的连续性

6、，而且不可避免地丢失了两层间的信息，导致原型产生形状和尺寸上的误差。图2所示零件尺寸为：m=4.26mm，n=55.83mm，Z为分层堆积方向。若分层厚度Δd=0.10mm时，制作的零件尺寸m=4.20mm，误差为0.06mm，n=55.8mm，误差为0.03mm；当分层厚度Δd=0.05mm时，制作的零件尺寸m=4.25mm，误差为0.01mm，n=55.85mm，误差为0.02mm。由此可见，层厚越小，误差越小。但层厚又受精度、制作时间和成本等的影响，并不是越小越好。本例中，当层厚Δd=0.03mm时，此时制作零件尺寸m=4.26

7、mm，n=55.83mm，误差均为零。所以，合理选择分层厚度有助于减小或消除误差。当沿切层方向尺寸能被层厚整除时，则没有误差。图2分层厚度的影响另一方面，由于快速成型采用分层叠加的制造原理，即用柱面替代任意曲面，其在加工[3]过程中必然会产生所谓的“阶梯效应”。而且，层厚越大，阶梯效应越明显，如图3所示。图3阶梯效应2.成型加工2.1成型机的影响成型机本身的误差表现为设备误差，它是影响成型件精度的原始误差。这种误差在制造设备出厂前就该得到较好的调整，且主要应从系统的设计和制造过程入手。因为它是提高制件精度的硬件基础，所以不容忽视。设备

8、误差主要表现在X、Y、Z三个方向上的运动误差，以及激光束或扫描头的定位误差。（1）工作台Z向的运动误差工作台主要由丝杠控制，通过上下移动来完成最终的零件加工。所以它的运动误差直接影响成型件的层厚精度，最终导致Z方向的尺寸