熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策.DOC

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熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策

熔融沉积快速成型工艺成型精度的影响因素及对策快速成形技术(Rapid Prototyping and Manufacturing, RPM),又称快速原型制造技术,是继数控技术之后制造业的又一次重大革命。它能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构和功能的三维实体,低成本制作产品原型甚至零件,非常适合当代市场竞争的需要。因为该技术对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用,所以自问世以来,已经在制造业、工业设计、文化艺术、建筑工程以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用,并由此产生了一个新兴的技术领域。 1 FDM工艺的发展 ??? 工业界越来越多的采用快速成型技术来进行产品开发,据调查,现在常用的几种类型的成型机在实际应用中具备各自的优点,而目前国际销售市场上,占份额最大的是基于FDM的快速原型设备(占43%),这种设备有小巧、价格低廉、应用材料范围广泛、可直接制成工业产品的优点,在企业设计之中有着广泛的应用,图1所示是使用FDM成型机制作的模型照片。 图1 FDM工艺制作的手机外壳和花瓶模型 ??? 成型精度是快速成型技术在工业应用中的关键问题之一,也是RP研究的重点,本文总结了大量的模型制作实践过程中的成型精度影响因素,并提出相应的对策。 2? FDM成形过程中精度的影响因素分析及相应对策 2.1 CAD模型离散化过程中的两重精度损失 ??? 采用STL文件格式的三角面片来近似逼近CAD模型,这一网格化过程给模型情度带来一重损失:分层后的层片文件采用CLI格式用线段近似逼近曲线引起另一重精度损失。 ??? 针对这两种文件表示格式引起的精度损失,我们只能靠寻求更优的CAD借口数据标准来提高精度、减少损失,如现在有些学者已经着手研究用STEP标准替代STL标准来进行模型的表示,可以借鉴推广。 2.2材料收缩性能引起的尺寸误差 ??? FDM系统所用材料为热塑性材料(如石蜡、ABS等),成形过程中材料会发生两次相变过程:一次是由固态丝状受热熔化成熔融状态;另一次是由熔融状态经过喷嘴挤出后冷却成固态。在凝固过程中,材料的收缩变化直接影响成形过程及成形件精度,如ABS树脂,其收缩主要表现为两种。 ??? 1)热收缩,即材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化,它是收缩产生的最主要原因,由热收缩引起的收缩量为 ??? △L=δ×(L+△/2)×△t?? (1) ??? 其中,δ为材料的线膨胀系数,/℃泣为零件X/Y向尺寸,mm;△t为温差,℃;△为制件的公差(按留有加工余量进行取大补偿) ??? 2)分子取向收缩,即高分子材料固有的收缩取向;水平方向(即填充方向)的收缩率大于高度方向(即堆积方向)的收缩率。 ??? 材料所具有的收缩率和收缩取向会直接影响成形件的尺寸精度、同时凝固过程中的体积收缩也将会产生内应力,这个内应力严重者会导致制作件的翘曲变形及脱层现象。所以FDM工艺中,材料性能影响制件的精度主要反映在以下二点: ??? ①固化收缩(即热收缩)引起制件尺寸误差和翘曲变形,由喷头挤出的是热熔融状的ABS树脂,材料固有的热膨胀引起的体积变化在冷却固化的过程中产生收缩,收缩引起制件的外轮廓向内偏移、内轮廓向外偏移,造成较大的尺寸误差,如图2所示,轮廓线I为CAD造型的理想零件轮廓,轮廓线Ii为固化收缩后的实际零件轮廓;同时,收缩也是产生翘曲变形的根本原因,翘曲变形对制件成型精度影响很大,可能造成严重的失真,如图3所示。 图2 制件产生尺寸收缩 图3 制件产生翘曲变形 ②材料分子的收缩取向使各向尺寸收缩量不均。成形过程中,熔态的ABS分子在填充方向上被拉长,又在随后的冷却过程中产生收缩,而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率,所以填充方向上的收缩量可按收缩计算公式(1)矫正和改进为: ??? △L1=β×δ1×(L+△/2)×△t?? (2) ??? 堆积方向(即Z向)上的收缩量查有关材料按δ2=0.7δ1,所以收缩量为: ??? △L2=β×δ2×(L+△/2)×△t?? (3) ??? 式中,β为考虑实际零件尺寸的收缩还受零件形状、打网格的方式以及每层成形时间长短等因素单独或交互的制约,经实验估算β为0.3;δ1,δ2分别为材料水平方向和垂直方向的收缩率。 ??? 针对以上的几种严重影响精度的变形情况,可以采取以下两种措施对其进行校正或将其影响降低到最低限度。 ??? 1)针对尺寸收缩采取CAD造型阶段的预先尺寸补偿,对于填充方向即X/Y方向对其增加△L1的补偿量;而堆积方向(即Z向)增加△L2的补偿量。 ??? 2)对于制件的翘曲变形,我们可以采用多种合理的制作方法减少收缩应力。如:对截面实心部分进行虚线填充扫描,先X而后Y方向交织扫描,这样可以减少扫描线的绝对收缩量

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