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浅谈3D打印的误差分析

发布时间:2019-01-12 01:06:03 文章来源:未来智讯    
    浅谈3D打印的误差分析作者: 王博爽 宋福平 金波   【摘 要】本文从理论上介绍3D打印的基本原理,并系统的分析了成型的前期数据处理、成型加工过程和后处理三个阶段各因素对成型精度的影响。同时,提出了改进成型制件精度的措施和方法,对快速成型技能的发展有一定的教导意义。
  【关键词】快速成型;成型精度;工艺参数
  0.引言
  3D打印与传统的制造业去除材料加工技能不同,其遵循的是加法原则。最初设计出所需零件的三维模型,然后根据工艺要求,按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元,常常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层),把原来的三维CAD模型形成一系列的层片;再根据每个层片的轮廓信息,输入加工参数,自动生成数控代码;最终由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来,得到一个三维物理实体。
  目前基于分层制造原理,将三维造型转化为二维轮廓信息叠加造型的快速加工方法,其成型制件的精度与很多因素有关。
  1.前期数据处理误差
  在成型制件建模完成之后,需要将其进行数据方面的转换,目前被应用最多的便是STL格式文件,主要是用小三角面片来近似的逼近任意曲面模型或实体模型,可以较好的简化CAD模型的数据格式,同时在之后的分层处理时,也可以较好的获取每层截面轮廓上的相对于模型实体上的点。
  1.1 STL格式化引起的误差
  STL格式文件的实质便是用许多微小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型,其主要的优势就在于表达清晰,文件中只包括相互衔接的小三角形面片的节点坐标和其外法向量。用来近似逼近的三角形数量将直接影响着实体的表面精度,数量越多,则精度越高,然而三角形数量太多即过高的精度要求,会造成文件内存过大,增加数据处理时间。所以应在精度范围内选择合理的离散三角形数量。当用建模软件输出STL格式文件时都需要确定精度,也便是模拟原模型的最大允许误差。当表面为平面时将不会产生误差,如果表面为曲面时,误差则将不可避免的存在。
  目前,为了得到正确的实体截面轮廓线,应用较多的便是选取CAD直接切片法,该方法能够从根本上消除由STL格式而造成的截面轮廓误差,同时也可以有效的消除格式转换造成的精度误差。
  1.2模型分层对成型精度的影响
  对模型进行分层处理的过程中会产生一定的误差,这种误差属于原理性误差。分层处理是在STL格式转换之后,通过预先设定好成型的方向,设定好分层的厚度,就能够对模型进行分层切片处理了。分层后会得到一组垂直于成型方向的互相平行的平面,这些平面将STL格式文件截成等层厚的截面,截面与模型表面的交线即变成了该截面的轮廓信息,此信息可作为成型扫描过程中的数据。因为每层之间有一定的距离,由于其破坏了模型表面的连续性,这样就可能丢失一局部的轮廓信息,造成模型的尺寸误差和表面精度。
  2.成型加工误差
  设备自身也存在着一定的误差,它造成的是成型件的原始误差。设备自身误差的改善应该从其系统的设计和制造过程中入手,提高成型设备的硬件系统,以便改进成型件精度。
  2.1事务台Z方向上的运动误差
  它主要在丝杠的抑制下,通过上下移动完成最后的成型加工。所以事务台的运动误差将直接影响着成型件的层厚精度,从而导致成型件的Z向尺寸误差。同时,事务台的运动直线度误差也会造成成型件的位置、形状误差和较差的粗糙度。
  2.2 X、Y方向同步带变形误差
  X、Y扫描系统:步进电机抑制并驱动同步齿形带,然后带动打印头进行每层的扫描运动,是一个二维的运动过程。在定位或者使用时间较长以后,同步齿形带可能会产生一定情况的变形,会严重影响扫描系统的定位精度,所以为明白决这个问题常选取位置补偿。
  2.3 X-Y方向定位误差
  成型机运动抑制系统选取的是步进电机开环抑制系统,电机自身和其各个结构都会对系统动态本能造成一定的影响。X、Y扫描系统在来去的扫描过程中存在着一定的惯性,使扫描镜头的扫描尺寸其实大于成型件的设计尺寸,造成尺寸误差,同时,由于扫描系统在扫描过程中是一个加放慢的过程,边缘扫描速度会小于中间扫描速度,这样就会导致成型件边缘的固化程度高于中间局部,固化不均匀。
  扫描机构在成型过程中,老是在进行连续的来去填充运动。驱动扫描机构的电机自身存在着一个固有频率,扫描不同线长的时候会出现各种频率,所以当整个机构发生谐振时,会给扫描机构带来很大的振动,严重影响成型的精度。
  2.4挤料速度与扫描速度误差
  在保证有足够加热功率和相同扫描速度的前提下,若挤料速度过高,在工件的表面及侧面就会出现材料溢出现象,导致表面粗糙,支撑结构与工件不易分离;若挤料速度过低,在扫描轨迹上就会出现材料缺失现象。因此,适当降低挤料速度,能提高工件的表面品质,轮廓线更清晰,支撑结构与工件易于分离。
  综上所述,通过优化工艺参数能够有效地提高成型件的精度和质量。
  3.后处理产生的误差
  成型完成之后,需要将成型件取下并去除支撑,对于固化不完全的成型件,还需要进行二次固化。固化完成后还需对其进行抛光、打磨和表面处理等工序,将这些称之为后处理。后处理对成型精度的影响可分为下列三种:
  (1)支撑去除时,因为人为等因素有可能会刮伤成型表面或其精细的结构,严重影响成型质量。为了避免这点,在支撑设计时应该选择合理的支撑结构,既能起到支撑作用又方便去除,在允许范围内少设支撑,节省后处理时间。
  (2)成型后,由于工艺和本身结构问题,零件的内部还会存在一定的残余应力,并且在外部条件如温度、湿度等环境的变化下,成型件会产生一定的翘曲变形,造成误差。应该设法减小成型过程中的残余应力,以提高零件的成型精度。
  (3)成型后的零件在尺寸和粗糙度方面可能还不能完全满足用户的需求,例如表面存在阶梯纹、强度不够,尺寸不精确等,所以要对成型件进行进一步的打磨、修补、抛光和喷丸等处理。如果处理不好,可能会对成型件的尺寸和表面质量等造成破坏,产生后处理误差。
  综上所述,通过减小分层厚度能够通过自适应的分层方法能很好的提高成型件的表面精度,降低因分层数量较多而引起的效率降低问题,或者通过优化成型加工方向的办法来提高成型件表面质量。其中优化成型加工方向在工艺上有一定的难度,对于成型加工方向的优化,不但要考虑精度的因素,也要着重考虑成型效率和支撑设计等方面因素。
  4.结论
  自由成形件的精度是指加工后的成形件与原三维CAD模型之间的误差,主要有尺寸误差,形状误差和表面误差。因为自由成形的全过程包括前处理、自由成形和后处理三个阶段,所以每个阶段都可能存在影响成形件精度的因素。但是,成型件的精度不只与成型机本身精度有关,还与自由成形全过程中的其他因素有关,而(下转第156页)(上接第110页)且这些其他因素还更加难以抑制。 [科]
  【参考文献】
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