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光固化快速成型件的尺寸誤差問(wèn)題論文
1 前言
光固化快速成型技術(shù)(Stereo Lithgraphy Apparatus) 簡(jiǎn)稱SLA，為最早得到廣泛應(yīng)用的一種快速成型技術(shù)，它和其他幾種快速成型技術(shù)(疊層輪廓法、熔融沉積法和激光粉末燒結(jié)法)相比，具有成型精度高、表面質(zhì)量好以及原材料利用率高等突出的優(yōu)點(diǎn)。但光固化快速成型技術(shù)對(duì)溫度、振動(dòng)、光照和濕度等加工環(huán)境的要求十分嚴(yán)格， 且光固化機(jī)器設(shè)備所用原材料成本較高，若未對(duì)其生產(chǎn)工藝過(guò)程加以控制， 很容易造成樣件的尺寸誤差，從而導(dǎo)致廢品產(chǎn)生，造成企業(yè)生產(chǎn)成本的提高和時(shí)間的損失。
2SLA 樣件尺寸誤差類型
通過(guò)得到的最終樣件尺寸和樣件圖紙尺寸之間的差異稱為誤差。從光固化快速成型誤差性質(zhì)來(lái)分類，可分為原理性誤差和非原理性誤差。在SLA 工藝過(guò)程中，STL 三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、軟件的分層處理所帶來(lái)的誤差屬于原理性誤差，這些誤差是光固化快速成型的原理所決定的，因此原理性誤差無(wú)法消除，只能減小;而三維模型的成型方向的設(shè)置工藝和樣件的后期處理工藝所造成的誤差屬于非原理性誤差，這些誤差不受光固化快速成型原理的影響，相對(duì)原理性誤差來(lái)說(shuō)，非原理性誤差主要受人為因素的干擾。經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)，可以減小或消除非原理性誤差。
3SLA 的原理性誤差的分析與控制
3.1STL 三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換誤差
在快速成形行業(yè)中，STL 格式文件已經(jīng)成為數(shù)據(jù)交換的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。STL 數(shù)據(jù)是由一系列三角面片所構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所組成，這些三角面片按照如下規(guī)則形成STL 數(shù)據(jù)：
1)任意一個(gè)三角形面片的頂點(diǎn)均不能在其他任何一個(gè)三角形面片的邊上;2)三維模型的表面必須布滿三角形，不允許出現(xiàn)孔、洞等現(xiàn)象;3)各個(gè)三角形面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)必須是正值;4)若三角形面片具有公共的頂點(diǎn)，則該頂點(diǎn)的坐標(biāo)值將會(huì)被記錄多次。CAD軟件繪制的三維模型在轉(zhuǎn)換成STL 三維數(shù)據(jù)時(shí)，如果模型的幾何結(jié)構(gòu)全部由平面所組成，則沒(méi)有誤差產(chǎn)生，但是一旦模型具有曲面結(jié)構(gòu)，將不可避免的產(chǎn)生誤差。
3.2 分層處理誤差
分層處理即SLA中的數(shù)據(jù)離散工藝過(guò)程，減小分層的厚度可以減小誤差， 但由于SLA 原理決定了分層厚度不可能為零，因此分層處理導(dǎo)致的誤差只能盡可能的縮小，并不能避免。分層處理所帶來(lái)的原理性誤差體現(xiàn)在樣件上主要有三點(diǎn)：臺(tái)階效應(yīng)、疊層堆積方向(Z 方向)高度誤差和細(xì)微結(jié)構(gòu)缺失。
3.2.1 臺(tái)階效應(yīng)
經(jīng)成型方向的工藝設(shè)置調(diào)整，仍無(wú)法保證樣件的表面和疊層堆積方向(Z 方向)平行或垂直，樣件表面將會(huì)產(chǎn)生類似于臺(tái)階一樣的結(jié)構(gòu)，造成臺(tái)階效應(yīng)這種原理性的誤差，這種誤差也是SLA 工藝中最為常見(jiàn)的誤差現(xiàn)象。
3.2.2 Z 方向高度誤差
當(dāng)樣件的Z 方向高度和分層厚度之商非分層厚度的整數(shù)倍時(shí)，將產(chǎn)生Z 方向高度誤差。目前SLA 快速成型設(shè)備的分層厚度一般為0.1mm，最小可達(dá)0.025mm，可通過(guò)設(shè)置軟件參數(shù)，在一定范圍內(nèi)對(duì)分層厚度進(jìn)行調(diào)整。例如，某樣件本體Z 方向高度值為30.27mm，分層厚度設(shè)定為0.1，樣件本體被分成303 層，成型的樣件本體實(shí)際Z 方向高度值為30.3mm，誤差為0.03mm。
3.2.3 細(xì)微結(jié)構(gòu)缺失
細(xì)微結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象和分層厚度的關(guān)系十分密切，一旦樣件的細(xì)微結(jié)構(gòu)的尺寸小于分層厚度， 將無(wú)法做出該結(jié)構(gòu)正確的形狀，對(duì)于大于分層厚度的樣件細(xì)微結(jié)構(gòu)的缺失則常發(fā)生在層的中間位置上，因?yàn)槿S模型在進(jìn)行分層處理時(shí)，保證細(xì)微結(jié)構(gòu)的起始或結(jié)束位置恰好位于層與層之間的分層線處將十分困難，由此帶來(lái)了細(xì)微結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。
3.3 SLA 原理性誤差的控制
針對(duì)STL 三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的誤差， 可采取減小弦高值，用更多的三角面片無(wú)限的逼近CAD 三維模型。三角面片數(shù)量越多，STL 三維數(shù)據(jù)和CAD 三維模型就越接近， 但過(guò)多的三角面片數(shù)量會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)的冗余，增加計(jì)算機(jī)處理的負(fù)擔(dān)，降低了生產(chǎn)效率，需根據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)定相應(yīng)的弦高值。在數(shù)據(jù)分層處理過(guò)程中，引入自適應(yīng)分層工藝，在重要的表面區(qū)域或Z 向要求較為嚴(yán)格的樣件結(jié)構(gòu)位置，減小分層厚度，增加層數(shù)，而其余區(qū)域保持原設(shè)定分層厚度不變，從而降低重要表面的臺(tái)階效應(yīng)，確保Z 向高度以及細(xì)微結(jié)構(gòu)的完整性。
4SLA 非原理性誤差的分析與控制
自適應(yīng)分層工藝在一定程度上減小了SLA 的原理性誤差，但目前該工藝的應(yīng)用還不是十分廣泛，只有某些快速成型機(jī)支持這種工藝。而樣件制作方向是一個(gè)十分重要的工藝參數(shù)，它對(duì)制作樣件的表面精度、支撐的數(shù)量、支撐的體積和制作時(shí)間都有重要影響。在實(shí)際加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合樣件的結(jié)構(gòu)及其支撐工藝，選擇合理的制作方向，從而保證樣件重要表面的精度，并減少后期清洗、去支撐和打磨等人為因素所帶來(lái)的非原理性誤差。
5 結(jié)論
光固化快速成型中三維模型的精度、分層固化制造原理、加工工藝過(guò)程以及后處理等因素都能夠影響到樣件的最終尺寸，造成誤差。工程技術(shù)人員需充分理解并掌握光固化快速成型的原理，并結(jié)合客戶的實(shí)際需求，才能制定出合理的工藝路線，避免形成誤差累加效應(yīng)。
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