一、前言 p#9.lFSX  
    快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)[1]。它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法全然不同，更重要的是在目前制造策略以市場(chǎng)響應(yīng)速度為第一的方針狀況下，可以縮短市場(chǎng)開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。 ;hz"`{(JY  
    快速成型技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）技術(shù)集成度高，整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化；（2）制造成本與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)；（3）產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無關(guān)；（4）綠色的加工技術(shù)。以累加思想實(shí)現(xiàn)零件制作的快速成型技術(shù)是制造技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，其理論、工藝的完善以及精度的提高等，對(duì)快速成型技術(shù)的普及和應(yīng)用有著極其重要的影響。 {CM%QMM  
    成型加工過程中，必須保證一定的制作精度和表面質(zhì)量，影響制件精度的因素是多方面的[2]。對(duì)成型加工精度的影響因素及改進(jìn)措施的研究，對(duì)快速成型技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用具有重要的意義[3,4]。本文試驗(yàn)所采用的快速成型設(shè)備是AFS快速成型機(jī)。 >bia FK>t  
    二、數(shù)據(jù)處理誤差 J 00%,Ju_  
    2.1格式轉(zhuǎn)換誤差 T>l=0a #  
    CAD模型的STL格式轉(zhuǎn)換即是用三角形面片逼近實(shí)際模型表面，轉(zhuǎn)換為所謂的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。STL文件的精度等級(jí)不同，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差也不同。STL文件的精度是指用STL格式擬合最大允許誤差。實(shí)際上，如果原幾何模型完全由直邊組成，則STL格式擬合絕對(duì)準(zhǔn)確，沒有任何誤差；否則，存在擬合誤差。例如同一個(gè)圓分別使用4個(gè)及6個(gè)三角形的STL格式表示，如圖1所示。 ;~Ke5os=s  
     EROf%oaz=  

    由此可見，精度要求越高，三角形面片的數(shù)目越多，它所表示的模型與實(shí)際模型就越逼近，但與此同時(shí)，STL文件數(shù)據(jù)量也將劇增，加大了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量。另外，三角形面片也會(huì)隨精度提高而變小，在模型的細(xì)節(jié)部位會(huì)出現(xiàn)大量極為細(xì)小的三角形面片，增大數(shù)據(jù)處理的難度。而且在數(shù)據(jù)處理過程中常常產(chǎn)生致命的錯(cuò)誤。因此，較好的方法是根據(jù)工藝條件和制件的精度要求選擇適當(dāng)?shù)腟TL格式精度。 4}FuoQL  
    2.1 分層切片誤差 Kf<-PA  
    將CAD模型進(jìn)行STL轉(zhuǎn)換后，接著便要對(duì)其進(jìn)行分層處理。分層是用一簇平行平面沿某一設(shè)定方向與STL模型求截交線得到輪廓信息。以半徑為 的球體為例，如圖2a所示，從中截出特定的一段，設(shè)其STL格式為圖2b所示，這時(shí)其頂面和底面是距球心高度分別為 、 的兩個(gè)圓，設(shè)其半徑分別 、 。 p!MOp-;-  
     2,c{Z$\kn  

三、設(shè)備誤差 h2 2-vX  
    3.1 托板 方向運(yùn)動(dòng)誤差 xF'9`y^]!@  
    托板 方向運(yùn)動(dòng)誤差直接影響堆積過程中層厚精度，最終導(dǎo)致Z方向產(chǎn)生尺寸誤差，而托板在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)直線度誤差，宏觀上產(chǎn)生制件的形狀、位置誤差，微觀上導(dǎo)致粗糙度值增大。因此，托板 方向系統(tǒng)要選用精密導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服控制系統(tǒng)來提高 方向的運(yùn)動(dòng)精度。 FnN@W^/z  
    3.2 X-Y方向同步帶變形誤差 e7f3dqn0  
    X-Y掃描系統(tǒng)采用X-Y二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形同步帶并帶動(dòng)光頭運(yùn)動(dòng)。在定位時(shí)，由于同步帶的變形，會(huì)影響定位的精度，常用的方法是通過設(shè)定位置補(bǔ)償系數(shù)來減小其影響。為了考察其影響結(jié)果，我們?cè)贏FS快速成型機(jī)上加工制件，分別在采用補(bǔ)償系數(shù)和未采用補(bǔ)償系數(shù)兩種情況下作了實(shí)驗(yàn)。 @'.(62v  
    下表即為采用補(bǔ)償系數(shù)和未采用補(bǔ)償系數(shù)時(shí)所測(cè)得的制件的實(shí)際尺寸值，制件的名義尺寸分別為2，5，10，15，20，25mm，所使用的光斑補(bǔ)償直徑分別為1.0mm和1.1mm。

    （注：表中帶有+號(hào)表明設(shè)定了同步帶變形補(bǔ)償值，其中同步帶的X方向的補(bǔ)償系數(shù)為1.017，Y方向的補(bǔ)償系數(shù)為1.022。） `p@YV(  
    將上表中的制件誤差用圖形表示更加直觀，如圖3所示，將制件的名義尺寸用水平軸表示，制件的尺寸偏差用垂直軸表示，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做圖如下：

  從圖3可以看出，在相同光斑補(bǔ)償直徑的情況下，考慮同步帶變形補(bǔ)償系數(shù)所得到的制件尺寸精度要高些。在這幾種情況下使用1.1mm的光斑補(bǔ)償直徑并設(shè)定相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)，制件的精度最高。 [:x^ffs  
    3.3 X-Y方向掃描運(yùn)動(dòng)誤差 .]+oE$,!  
    掃描過程中，X-Y工作臺(tái)存在以下問題： z116i?7EnV  
    (1)運(yùn)動(dòng)慣性力的影響 工作臺(tái)在開始掃描階段以恒定的加速度 從靜止?fàn)顟B(tài)提高到設(shè)定掃描速度 ；在制動(dòng)階段，工作臺(tái)以- 的加速度降低為靜止?fàn)顟B(tài)，如圖4所示。在一般情況下，工作臺(tái)能很快地進(jìn)入掃描狀態(tài)，以速度 掃描，在臨近另一個(gè)邊緣處，速度逐漸降低為0。工作臺(tái)在啟動(dòng)和制動(dòng)階段，存在一定的慣性，使得工作臺(tái)在制件邊緣部分將超出設(shè)計(jì)尺寸的范圍，導(dǎo)致制件的尺寸有所增加。 #/NZ0IbHk  
      DBuvbq-  
     (2)工作臺(tái)振動(dòng)的影響 成型過程中，掃描機(jī)構(gòu)對(duì)制件的截面作往復(fù)填充掃描，如圖5所示。由于工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中本身具有一個(gè)固有頻率，當(dāng)掃描頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)增大，甚至出現(xiàn)共振現(xiàn)象，制件將產(chǎn)生較大的誤差。 \$
Xo5f<  
      !Pf_he  
    四、固化成型誤差 eHCLENLmB  
    4.1 過固化誤差 e"u=4nk  
    塑料粉末的固化寬度與深度是與其所吸收的激光平均能量有關(guān)的。掃描速度越低，平均能量越大，這時(shí)粉末固化寬度、深度越大，固化程度越高。在靠近制件邊緣處，掃描速度越低，而且由于存在掃描方向的變換，形成一定時(shí)間的滯留，因此邊緣處粉末固化程度較高，出現(xiàn)過固化。在這種情況下，當(dāng)掃描一條直線時(shí)，直線的兩端固化程度逐漸增加，固化線呈兩頭大、中間小的啞鈴型，如圖6所示。

    4.2 收縮變形誤差 -/:N&6eRb  
    由于材料從粉末狀到固態(tài)的聚合反應(yīng)過程中要產(chǎn)生線性收縮和體積收縮，而線性收縮將導(dǎo)致在層堆積時(shí)產(chǎn)生層間應(yīng)力，這種層間應(yīng)力使制件變形，導(dǎo)致精度喪失。這種變形的機(jī)理復(fù)雜，與材料的成分、光敏性、聚合反應(yīng)的速度有關(guān)。實(shí)踐證明：通過開發(fā)低收縮、高強(qiáng)度的塑料粉末是提高制件精度的根本途徑。而對(duì)同一性能的塑料粉末，通過合理選擇制作工藝參數(shù)來提高制件精度也是一條有效的途徑。

4.2 光斑補(bǔ)償直徑誤差 5Z]zul@+*  
    相對(duì)于激光快速成型系統(tǒng)，AFS成型系統(tǒng)所用的光源形成的光斑直徑要大一些，成型用的光點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)具有一定直徑的光斑(塑料粉末面上光斑約0.5mm)，成型中不能將光斑進(jìn)似為光束能量聚集的光點(diǎn)，光能量分布在整個(gè)光斑范圍內(nèi)，實(shí)際制件輪廓是光斑中心運(yùn)行軌跡上一系列固化點(diǎn)包絡(luò)形成的，如圖7所示。圖中虛線部分為設(shè)計(jì)尺寸，在成型過程中光斑中心沿虛線運(yùn)動(dòng)，實(shí)線部分為實(shí)際成型制件，它是由固化點(diǎn)的包絡(luò)線形成的。這一固化特點(diǎn)不僅增加了制件的尺寸，在其拐角處形成圓角，導(dǎo)致形狀鈍化，制件的輪廓形狀變差，降低了制件形狀精度，這使得一些小尺寸的制件用這種大直徑的光斑無法加工。 CO