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快速成型中零件水平下表面支撑设计规则的研究

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第 3 期 洪 军 ,等 :快速成型中零件水平下表面支撑设计规则的研究
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成型过程可描述为具有质量的扫描线单元 - 层 面单元 - 三维实体的堆积与粘接过程[2 ] . 由于树脂 收缩的时间历程特性及激光扫描方式为常用的 x y 方式 ,即在 x 方向和 y 方向交替扫描 ,因此在层面 单元的构造过程中 ,扫描线单元的收缩累加可以简 化为层面单元的整体收缩 ,树脂材料在成型时可看 作是各向同性的弹性体 ,即本文把成型过程简化为 层面单元 - 三维实体的堆积过程. 在制作过程中 ,零 件第 1 层的收缩可以认为是自由收缩 (为了验证收 缩规律 ,不加支撑约束) ,当第 2 层制作时 ,第 1 层的 收缩已经结束. 第 2 层的收缩是在第 1 层的约束下 进行的 ,即第 1 层同时受到第 2 层的一个均匀的面 收缩载荷的作用 ,2 层相互作用的力学行为可以看 作薄板 (第 1 层) 受偏离中性面的收缩力作用 ,这种 收缩作用导致的是层面在 z 方向翘曲变形 ,如图 1 所示. 在以后的各层制作中 ,翘曲变形可以认为是新 制作层对已制作部分施加收缩力引起翘曲变形的累 加. 由于制作过程中 ,零件的已制作部分在不断加 厚 ,刚度具有时变特性 ,因此新制作层对已制作部分 施加的收缩力所引起的翘曲变形在逐渐减小.
在光固化快速成型制造中 ,支撑可以认为是与 原型零件同时制作的工装夹具 ,在光固化快速成型 加工中起着至关重要的作用. 合理的支撑结构设计 可以防止加工过程中因材料收缩及零件在树脂中的 上下运动而引起的零件层片变形 ,保持零件在制作 过程中的稳定性 ,保证原型零件在制作时相对于加 工系统的精确定位[1 ] . 因此 ,根据光固化快速成型 中零件变形的本质及其规律 , 研究出一套科学合理 的支撑结构设计方法 ,对提高成型零件的精度和制 作成功率具有重要的理论及实际意义.
由文献[1 ]的研究可知 ,下表面在制作时主要存 在由收缩变形 、液体力引起的变形问题 ,并且在制作 时需要提供制作基础 , 其中以收缩变形为比较突出 的问题. 对于下表面如果有防止变形的支撑 ,也就间 接地保证了制作基础问题 , 因此对下表面的支撑设 计问题的研究主要集中在防止变形上.
在激光快速成型中 , 零件的翘曲变形与制作时 层截面的形状相关 , 层截面的形状可能是任意多边 形的多连通域或单连通域. 由于在零件实际制作时 , 不可能针对每一层截面形状进行有限元分析来预测 变形 ,因此必须通过对具有代表性的零件层截面的 形状分析 ,发现层截面的形状与零件翘曲变形之间 的关系 ,找出一般规律 ,才能为实际的快速成型支撑 设计提供可靠的理论支持. 本文在大量的实际工作 基础上 ,经过总结 , 以图 2a 为算例代表一般的层截 面形状 ,且该截面为多连通域 , 具有外边界凸 、凹角 点与内边界凸 、凹角点 , 为不对称结构 , 运用本文阐 述的有限元等效计算模型 , 利用 ANS YS 软件对其 进行分析时 ,采用的其他条件如表 1 和表 2 所示.
(b) 零件翘曲变形趋势 图 2 零件翘曲变形的数值模拟
(b) 实验制作的零件变形趋势 图 3 实验制作的零件变形图
从以上的层截面变形趋势图中 , 以及本文未叙 述的其他大量算例中可以得到以下的结论 :
Support Design Rules f or Part’s Horizontal Undersurface in Stereol ithography
Hon g J u n1 , Tang Y i pi n g1 , W u Dianlian g2 , L u B i nghen g1
(1. School of Mechanical Engineering , Xi′an Jiaotong University , Xi′an 710049 , China ; 2. School of Mechanical Engineering , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China)
Abstract : In stereolit hograp hy , support st ruct ural design will greatly affect t he building accuracy of t he proto2 types. A FEM model of t he mechanics behavior between adjacent prototypes layers is presented. Then using FEM calculation simulation as well as experimental approaches to st udy t he relationship between part ’s layer st ruct ure and shrinkage deformation tendency. Finally , t he support design rules for horizontal undersurface’s support st ruct ure and t he support intervals are proposed. The result s show t hat along t he outline of t he horizon2 tal undersurface t he wall2type support should be added , and in t he interior area , t he cross2type support should be designed. If using XJ - 01 resin , t he spacing of t he support is 10 mm ,which can meet t he building accuracy re2 quirement s of t he part s. Keywords : stereolit hography ; rapi d p rototy pi ng ; su pport desi gn
第 38 卷 第 3 期
西 安 交 通 大 学 学 报
2004 年 3 月 J OU RNAL O F XI′AN J IAO TON G UN IV ERSI T Y
Vol. 38 №3 Mar. 2004
快速成型中零件水平下表面支撑计规则的研究
洪 军1 , 唐一平1 , 武殿梁2 , 卢秉恒1
参 数
设定值
轮廓扫描速度/ mm·s - 1 填充扫描速度/ mm·s - 1 支撑扫描速度/ mm·s - 1
层厚/ mm 激光功率/ mW 层等待时间/ s
扫描方式 树脂温度/ ℃ 环境温度/ ℃
500 800 250 012 35 15 x - y 交叉扫描 40 25
(a) 零件层截面的形状
图 1 层面收缩示意图
利用有限元方法分析成型过程的翘曲变形 ,很 难建立完美的力学模型 ,在现有的分析软件中基本 无法表达均匀的面收缩载荷 ,本文采用以固态下的 热收缩来模拟液态相变收缩的办法 ,具体的等效假设 条件是 : ①把已制作层看作处于与环境相同的恒定温 度 T1 ; ②新制作层突然由 T1 降到比 T1 低的某个温度 T2 ; ③在 T1 、T2 的温度变化区间内 ,固体材料的线膨 胀系数α为定值; ④( T1 - T2)α=ζ(材料液 - 固相变 线收缩率) ; ⑤制作的上下层之间界面为绝热界面 ,即 上下层之间没有热交换. 经过这样等效后 ,就可以按热 应力问题通过有限元软件来计算快速成型过程中层片 的变形问题[3]. 本文取α为 1 ×10 - 4/ ℃,强迫收缩温差 t = 175 ℃,ζ= 1175 ×10 - 2 (由 XJ - 01 型光敏树脂经实 验标定获得) . 本文在下面的有关有限元分析计算中均
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西 安 交 通 大 学 学 报 第 38 卷
形趋势基本相符. 表 1 树脂材料参数表
参 数
(1. 西安交通大学机械工程学院 , 710049 , 西安 ; 2. 上海交通大学机械工程学院 , 200030 , 上海)
摘要 : 利用可仿真成型过程中层间力学行为的有限元计算模型 ,对零件分层后截面形状与收缩变形趋势间 的关系及支撑间距与层片最大变形量间的关系进行了研究. 研究表明 ,零件层片边界为翘曲变形的最大处 , 支撑间距与层片最大变形量间近似呈线性关系 ,因此零件水平下表面应沿边界设计成墙式支撑 ,边界区域内 应设计成十字交叉支撑. 针对 XJ - 01 树脂 ,当支撑间距设计为 10 mm 时 ,光固化快速成型制作可以满足成 型精度的要求. 关键词 : 光固化 ;快速成型 ;支撑设计 中图分类号 : TH16115 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 987X(2004) 03 - 0234 - 05
1 成型过程中层间力学行为的等效力 学模型
在光固化快速成型制造中 ,由于光敏树脂在激 光固化过程中的内部分子结构发生了变化 ,因此产 生了固化过程的收缩 ,从而导致了零件的变形. 所有 的树脂均有收缩特性 ,从分子学的角度看 ,光敏树脂 的固化过程是从单分子体向聚合体转变的过程 ,由 于单分子体和聚合体本身的分子结构不同 ,因此其 在固化过程的收缩是不可避免的.
收稿日期 : 2003 - 07 - 06. 作 者 简 介 : 洪 军 ( 1968 ～) , 男 , 副 教 授. 基 金 项 目 : 国 家“八 六 三”计 划 资 助 项 目 (2002AA414110) ;上海市重点科技攻关项目 (021111126) .
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典型快速成型技术的工艺分析与比较

典型快速成型技术的工艺分析与比较

典型快速成型技术的工艺分析与比较李晓静;杨丰翔;刘保军【摘要】介绍了快速成型技术在新产品研发过程中的设计验证、工艺性能验证与装配性能验证方面的作用;归纳了快速成型制造工艺的3个步骤,即前处理、分层叠加成型和后处理.选择目前主流的4种典型快速成型工艺作为研究对象,阐明快速成型过程中的加工原理与工艺特点;对4种快速成型过程的应用领域、制造成本和工艺参数进行了详细分析与比较,找出了对原型精度影响较大的工艺因素和设备因素,有助于指导技术人员进行快速成型加工方案的选择;分析了4种快速成型制造工艺的优点与缺点,指明了快速成型技术的发展方向.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P15-19)【关键词】快速成型;加工原理;工艺参数【作者】李晓静;杨丰翔;刘保军【作者单位】河南工业职业技术学院,河南南阳473009;河南北方星光机电有限公司,河南邓州474150;河南中光学集团有限公司,河南南阳473000【正文语种】中文【中图分类】TH16快速成型(Rapid Prototyping，RP)相对于传统加工技术，在制造方法上实现了突破性的进展[1]。

采用快速成型工艺制造零件，省去了刀具和工装，而是利用激光、热熔和叠加等手段，将材料堆积并固化成实体模型。

快速成型技术的应用主要体现在如下几个方面[2-3]。

1)新产品研发过程中的设计验证。

RP工艺缩短了产品研发周期，快速响应市场需求。

传统的新品试制过程，用户往往需要耗时3～5个月新品的首批样件。

引入RP技术，技术员能在短周期(几小时或几天)内加工出产品原型。

2)工艺性能与装配性能验证。

工艺性能和装配性能对于产品的最终技术路线制定至关重要。

对于空间比较复杂的结构系统，如机车、武器装备、医疗器械的加工工艺性和装配性采用RP技术制造原型进行分析和验证。

3)单件、小批量和非标准零部件加工。

对于单件、小批量和非标准零部件的生产，往往没有通用的刀具、夹具、辅具和量具，采用熔融快速成型技术直接制造高强度的工程塑料零部件，满足工业场合应用要求。

FDM快速成型加工工艺问题研究

FDM快速成型加工工艺问题研究

FDM快速成型加工工艺问题研究1. 引言1.1 研究背景FDM（快速成型加工）技术是一种广泛应用于快速原型制作和小批量生产的先进制造技术。

随着3D打印技术的快速发展，FDM技术也逐渐受到广泛关注和应用。

尽管FDM技术具有诸多优点，如成本低、制作速度快、制作过程简单等，但也存在一些问题和挑战，例如造成制品表面质量不佳、制品尺寸精度不高等。

为了进一步提高FDM技术的成型质量和效率，需要深入研究FDM技术的原理、存在的问题以及优化研究。

FDM材料的选择与性能对成型质量和制品性能也具有重要影响，需要进行深入探讨和分析。

本文旨在对FDM技术进行深入研究，探讨其存在的问题及解决方案，优化工艺参数以提高成型质量，研究不同材料对制品性能的影响，最终为FDM技术的进一步应用提供理论指导和实践经验。

1.2 研究目的FDM快速成型加工技术是一种广泛应用于原型制作和小批量生产的快速成型技术，但在实际应用中仍然存在一些问题和难点。

本文旨在通过对FDM技术的原理、存在的问题、工艺参数优化研究、材料选择与性能研究以及工艺与制品质量关系的分析，深入探讨FDM快速成型加工工艺中存在的问题，并寻求解决方案。

具体研究目的如下：1. 分析FDM技术的原理，深入了解该技术的工作原理和特点，为后续对问题的解决提供理论基础。

2. 探讨FDM技术中存在的问题，包括外形精度、强度、表面质量等方面的不足，寻找解决方案。

3. 研究FDM工艺参数的优化，提高零件的成形质量和性能。

4. 对不同材料的选择与性能进行研究，提高零件的耐用性和稳定性。

5. 分析FDM工艺与制品质量之间的关系，为进一步改进工艺提供依据。

通过以上研究目的的实现，我们希望能够为FDM快速成型加工技术的发展和应用提供有益的参考和指导。

2. 正文2.1 FDM技术原理分析不足的提示、空行等。

感谢理解。

FDM（Fused Deposition Modeling）即熔融沉积建模技术，是一种常见的快速成型加工技术。

快速成型

快速成型

第一章一、快速成型是直接利用三维实体造型软件快速生成模型或零件实体的技术总称。

用快速成型技术制作的产品样件或模型，俗称为RP手板。

二、快速成型的原理：将零件的三维CAD实体模型按一定的方式进行离散，将其转变成可加工的离散面、离散线和离散点。

然后采用多种物理或化学方式，将这些里三面、线段和点进行逐层堆积，最终形成零件的实体模型。

三、两种主要成型方式的比较指标性能传统机床加工RP加工可以制造任意复杂形状的零件制造零件的复杂程度受刀具或模具的限制，无法制造太复杂的曲面或异形深孔材料利用率产生切削，利用率低利用率高，材料基本没浪费加工方法去除成型，切削加工添加成型，逐层加工加工对象个体液体、图形、粉末、纸、其他工具切削工具光束、热束此外，RP技术与传统技术相比，有以下特点；1、数字化制造，直接CAD模型驱动。

2、高度柔性和适应性。

3、快速。

4、材料类型丰富多样且利用率高。

5、产品的单价基本与复杂程度无关。

6、应用领域广泛。

四、RP技术优点1、快速性。

2、设计与制造的一体化。

3、自由成型制造。

4、材料的广泛性。

5、技术的高度集成。

五、RP技术的特点和使用范围1、极适合于形状复杂、具有不规则曲面零件的加工，零件的复杂程度与制造成本无关。

2、能减少对熟练技术工人的要求。

3、几乎无废料材料，是一种环保型制造技术。

4、成功的解决了计算机辅助设计中三维造型的实体化。

5、系统柔性高，只需要修改三维CAD模型，就能快速制造出各种不同形状的零件。

6、技术与制造集成，设计与制造一体化。

7、不需要专用的工装夹具、模具，大大缩短了新产品的开发时间第二章一、尽管LOM、FDM、SLA、SLS等RP成型系统的结构和采用的原材料有所不同，但它们都是基于先离散分层，再堆积叠加的成型原理，即将一层层的二维轮廓逐步叠加成三维实体。

其具体差别主要在于二维轮廓制作采用的原材料类型，成型的方法以及截面层与层之间的连接方式等内容。

二、每一个三角形面片可以用三个顶点的坐标和一个法线矢量来描述，即STL格式文件。

快速成型技术的心得心得：如何提高成型效率和质量

快速成型技术的心得心得：如何提高成型效率和质量

快速成型技术的心得心得：如何提高成型效率和质量快速成型技术的心得：如何提高成型效率和质量随着科技的不断进步，各种新型加工技术层出不穷。

其中快速成型技术因其快速、高效、精准等优点，在工业设计、医疗、航空航天等领域得到广泛应用。

然而，快速成型技术对成型效率和质量的要求很高，如何提高成型效率和质量成为了制约其应用的主要因素。

本文将从优化设计、材料选择、后处理等多个方面阐述如何提高成型效率和质量。

一、优化设计设计是成型的关键因素。

一个优秀的设计可以在一定程度上缩短成型周期，提高成型质量。

优化设计的具体操作有以下几个方面：1、简化构型。

设计简单的构型可以减少连接点、支撑点，降低成型难度。

如在SLA快速成型技术中，简单的构型可以降低生成的悬空部分，避免出现变形或断裂。

2、优化结构。

结构设计的优化可以经过预测、模拟和试验三个阶段完成。

预测阶段可以使用有限元方法对部件进行静态或动态分析，计算应力和变形。

模拟阶段可以将数字模型导入软件中进行仿真。

试验阶段可以将优化后的设计进行制作和测试。

3、合理放置支撑结构。

在使用部分快速成型技术时，支撑结构的设置至关重要。

任何快速成型技术都需要一定的支撑结构，以保证成型构型的稳定性。

但是，支撑结构太多、太大、太密集会直接影响成型效率和质量。

因此，在设计过程中，合理放置支撑结构是提高成型效率和质量的关键之一。

二、材料选择快速成型技术的材料也是影响成型效率和质量的重要因素。

每种材料都有各自的特点，对成型性能、机械性能、化学性能等指标都有不同的要求。

其中，选择合适的材料是非常关键的。

如果选择了质量低劣的材料，将直接影响成型效率和成型质量。

在选择材料时，应注意以下几点：1、优先考虑适用性。

在原材料不同的情况下，适用于具体快速成型技术的材料不同。

因此，在选材时，首先应考虑应用的快速成型技术。

2、考虑机械性能和化学性能。

材料的机械性能和化学性能是直接影响成型效率和质量的因素。

其中，机械性能受材料在力学中的表现影响，而化学性能则受其在化学中的表现影响。