快速成形制造中误差产生的原因及相应的解决措施.pdf

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1、 1 引言 快速成型技术(Rapid Prototying，RP)是由CAD 模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术。快速成型技术的出现赋予了装备制造业快速响应、无模制造和加工信息远程传递制造的新特点，引发了装备制造方法的重大变革回。经过20余年的发展，快速成型技术从原来的SLA 技术先后发展出SLS、LOM、FDM、3DP、LENS 等多种成型工艺，并在机械制造、航空航天、军事、医学、考古、艺术以及建筑等领域得到定程度的应用。Rapid prototyping technology(Rapid,Prototying,RP)is directly driven by the C

2、AD model,the three-dimensional physical entities rapid manufacturing complex shape technology.The rapid molding technology gives the equipment manufacturing industry of fast response,no mold manufacturing and processing information remote transmission characteristics of manufacturing,caused major ch

3、anges to equipment manufacturing method.After 20 years of development,the rapid prototyping technology from the original SLA technology has developed the SLS,LOM,FDM,3DP,LENS and other molding process,and in machinery manufacturing,aerospace,military,medicine,archaeology,art and architecture and oth

4、er fields have a certain degree of application.目前，快速成型技术面临的一个主要的问题就是表面质量不高，其制件必须经过打磨、抛光等后处理工艺才能满足工业应用的要求。表面质量问题限制了快速成型技术快速性的优势，在一定程度上制约了快速成型技术的发展。影响快速成型制件表面质量和尺寸精度因素包括数据处理精度、设备精度、材料和工艺。其中设备精度包括成型元素(光束直径、熔滴直径等)的作用范围、激光器、工作台等部件的机械运动精度和层准备精度等，这部分的精度是由快速成型系统硬件设施决定的，要保证这部分的精度，需要不断的优化调整设备参数，使其处于最佳状态；材料和工艺

5、因素包括材料的收缩和热变形、扫描路径和支撑设计、刀具补偿以及后处理工艺等。这部分最主要的问题是材料的收缩和热变形，是由材料本身性质以及工艺中各个工序共同决定的，减小这部分误差首先要优化工艺和工序使温度场和应力场均匀分布，其次要根据实际情况对误差进行补偿。为提高快速成型数据处理的精度、提高制件的表面质量，国内外学者进行了大量的研究。本文主要就如何解决“传统”快速成型数据处理技术中出现的台阶效应和STL 逼近误差问题的研究现状进行介绍并展开一定的分析和讨论。In order to improve the rapid prototyping data processing accuracy,impr

6、ove the surface quality of products,domestic and foreign scholars have conducted a lot of research.This paper is mainly on how to resolve the step effect and the research status of STL appears in the traditional data processing of rapid prototyping technology in the approximation error problems were

7、 introduced and analyzed and discussed some.2 数据处理误差 2 1台阶效应 台阶效应是由快速成型技术“离散一堆积”的核心思想所引起的一种原理性误差，是影响快速成型表面质量和精度的一个主要因素：台阶效应的影响可以用“尖峰高度(cusp height)”来量化表示，所谓尖峰高度是指台阶底部到模型表面(STL 斜面)的最大距离，如图 1所示，中可以看到，因此，当层厚固定后，尖峰高度的大小只与模型的形状有关，那么对整个制件来说，所有尖峰高度的大小是不均匀、不可控的。台阶效应引起的另一个问题是分层过程中容易造成模型的形状改变以及局部特征遗失。如图2所示，对比

8、左右两侧，在房檐处由于局部的尺寸不能被层厚所整除，产生了高度误差；在锐角处模型的长度缩短，角度越小相差的越多。另外，模型中的扁平面、小特征等局部特征也阑尺寸小于层厚而遗失。台阶效应还会带来模型体积的改变，模型分层后，其尖峰高度可能在CAD 模型的内部，分层后的体积小于CAD 模型，即产生负误差；相反，尖峰高度可能在CAD 模型的外部，分层后的体积大于CAD 模型，即产生正误差。一般情况下，在制作工业产品时，为了保证一定的加工余量，人们希望得到正误差，如图3(b)所示。在制作模具和型芯等以负公差为主的零件时，为了减小加工余量人们希望得到负误差，如图3(a)所示。但在传统分层过程中，分层处理单地从

9、模型的端向另端进行，这样误差的符号随着模型曲面的法向量变化而变化，对误差符号的控制很难实现，如图3(c)所示。2.2 STL格式的逼近误差 如图4所示，CAD 模型经过STL 格式转化，原来的表面被离散成一系列的小三角形面片的组合，模型丧失了原本具有的光滑性，产生了逼近误差。STL 格式的逼近误差是由STL 格式的生成原理决定的，是不能避免的，减小这种误差的简单方法就是用更多的三角形来逼近CAD 模型，但相应的文件的数据量和错误量也将急剧增加，增加了STL 格式生成、纠错及分层切片的工作量和难度。另外从图4d 中可以看到，STL 格式的切片轮廓是由一系列首尾相连线段环组成的，在成型阶段激光束将

10、沿着这些线段进行加工。而增加三角形面片的数量将使这些线段变得更加细碎，激光束沿着这些细碎的线段运动需要频繁的转向，极大的降低了加工效率并造成较差的表面质量。减小STL 格式逼近误差的方法将在第3节讨论。3 减小台阶效应的方法 3.1 自适应分层 3.1.1法向量法 1994年 Dolenc 和 MakelaI 提出了尖峰高度的概念，并基于STL 模型提出了一种根据模型形状自动调整分层厚度的算法，每一层的厚度可以根据上一层的轮廓上各个点的法向量求出：式中：最大允许尖峰向量；模型法向量沿z 轴的分量；这个算法的提出，实现了尖峰高度大小和分布的控制，从此，在快速成型中兼顾质量与效率成为可能，给后来的

11、自适应分层方面的研究带来了很大启发。3.1.2曲率法 Kulkami 和 Dutta 研究了一种针对CAD 模型的基于曲率的自适应分层算法。这种算法同时考虑了零件的精度、表面质量和包容关系的要求来计算自适应分层的厚度。他们用一个半径与模型局部特征曲率 相同的小球代替表示局部特征，在特征点P 处建立了关于小球半径 ，允许尖峰高度 以及球心S 与 P 之间的夹角 之间的公式：不久之后，Mani 等人与Ma 等人于同一年在上面公式的基础上分别研究了基于区域和选择性自适应分层方法。其本质都是将模型分割为靠近曲面表面区域、曲面内部区域以及普通区域三个部分，这样，只在靠近曲面的区域使用自适应分层，而其他区

12、域可以采用最大的层厚进行分层，在保证质量的前提下进一步提高了分层的效率。3.1.3面积比较法 Zhao 等人提出了一种间接的自适应分层算法。通过比较相邻两层面积的变化率 是不是满足 (其中为允许值)，如不满足则减小层厚继续比较，直至最终确定层厚。这种算法不受曲面类型的限制，应用简单，但是对于类似图5中的情况来说，它是不适用的。为了解决这种情况，董未名等人对上述算法进行了改良，他们将整体的面积变化率 改为相对点处面积变化率绝对值的累积和 这样判断条件变成了 ，完善了zhao 等人的面积比较法。自适应分层技术从软件算法方面来说是完全可行的，而且在研究领域已经取得了相当的成就，但是，自适应分层技术与

13、成型工艺的完美结合却还有很长的路要走，首先，无论是法向量法，曲率法还是面积比较法都不是完美的，在处理某些特殊形状时都可能产生歧义，文献使用了一种综合算法来确定层厚，每一层的厚度要同时满足法向量法和面积法的要求，这无疑是给自适应分层上了双保险，但同时计算量也大大的增加，自适应分层的层厚算法仍需要进一步的完善；其次，对于LOM 等层厚固定的工艺来说，变层厚分层是不适用的。而对于一些直接制造金属零件的工艺来说(如 SIS、LENS 等)，改变层厚会引起成型宽度、微观组织和力学性能的改变，造成零件微观组织和性能的不均匀，但目前还没有关于这种不均匀性的研究。3.2 斜切法 斜切法是针对LOM、层铣工艺等

14、基于薄片切割的快速成型工艺而提出的方法，如图6所示，斜切法采用更靠近CAD 模型的斜线来逼近CAD 模型，相应的，材料的切割方向不是单纯地沿着竖直方向，而是根据模型形状进行调整。这样相对于传统的切片方式斜切法能够有效的减小尖峰高度，在模型的直线部分，甚至可以实现“0”误差。相比传统工艺，斜切法在逼近原理上更加先进，能够非常显著的减小模型的误差，而且在加工时可以采用更大的板厚，提高制造效率。但斜切法要求进行切割的激光束或铣刀能够随时准确的调整角度，提高了快速成型的设备成本。4 减小STL 逼近误差提高切片轮廓光滑性 4.1 增加STL文件的三角形数量 增加STL 文件的三角形数量可以显著的减小S

15、TL 格式的逼近误差，但会牺牲数据的处理时间和存储空间，而且对STL 这种错误较多的文件格式来说，增加数据量也不可避免的增加了错误量，增加了STL 文件的修复的难度。为了调和STL 文件精度与数据量之间的矛盾，李震等人研究了一种在局部增加三角形数量的方法来补偿STL 文件的精度。先以比较低的精度导出STL 文件，保证大多数部位的精度即可，再根据某些关键部位精度要求，在局部表面的三角形面片上建立一个四面体，然后用四面体外部新生成的三个表面代替原始的三角形面片，生成新的STL 模型。经过这样的处理局部逼近误差为未补偿的1/4左右，而整体的三角形数量较直接生成这种高精度的STL 文件明显减少。采用这

16、种方法在一定程度上缓和了STL 文件精度与数据量之间的矛盾，但是，这种方法的原理仍然是增加STL 三角形面片的数量，对“局部区域”比重较大的形状复杂零件来说这种方法数据量小的优势就不太明显了。而且最后仍然要对STL 文件进行分层，切片轮廓的连续性问题得不到解决。4.2 CAD直接分层 CAD 直接分层技术是指利用数学方法直接对CAD 原始模型进行分层，不需要STL 这种中间转换格式，因此具有很多优点：减少数据预处理时间、避免STL 文件的种种错误、能够保存几何元素的拓补信息、没有数据冗余、减小文件体积等。直接分层可以得到精确的模型切片轮廓，可以说是解决STL 格式逼近误差问题的最好方法。目前主

17、要有两种实现直接分层的方法，一种是自行开发软件从中性文件(DFX、IGES、STEP 等)中提取模型的几何信息后进行分层求交运算。这种方式不依赖于具体的CAD 软件，形式比较自由。但算法相对复杂，工作量比较大。CAD直接分层技术具有很多基于STL分层技术元法比拟的优点，但同时也存在一些缺点，如获得切片文件之后模型就变成2.5维，失去了体积的概念，因此很难实现重新指定加工方向、缩放和旋转等操作；CAD 直接分层技术在无形中将模型设计与加工处理结合起来，给参加这项工作的人员提出了更多的知识方面的要求；另外，直接切片虽然避免了STL 文件容易出现的问题，但是它有可能带来如轮廓环不封闭、局部轮廓过封闭

18、等新的错误，这种错误的出现几率视CAD 系统的不同而有所差别。另外目前大部分的快速成型技术仍然是基于STL格式进行的，CAD 直接分层技术大多由各研究机构自行开发，格式以及转换标准不统一，只局限于小范围内使用，还不能取代STL 标准的地位。4.3 STL模型切片轮廓曲线重构 切片轮廓曲线重构是减小STL 格式逼近误差的另一个方法。它是利用数学方法将STL模型分层后得到的切片轮廓重新拟合成光滑的曲线，这样既保留了STL 格式的基础，又能够提高精度、改善其对切片轮廓光滑性的破坏。总的来说，对STL 切片轮廓进行曲线重构既保留了STL 文件的优点，又大大改善了STL格式对加工精度、表面质量和加工效率

19、的影响。但是，必须要说的是，这种方法不会等同于CAD 直接分层的效果，在进行轮廓曲线重构时，必须要以STL 切片轮廓上各个折线的端点作为重构曲线的控制顶点，而在STL 文件生成时，这些端点可能位于曲面内、曲面上，也可能位于曲面外，因此重构曲线很难精确的重现CAD 模型切片，而 CAD 直接切片的是对模型的精确描述，在原理上其精度是优于任何一种重构方式的。5 结束语 保证数据处理过程的精度对快速成型技术来说是至关重要的，数据处理过程中产生的台阶效应和STL 逼近误差将贯穿快速成型工艺中的每一介过程，直接影响着快速成型零件的精度、表面质量以及制造时间。然而，传统的数据处理工艺还不够不完善，无论是在

20、水平方向还是垂直方向模型都不可避免的存在一定程度的失真。自适应分层、斜切法、直接切片、以及曲面重构技术可以很好的改善传统数据处理中出现的问题，但是这些方法仍然受到计算复杂性、文件的通用性以及设备和材料的限制，还不能够完全满足人们对快速成型技术精度和效率的要求。数据处理技术仍然需要从数据结构、切片原理和切片算法等方面进一步创新和完善。相信随着计算机技术、材料技术以及快速成型新工艺的发展，在不远的未来必然会有新的高精度、高效率的数据处理技术取代现有方式，给快速成型技术带来突破性发展。快速成形技术及其应用作 者：范春华 出版社：电子工业出版社 出版时间：2009年 03月 书名：快速成型技术与应用 书号：978-7-111-37057-4 作者：韩霞 杨恩源 编著 出版日期：2012年3月