立體光固化造型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
立體光固化造型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),立體光固化造型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),立體,光固化,造型機(jī),機(jī)械,系統(tǒng),設(shè)計(jì)
一、快速原型技術(shù)簡介
快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先進(jìn)制造技術(shù)的重要分支.它是80年代后期起源于美國 ,后很快發(fā)展到歐洲和日本 ,可以說是近 20 年來制造技術(shù)最重大進(jìn)展之一.它建立在CAD/ CAM 技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)之上 ,將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術(shù)直接結(jié)合起來 ,能以最快的速度將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)可能進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、測試、改進(jìn) ,以完成設(shè)計(jì)制造過程 ,適應(yīng)市場需求.
1 、RPM 的基本構(gòu)思
任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標(biāo)方向迭加而成 ,因此可利用分層切片軟件 ,將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的 CAD 三維實(shí)體模型處理成一系列薄截面層 ,并根據(jù)各截面層形成的二維數(shù)據(jù) ,用粘貼、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段 ,逐層有選擇地固化液體(或粘結(jié)固體)材料 ,從而快速堆積制作出所要求形狀的零部件(或模型).傳統(tǒng)的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技術(shù)作出零件的三維圖形 ,然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經(jīng)動(dòng)態(tài)仿真之后 ,通過 CAM 的一個(gè)后處理(Post Process)模塊仿真加工過程 ,所有的要求均滿足之后 ,形成 NC 文件在數(shù)控機(jī)床上加工成形.快速原型制造技術(shù) RPM 突破了傳統(tǒng)加工中的金屬成型(如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工)和切削成形的工藝方法 ,是一種“使材料生長而不是去掉材料的制造過程” ,其制造過程的主要特點(diǎn)是:
(1) 新的加工概念. RPM 是采用材料累加的概念 ,即所謂“讓材料生長而非去除”,因此 ,加工過程無需刀具、模具和工裝夾具 ,且材料利用率極高;
(2) 突破了零件幾何形狀復(fù)雜程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有一定功能的三維實(shí)體;
(3) 越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實(shí)現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接;
(4) RPM 系統(tǒng)是辦公室運(yùn)作環(huán)境 ,它真正變成了圖形工作站的外設(shè) .
由于 RPM 可以快速、自動(dòng)、精確地將 CAD 模型轉(zhuǎn)化成為具有一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,因此它對(duì)于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、控制風(fēng)險(xiǎn)、提高企業(yè)參與市場競爭的能力 ,都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.
2 、幾種典型的快速原型技術(shù)
2.1 立體光固造型 SLA
Stero Lightgraphy Apparatus又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置.
2.2 疊層實(shí)體制造LOM
疊層實(shí)體制造Laminated Object Manufacturing 的成形材料是熱敏感類箔材(如紙等) ,激光器的作用變是切割.成形開始時(shí) ,激光器先按最底層的 CAD 三維實(shí)體模型的切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對(duì)于鋪在工作臺(tái)上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺(tái)下降一層高度 ,重新送入一層(鋪在底層之上)材料 ,并用加熱輥滾壓 ,與底層粘牢 ,激光器按對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復(fù)直至整個(gè)三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精度可達(dá) ±0.1mm ,切片厚度 0.05～0.50mm.
2.3 選擇性激光燒結(jié) SLS
選擇性激光燒結(jié) Selected Laser Sintering的生產(chǎn)過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅外激光對(duì)金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達(dá)到燒結(jié)溫度 ,最后燒結(jié)出由金屬或塑料制成的立體結(jié)構(gòu).
2.4 融積成型技術(shù) FDM
融積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機(jī)的 Quick slice 和 SupportWorks軟件將 CAD 模型分為一層層極薄的截面 ,生成控制 FDM 噴嘴移動(dòng)軌跡的幾何信息.運(yùn)作時(shí) ,FDM加熱頭把熱塑材料(如聚脂塑料、ABS塑料、蠟等)加工到臨界狀態(tài) ,在微型機(jī)控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確定的平面幾何信息數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)并同時(shí)擠出半流動(dòng)的材料 ,沉積固化成精確的實(shí)際零件薄層 ,通過垂直升降系統(tǒng)降下新形成層并同樣固化之 ,且與已固化層牢固地連接在一起.如此反復(fù) ,由下而上形成一個(gè)三維實(shí)體.FDM 的制作精度目前可達(dá) ±0.127mm ,連續(xù)堆積范圍 0.0254～0.508mm ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn).
2.5 其它快速原型制造技術(shù)
直接制模鑄造DSPC (Direct Shell Production Casting)來源于三維印刷(3D Printing)快速成型技術(shù).其加工過程是先把 CAD 設(shè)計(jì)好的零件模型裝入模殼設(shè)計(jì)裝置 ,利用微型機(jī)繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個(gè)達(dá)到規(guī)定厚度 ,需要配有模芯的模殼組件的電子模型 ,然后將其輸至模殼制造裝置 ,由電子模型制成固體的三維陶瓷模殼.取走模殼處疏松的陶瓷粉 ,露出完成的模殼 ,采用熔模鑄造的一般方法對(duì)模殼最后加工 ,完成整個(gè)加工過程.此系統(tǒng)能檢測自己的印刷缺陷 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工.
光屏蔽(即 SGC—Solid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開發(fā),該工藝可以在同一時(shí)間固化整個(gè)一層的液體光聚合物. SGC工藝使用丙烯酸鹽類光聚合物材料 ,其制作精度可達(dá)整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約為 0.1～0.15mm ,Cubital 公司開發(fā)的 Solider5600 型產(chǎn)品制作的最大工作尺寸為 508 ×508 ×356mm ,所用紫外光燈功率為 2kW ,每一層循環(huán)約化 90s.
MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化學(xué)最近推出的三菱化學(xué)快速制模系統(tǒng),可將原型直接轉(zhuǎn)換成模具 ,采用稱作“金屬補(bǔ)強(qiáng)樹脂制模(Metal Resin Moulding)復(fù)合料”,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時(shí)間縮短了 1/2～1/3. 奧斯丁的德克薩斯大學(xué)正在研究的高溫選擇激光燒結(jié)(HTSLS) ,在取消聚合物粘結(jié)劑方面進(jìn)行了嘗試.結(jié)果表明 ,可利用 Cu - Sn 或青銅 —鎳粉兩相粉末 ,采用激光局部熔化低熔點(diǎn)粉末來制造模具.
3、各種成型方法簡介及對(duì)比
二、立體光固造型 SLA技術(shù)原理簡介
Stero Lightgraphy Apparatus又稱激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置.SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)備制造的零件進(jìn)行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì) ,再由專門的計(jì)算機(jī)切片軟件CAD系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對(duì)表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些 ,其他一般部位切得厚些.隨后 CAM 軟件再根據(jù)各薄層平面的 X - Y運(yùn)動(dòng)指令 ,在結(jié)合提升機(jī)構(gòu)沿 Z坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動(dòng) ,形成整個(gè)零件的數(shù)控加工指令.指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺(tái)下降至液體容器的液面之下 ,對(duì)應(yīng)于 CAD 模型最下一層切片的厚度處 ,根據(jù)該切片的 X- Y平面幾何數(shù)據(jù) ,紫外光照射可固化的液態(tài)樹脂(如環(huán)氧樹脂 ,乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂) ,在紫外光的作用下 ,因光聚合作用 ,第一層被固化在工作臺(tái)上.然后 ,升降工作臺(tái)下降至第二層切片厚度 ,激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面 ,使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊粘長在前一層已固化的樹脂上.如此反復(fù)“生長”,直至形成整個(gè)三維實(shí)體零件.
三、立體光固造型 SLA國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平介紹
立體光固造型 SLA方法是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型方法.目前 ,研究SLA方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F&S 公司、CMET 公司、D - MEC 公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Zosen公司、西安交通大學(xué)等.美國 3D System公司的 SLA 技術(shù)在國際市場上占的比例最大 ,其設(shè)備自 1988 年推出 SLA - 250 機(jī)型以后 ,又于1997 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000三種機(jī)型 ,在技術(shù)上有了長足進(jìn)步. 其中 ,SLA -3500和 SLA - 5000 使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器 ,掃描速度分別達(dá)到2.54 m/ s和5m/ s,成型層厚最小可達(dá) 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為Zephyer recoating system的新技術(shù) ,該技術(shù)是在每一成型層上 ,用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.05～0. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時(shí)間平均縮短了20 %.該公司于1999年推出的SLA - 7000機(jī)型與SLA - 5000 機(jī)型相比 成型體積雖然大致相同,但其掃描速度卻達(dá)9. 52m/ s,平均成型速度提高了4倍, 成型層厚最小可達(dá)0.025 mm,精度提高了1倍.國內(nèi)對(duì) SLA 技術(shù)的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術(shù)、成型材料等多方面都進(jìn)行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果.目前西安交通大學(xué)開發(fā)的LPS- 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產(chǎn)品. 國內(nèi)外研究者在SLA技術(shù)的成形機(jī)理、控制制件變形、提高制件精度等方面進(jìn)行了大量研究。
四、sla應(yīng)用領(lǐng)域
美國克萊斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析;此外美國 Dayton 大學(xué)還利用 SLA 工藝研制了一種桌面成型系統(tǒng)專門用于人體軟組織器官模型的建造.
五、設(shè)計(jì)任務(wù)
1、固化用激光掃描裝置設(shè)計(jì)；
2、浸于樹脂液體中的升降托盤設(shè)計(jì)；（樹脂液面保持高度不變）；
3、排煙裝置設(shè)計(jì)；
4、刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
5、整機(jī)總裝配圖設(shè)計(jì)；
6、部分硬件控制電路的設(shè)計(jì)。（可選）
六、設(shè)計(jì)參數(shù)
成型空間：400*400*300mm
激光頭最大運(yùn)行速度：80mm/s;
激光頭定位精度：
上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸等的總重量：約10kg
最大成型件重量約為10kg
固化深度/托盤的層間下降距離：0.1mm
Z向定位精度：0.01mm
七、設(shè)計(jì)思路及注意問題
采用分塊設(shè)計(jì)的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分X——Y掃描系統(tǒng)，工作臺(tái)Z方向升降系統(tǒng)，刮刀機(jī)構(gòu)，排煙系統(tǒng)等四部分。
(1) X-Y掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的X-Y 動(dòng)工作臺(tái)，它帶動(dòng)光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，掃描范圍為400x400mn，重復(fù)定位精度0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁材進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。
掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、X-Y掃描頭、聚焦鏡頭、直線矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，X, Y方向都采用了這種電機(jī)。為了減少由于Y方向采用側(cè)面驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)而造成的擺動(dòng)，Y方向使用單側(cè)直線矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌，為減少X方向負(fù)載的質(zhì)量，連接板及電機(jī)座采用鋁材。
2 Z軸升降系統(tǒng)
Z軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在Z軸方向運(yùn)動(dòng)的功能，它帶動(dòng)托板上下移動(dòng)。每固化一層，托板要下降1個(gè)層厚。它是實(shí)現(xiàn)零件堆積的主要過程，必須保證其定位精度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度、表面光潔度以及層與層之間的粘接性能。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動(dòng)，省去了中間齒輪級(jí)傳動(dòng)，既減小了尺寸又減小了傳動(dòng)誤差。軸升降系統(tǒng)如圖所示。
成形零件時(shí)，托板經(jīng)常作下降、提升運(yùn)動(dòng)，為了減少運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)液面的攪動(dòng)，并且便于成型后的零件從托板上取下，需將托板加工成篩網(wǎng)狀，網(wǎng)孔大小孔距設(shè)計(jì)要合理，既能使零件的基礎(chǔ)與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運(yùn)動(dòng)時(shí)最小限度地阻礙液體流動(dòng)。此外，考慮到樹脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹脂內(nèi)的材料全部選用鋁合金或不銹鋼材料，一方面防腐;另一方面防止普通鋼和鑄鐵對(duì)樹脂的致凝作用。由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長，為避免托板Z方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí)造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2m 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形狀。
3、刮平系統(tǒng)
由于樹脂的粘性及固化樹脂的表面張力作用，如僅僅依賴樹脂的流動(dòng)而達(dá)到液面平整的話，就會(huì)需要很長的時(shí)間，特別是在固化面積較大的零件時(shí)。刮平運(yùn)動(dòng)可以使液面盡快流平，提高涂層效率。
刮平過程包括兩個(gè)步驟:第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過程是為了克服液態(tài)樹脂與固化層面的表面張力，使樹脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至比上一層低一個(gè)層厚的位置。第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動(dòng)，其作用是把涂敷在零件表面的多余樹脂刮掉。刮平后，樹脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動(dòng)，尚需等待一定的時(shí)間才能平整。等待時(shí)間的長短要根據(jù)樹脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大小而定。刮平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。
4、排煙系統(tǒng)
排煙系統(tǒng)作為整體標(biāo)準(zhǔn)件直接選擇并安裝。
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