一、前言

    快速成型技術是20世紀80年代后期發展起來的一項高新技術[1]。它不僅在制造原理上與傳統方法全然不同，更重要的是在目前制造策略以市場響應速度為第一的方針狀況下，可以縮短市場開發周期，降低開發成本，提高企業的競爭力。
    快速成型技術具有以下優點：（1）技術集成度高，整個生產過程數字化；（2）制造成本與產品的復雜程度無關；（3）產品的單價幾乎與批量無關；（4）綠色的加工技術。以累加思想實現零件制作的快速成型技術是制造技術領域的一項重大突破，其理論、工藝的完善以及精度的提高等，對快速成型技術的普及和應用有著極其重要的影響。
    成型加工過程中，必須保證一定的制作精度和表面質量，影響制件精度的因素是多方面的[2]。對成型加工精度的影響因素及改進措施的研究，對快速成型技術的發展和普及應用具有重要的意義[3,4]。本文試驗所采用的快速成型設備是AFS快速成型機。

    二、數據處理誤差

    2.1格式轉換誤差

    CAD模型的STL格式轉換即是用三角形面片逼近實際模型表面，轉換為所謂的事實上的標準文件格式。STL文件的精度等級不同，所產生的轉換誤差也不同。STL文件的精度是指用STL格式擬合最大允許誤差。實際上，如果原幾何模型完全由直邊組成，則STL格式擬合絕對準確，沒有任何誤差；否則，存在擬合誤差。例如同一個圓分別使用4個及6個三角形的STL格式表示，如圖1所示。

    由此可見，精度要求越高，三角形面片的數目越多，它所表示的模型與實際模型就越逼近，但與此同時，STL文件數據量也將劇增，加大了后續數據處理的運算量。另外，三角形面片也會隨精度提高而變小，在模型的細節部位會出現大量極為細小的三角形面片，增大數據處理的難度。而且在數據處理過程中常常產生致命的錯誤。因此，較好的方法是根據工藝條件和制件的精度要求選擇適當的STL格式精度。
    2.1 分層切片誤差
    將CAD模型進行STL轉換后，接著便要對其進行分層處理。分層是用一簇平行平面沿某一設定方向與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，設其STL格式為圖2b所示，這時其頂面和底面是距球心高度分別為h1 、 h2的兩個圓，設其半徑分別r1 、r2 。

    三、設備誤差
    3.1 托板 方向運動誤差
    托板 方向運動誤差直接影響堆積過程中層厚精度，最終導致Z方向產生尺寸誤差，而托板在垂直面內的運動直線度誤差，宏觀上產生制件的形狀、位置誤差，微觀上導致粗糙度值增大。因此，托板 方向系統要選用精密導軌、滾珠絲杠、伺服控制系統來提高 方向的運動精度。
    3.2 X-Y方向同步帶變形誤差
    X-Y掃描系統采用X-Y二維運動工作臺，由步進電機驅動齒形同步帶并帶動光頭運動。在定位時，由于同步帶的變形，會影響定位的精度，常用的方法是通過設定位置補償系數來減小其影響。為了考察其影響結果，我們在AFS快速成型機上加工制件，分別在采用補償系數和未采用補償系數兩種情況下作了實驗。
    下表即為采用補償系數和未采用補償系數時所測得的制件的實際尺寸值，制件的名義尺寸分別為2，5，10，15，20，25mm，所使用的光斑補償直徑分別為1.0mm和1.1mm。

#p#分頁標題#e#

    （注：表中帶有+號表明設定了同步帶變形補償值，其中同步帶的X方向的補償系數為1.017，Y方向的補償系數為1.022。）
    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，根據以上實驗數據做圖如下：

  從圖3可以看出，在相同光斑補償直徑的情況下，考慮同步帶變形補償系數所得到的制件尺寸精度要高些。在這幾種情況下使用1.1mm的光斑補償直徑并設定相應的補償系數，制件的精度最高。
    3.3 X-Y方向掃描運動誤差
    掃描過程中，X-Y工作臺存在以下問題：
    (1)運動慣性力的影響 工作臺在開始掃描階段以恒定的加速度 從靜止狀態提高到設定掃描速度 ；在制動階段，工作臺以- 的加速度降低為靜止狀態，如圖4所示。在一般情況下，工作臺能很快地進入掃描狀態，以速度 掃描，在臨近另一個邊緣處，速度逐漸降低為0。工作臺在啟動和制動階段，存在一定的慣性，使得工作臺在制件邊緣部分將超出設計尺寸的范圍，導致制件的尺寸有所增加。

    (2)工作臺振動的影響 成型過程中，掃描機構對制件的截面作往復填充掃描，如圖5所示。由于工作臺在運動過程中本身具有一個固有頻率，當掃描頻率接近系統的固有頻率時，振動增大，甚至出現共振現象，制件將產生較大的誤差。

   四、固化成型誤差
    4.1 過固化誤差
    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的。掃描速度越低，平均能量越大，這時粉末固化寬度、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，形成一定時間的滯留，因此邊緣處粉末固化程度較高，出現過固化。在這種情況下，當掃描一條直線時，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
    由于材料從粉末狀到固態的聚合反應過程中要產生線性收縮和體積收縮，而線性收縮將導致在層堆積時產生層間應力，這種層間應力使制件變形，導致精度喪失。這種變形的機理復雜，與材料的成分、光敏性、聚合反應的速度有關。實踐證明：通過開發低收縮、高強度的塑料粉末是提高制件精度的根本途徑。而對同一性能的塑料粉末，通過合理選擇制作工藝參數來提高制件精度也是一條有效的途徑。

    4.2 光斑補償直徑誤差
    相對于激光快速成型系統，AFS成型系統所用的光源形成的光斑直徑要大一些，成型用的光點實際上是一個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似為光束能量聚集的光點，光能量分布在整個光斑范圍內，實際制件輪廓是光斑中心運行軌跡上一系列固化點包絡形成的，如圖7所示。圖中虛線部分為設計尺寸，在成型過程中光斑中心沿虛線運動，實線部分為實際成型制件，它是由固化點的包絡線形成的。這一固化特點不僅增加了制件的尺寸，在其拐角處形成圓角，導致形狀鈍化，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。

    所以如果不采用補償，所做出的制件實體部分實際上每側大了一個光斑半徑，使制件出現正偏差。為了減小或消除正偏差，采用光斑補償，使光斑掃描路徑向實體內部縮進一個光斑半徑。從理論上說，光斑掃描按照向實體內部縮進一個光斑半徑的路徑掃描，所得制件的尺寸誤差為零。#p#分頁標題#e#
    但是實際上，光斑直徑是不容易控制的，它隨著安裝的狀態不同而改變。由于AFS快速成型機無光斑測量機構，所以實際上的光斑直徑大小是不可以直接測量的，需要根據制件誤差大小修正補償直徑大小，使補償直徑大小等于實際光斑直徑。

    五、后處理誤差

    后處理是指整個制件加工完成后的輔助處理工藝，包括制件的清洗、打磨、表面噴涂以及后固化處理。在后固化時，殘留粉末固化不均勻收縮引起制件變形，產生后處理誤差。因此，研究具有良好性能的粉末材料可減小因此對精度的影響。

    六、幾種可能的改進措施

    通過對影響制件精度的各種因素的分析，可對現有的設備提出以下幾種可能的改進措施：
    (1)對工作臺進行運動平衡 固化成型過程中，工作臺的運動精度是制約制件質量的一個關鍵因素。不僅工作臺的靜態工作特性(X、Y方向導軌的直線度、配合部件之間的摩擦系數以及工作臺的定位精度等)影響制件精度，由于成型掃描是往復運動的過程，盡量減輕工作臺的質量以減少慣性，通過調整工作臺的阻力系數以減少慣性的影響。另一方面，適當提高工作臺運動加速度，可以減小速度轉化時間，縮小制件過固化的區域。
    (2)增加擋光系統 針對掃描系統加減速特征，在光路系統的前端增加擋光片，當工作臺處于加速或減速階段時，擋光片阻擋光線傳輸到光纖，只有達到正常掃描速度時，擋光片讓開，使系統正常掃描固化，避免了制件邊緣過固化現象，提高制件的尺寸精度，同時改善輪廓質量。
    (3)適量增加光斑補償 成型過程中的制件外形尺寸，實際是一系列光斑的包絡線包絡形成的，光斑補償的方法是通過修改制件的CAD數據尺寸，在成型過程中原制件的邊界等距離收縮一定數值，與光斑直徑的增加量互相補償，光斑補償直徑的大小主要取決與粉末平面處的光斑大小，同時考慮其他的因素的影響。在實際過程中，補償直徑的數值的大小是通過實驗確定。
    (4)適當調整定位補償參數 將同步齒形帶變形的影響考慮在內，根據下面的公式進行修正：定位補償參數=名義尺寸值/實測值 默認的補償系數
    通過應用上述改進措施，制件的精度有所提高，如圖8所示。

    七、結論

    本文通過對影響制件精度的各種因素的分析，以及將對工作臺進行運動平衡、增加擋光系統、適量增加光斑補償、適當調整定位補償參數等改進措施應用于試驗，得到了精度較高的制件。由此說明，本文所分析的各種影響因素及所采取的改進措施是正確的。