立體光固化造型機機械系統(tǒng)設計

立體光固化造型機機械系統(tǒng)設計,立體光固化造型機機械系統(tǒng)設計,立體,光固化,造型機,機械,系統(tǒng),設計 一、快速原型技術簡介快速原型制造技術(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡稱 RPM ,是先進制造技術的重要分支.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 年來制造技術最重大進展之一.它建立在CAD/ CAM 技術、計算機控制技術、數(shù)控技術、檢測技術和材料科學的基礎之上 ,將計算機輔助設計 CAD與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術直接結合起來 ,能以最快的速度將設計思想物化為具有一定結構功能的產品原型或直接制造零件 ,從而使產品設計開發(fā)可能進行快速評價、測試、改進 ,以完成設計制造過程 ,適應市場需求.1 、RPM 的基本構思任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標方向迭加而成 ,因此可利用分層切片軟件 ,將計算機產生的 CAD 三維實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、聚合作用或化學反應等手段 ,逐層有選擇地固化液體(或粘結固體)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 技術作出零件的三維圖形 ,然后對其進行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經動態(tài)仿真之后 ,通過 CAM 的一個后處理(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)控機床上加工成形.快速原型制造技術 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體;(3) 越過了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過程 ,實現(xiàn)了 CAD/ CAM 的無縫連接;(4) RPM 系統(tǒng)是辦公室運作環(huán)境 ,它真正變成了圖形工作站的外設 .由于 RPM 可以快速、自動、精確地將 CAD 模型轉化成為具有一定功能的產品原型或直接制造零件 ,因此它對于縮短產品的研發(fā)周期、控制風險、提高企業(yè)參與市場競爭的能力 ,都具有重要的現(xiàn)實意義.2 、幾種典型的快速原型技術2.1 立體光固造型 SLAStero 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 疊層實體制造LOM疊層實體制造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 ,激光器先按最底層的 CAD 三維實體模型的切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對于鋪在工作臺上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺下降一層高度 ,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 ,激光器按對應數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復直至整個三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、不變形 ,精度可達 0.1mm ,切片厚度 0.050.50mm.2.3 選擇性激光燒結 SLS選擇性激光燒結 Selected Laser Sintering的生產過程與 SLA 類似 ,用 CO2 紅外激光對金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達到燒結溫度 ,最后燒結出由金屬或塑料制成的立體結構.2.4 融積成型技術 FDM融積成型技術(Fused Deposition Modeling)的制造過程是 ,首先通過系統(tǒng)隨機的 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 噴嘴移動軌跡的幾何信息.運作時 ,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) ,在微型機控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確定的平面幾何信息數(shù)據(jù)運動并同時擠出半流動的材料 ,沉積固化成精確的實際零件薄層 ,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 ,由下而上形成一個三維實體.FDM 的制作精度目前可達 0.127mm ,連續(xù)堆積范圍 0.02540.508mm ,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.其加工過程是先把 CAD 設計好的零件模型裝入模殼設計裝置 ,利用微型機繪制澆注模殼 ,產生一個達到規(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模殼最后加工 ,完成整個加工過程.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 SGCSolid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開發(fā),該工藝可以在同一時間固化整個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 ,其制作精度可達整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約為 0.10.15mm ,Cubital 公司開發(fā)的 Solider5600 型產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) 日本三菱化學最近推出的三菱化學快速制模系統(tǒng),可將原型直接轉換成模具 ,采用稱作“金屬補強樹脂制模(Metal Resin Moulding)復合料”,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時間縮短了 1/21/3. 奧斯丁的德克薩斯大學正在研究的高溫選擇激光燒結(HTSLS) ,在取消聚合物粘結劑方面進行了嘗試.結果表明 ,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粉末來制造模具.3、各種成型方法簡介及對比二、立體光固造型 SLA技術原理簡介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)對準備制造的零件進行三維實體造型設計 ,再由專門的計算機切片軟件CAD系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對表面形狀變化大和精度要求高的部分應切得薄些 ,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運動指令 ,在結合提升機構沿 Z坐標方向的間歇下降運動 ,形成整個零件的數(shù)控加工指令.指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首先是工作臺下降至液體容器的液面之下 ,對應于 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上.然后 ,升降工作臺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“生長”,直至形成整個三維實體零件.三、立體光固造型 SLA國內外現(xiàn)有技術水平介紹 立體光固造型 SLA方法是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應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、西安交通大學等.美國 3D System公司的 SLA 技術在國際市場上占的比例最大 ,其設備自 1988 年推出 SLA - 250 機型以后 ,又于1997 年推出 SLA - 250HR,SLA - 3500 ,SLA - 5000三種機型 ,在技術上有了長足進步. 其中 ,SLA -3500和 SLA - 5000 使用半導體激勵的固體激光器 ,掃描速度分別達到2.54 m/ s和5m/ s,成型層厚最小可達 0. 05 mm. 此外 ,還采用了一種稱之為Zephyer recoating system的新技術 ,該技術是在每一成型層上 ,用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.050. 1 mm 的待固化樹脂 ,使成型時間平均縮短了20 %.該公司于1999年推出的SLA - 7000機型與SLA - 5000 機型相比 成型體積雖然大致相同,但其掃描速度卻達9. 52m/ s,平均成型速度提高了4倍, 成型層厚最小可達0.025 mm,精度提高了1倍.國內對 SLA 技術的研究始于 90 年代初 ,一些高校在其成型理論、控制技術、成型材料等多方面都進行了大量的研究工作 ,取得了顯著成果.目前西安交通大學開發(fā)的LPS- 600A 型快速成型系統(tǒng) ,已有商品化產品. 國內外研究者在SLA技術的成形機理、控制制件變形、提高制件精度等方面進行了大量研究。四、sla應用領域美國克萊斯勒公司(Chrysler)就用 SLA 工藝制成了車體模型 ,將其放在高速風洞中進行空氣動力學試驗分析;此外美國 Dayton 大學還利用 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、設計任務1、固化用激光掃描裝置設計；2、浸于樹脂液體中的升降托盤設計；（樹脂液面保持高度不變）；3、排煙裝置設計；4、刮刀機構設計；5、整機總裝配圖設計；6、部分硬件控制電路的設計。（可選）六、設計參數(shù)成型空間：400*400*300mm激光頭最大運行速度：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：0.1mmZ向定位精度：0.01mm七、設計思路及注意問題采用分塊設計的思路，機械結構主要分XY掃描系統(tǒng)，工作臺Z方向升降系統(tǒng)，刮刀機構，排煙系統(tǒng)等四部分。(1) X-Y掃描系統(tǒng)的機械結構成型機的掃描系統(tǒng)采用高精度的X-Y 動工作臺，它帶動光纖和聚焦鏡完成零件的二維掃描成型。其結構為步進電機帶動滾珠絲杠驅動掃描頭作X-Y平面運動，掃描范圍為400x400mn，重復定位精度0. 005mn。為減輕質量，提高響應速度，選用鋁材進行設計，并選取大扭矩輸出的高頻響應電機。掃描系統(tǒng)結構由計算機、X-Y掃描頭、聚焦鏡頭、直線矩形滾動導軌、滾珠絲杠、步進電機等組成。由于混合式步進電機具有體積小、力矩大、低頻特性好、運行噪音小、失電自鎖等優(yōu)點，X, Y方向都采用了這種電機。為了減少由于Y方向采用側面驅動結構而造成的擺動，Y方向使用單側直線矩形滾動導軌，為減少X方向負載的質量，連接板及電機座采用鋁材。2 Z軸升降系統(tǒng)Z軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在Z軸方向運動的功能，它帶動托板上下移動。每固化一層，托板要下降1個層厚。它是實現(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。采用步進電機驅動，精密滾珠絲杠傳動及精密導軌導向結構。驅動電機采用混合式步進電機，配合細分驅動電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實現(xiàn)高分辨率驅動，省去了中間齒輪級傳動，既減小了尺寸又減小了傳動誤差。軸升降系統(tǒng)如圖所示。 成形零件時，托板經常作下降、提升運動，為了減少運動時對液面的攪動，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狀，網孔大小孔距設計要合理，既能使零件的基礎與其能牢固粘結，又要使托板升降運動時最小限度地阻礙液體流動。此外，考慮到樹脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹脂內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方向上下運動時造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2m 不銹鋼板做成中空行管結構的形狀。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而達到液面平整的話，就會需要很長的時間，特別是在固化面積較大的零件時。刮平運動可以使液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過程包括兩個步驟: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層厚的位置。第二步刮板按設定次數(shù)作刮平運動，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，尚需等待一定的時間才能平整。等待時間的長短要根據(jù)樹脂的流動性、零件尺寸的大小而定。刮平系統(tǒng)的結構如圖所示。4、排煙系統(tǒng) 排煙系統(tǒng)作為整體標準件直接選擇并安裝。