增材制造方式下的制件误差分析与实验研究

发布时间：2020-08-11 10:06

【摘要】：增材制造技术从产生之初,到蓬勃发展的过程中,已经在人们生产生活方式中有了诸多方面的应用,涉及的行业有航空航天业、汽车工业、现代制造业以及生物医疗等领域。增材制造技术的熔融沉积成型方式以价格低廉和设备便携性两方面优势,在增材制造技术的商用化有着广泛应用。但熔融沉积在模型前处理过程、增材制造的打印过程以及打印设备的运动稳定性等其他多方面因素的影响下,对制件的成型精度有着不同程度的影响。因此,如何减小成型件的误差,提高制件精度,已经成为增材制造领域的研究热点。增材制造的过程经历了STL文件的读取、三维模型STL数据文件分层后路径的规划、Gcode的生成、制件的打印以及制件的后处理一系列过程,而制造的每个过程都有可能产生误差。本论文针对熔融沉积的误差问题展开研究,通过理论分析出对成型质量影响较大的误差因素,即制件在填充过程中产生的阶梯误差以及因材料热膨胀特性产生的收缩误差和翘曲变形误差,对各项误差产生的机理进行分析,在此基础上将三项误差在常见三维模型中的误差量进行建模计算。制件误差计算中需要制件原型的尺寸或夹角信息,需通过STL文件的读取后,使用顶点索引算法将模型中的顶点坐标提取出来,通过对空间点坐标运算,求解出模型尺寸及夹角;根据常见三维模型的误差函数公式,总结出三项误差函数的通用公式;为了弱化误差中数值较大误差项对制件综合误差的过多影响以及解决误差项不同物理量纲的可比性问题,对误差函数进行离差标准化处理,将误差函数结果映射在同一区间内,并构建制件综合误差评价函数;对综合误差函数进行求解,获得制件综合误差最小时的最优分层厚度。为验证各项误差与层厚变化的关系以及综合误差函数的最优层厚选取是否合理,进行实验验证。设计实验部分的制件原型后,根据误差项通用公式和顶点获取算法求解模型尺寸和角度,对制件的各项误差进行计算,并通过综合误差函数求解出实验制件的最优层厚;根据最优分层厚度确定实验部分的实验组和对照组,对实验件进行制作,待制件冷却后,使用数显千分尺对成型件的厚度和翘曲变形量进行多次测量,使用基恩士显微系统对制件的阶梯处数据和顶面面积进行观测。将各项误差项的实际测量数据与理论值对比分析,发现实际误差项变化与理论误差变化趋势一致,并且通过制件综合误差函数所求最优分层厚度打印的误差小于对照组中制件,验证了本论文所建立模型与方法的可行性与有效性。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH16
【图文】：

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设、供给侧改革和信息化进程中发挥着关键作用[3]。作为一种新引进到目前的发展经历了数十年[4]。增材制造是一种先进制造技堆叠成最终的零件。增材制造技术是结合了逆向工程、激光科学科学、数字控制和机械工程等多种学科的技术。它采用离散叠加面、面成层的成型过程，实现了不使用模具制造复杂零件的技术造技术的核心与传统减材制造思想可以视为互逆的过程[5]，目前的工艺有数十种[6]。与传统加工方式对比，增材制造技术有其独加工工艺和生产线的束缚[7]，能够独立完成零件的制作，从而降生产线的成本[8]。增材制造技术将原材料只堆积在制件和支撑结会含有与其功能无关的材料[9]。这种制造理念区别于车削、铣削方式[10]，将多余毛坯去除后加工出需求零件，增材制造在加工最大化使用。它可以制造出传统制造技术无法加工出的外形，而加工的零件相比，在满足强度使用要求的前提下，在生产过程中造技术是集设计和制造于一体的制造方式[11]，简化了零件的生增材制造过程的流程示意图。

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图 1-3 研究技术路线图Fig.1-3 Research Technology Roadmap制造方式下的制件加工误差分析与建模制造方式下熔融沉积过程的误差来源，对制件成型精度产生主研究，即因分层填充过程与理论轮廓产生的阶梯误差、丝材热曲变形误差，并对几种常见的几何模型中的三项误差进行分析综合误差评价函数的构建与评价方法研究三维模型中的三项误差进行数学建模计算，并以此为基础，归式；因误差函数间不同的物理量纲无法直接比较，对误差函数误差函数标准化处理；根据标准化后的各项误差函数，构建出的三维模型中，使用制件综合误差评价函数便可求解出最优分制件的打印与理论误差对比分析论模型与实际情况的偏差程度，设计制件原型进行实验。根据梯误差函数、累积收缩面积误差函数以及累积翘曲变形误差函代入综合误差评价函数，求解出最优分层厚度；设计一组实验

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2 熔融沉积方式下的制件加工误差分析与建模下层已产生误差的基础上进行固化。在三维模型(x，y)坐标相同的点，会随着 Z 轴方向层厚的增加，这些点上的翘曲变形量也在不断的叠加，根据公式(2-61)第 i 层翘曲变形量计算公式，得制件上这些点在 Z 轴方向的累积翘曲变形量 F 为：32 2133( )6 6H HhF x yH h = + (2-62)取模型尺寸为 50mm 30mm 15mm，分层厚度为 0.15mm，将模型尺寸与分层厚度数据代入公式(2-61)中生成第 50 层单层的翘曲变形量，并将模型制件高度与顶点坐标的值代入公式(2-62)中得 1~50 层点上累加变形量。通过 Matlab 中对模型翘曲变形进行数值模拟，得出模型在第 50 层单层的翘曲变形量如图 2-15 所示，第 50 层模型固化层的累积翘曲变形如图 2-16 所示。

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