基于木粉的快速原型件工艺及数控扫描路径规划的研究

发布时间：2020-08-04 12:24

【摘要】： 自推出世界上首台商品化快速成型设备以来,快速成型这一先进制造技术得到了蓬勃的发展。各国对快速成型的新材料、新工艺的研究也一直在不断的探索中。由于目前快速成型材料比较昂贵,在很大程度上制约了快速成型的普及化,因此廉价的新型材料和新工艺迅速成为研究的热点。木粉与目前快速成型材料相比具有廉价、环保的优势,而且制备也比较简单,所以将木粉作为主要材料进行快速原型制造必然有重要的理论意义和实际应用价值。本文围绕基于木粉的快速成型的成型工艺展开研究,研究的主要内容包括轮廓扫描路径的生成算法、快速成型的工艺参数对成型质量与效率等的影响研究以及提高制件强度的工艺方法。对基于STL模型的分层算法以及扫描路径的生成算法进行了研究,提出更优分层算法,并详细分析了分层算法及路径生成算法对成型效率和成型质量的影响。结合基于木粉的快速成型工艺的特点,提出了更优的扫描路径生成算法—复合扫描路径生成算法,其思想是将轮廓偏置扫描与分区域往复扫描相结合。此扫描方式结合了轮廓扫描精度高、分区域往复扫描快捷稳定的优点,一定程度上克服了轮廓偏置扫描速度慢、算法复杂和分区域往复扫描精度不高的缺陷。通过对木粉和热熔胶混合粉末的烧结成型实验的研究,分析了快速成型工艺参数对成型件质量的影响;通过实验分析了激光功率、扫描速度、扫描间距、分层厚度、扫描方式等工艺参数对成型质量与效率的影响,得出了主要工艺参数对成型质量与效率的影响规律;综合工艺参数对成型制件质量与效率的影响,给出了工艺参数的优化配置。针对成型件强度偏低的缺点并结合材料自身特点,提出了制件强度强度提高理论,在每一层铺粉时加入“压实”工序,提高粉末层的致密性来提高强度;通过层收缩率补偿来提高制件强度;调整热熔胶和木粉的混合比例、添加偶联剂、选择强度和粘接力更高的胶类以及更优的后处理等。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH166
【图文】：

功率分布,熔融深度,激光束,混合粉末

HPRS一m快速成型机，激光功率最大为 50WC02激光器，可按0一100%比率选取，扫描速度0.7一4.0m/s，激光模式(反映了激光光斑电磁场的分布情况)为零阶模(即基模，在激光加工中，基模的模式好)，其激光束的功率分布如图4一6所示:图4一7激光器功率分布从图4一7中可以看出，离激光束中心越近，光强越高，相同的时间段里，混合粉末获得的能量越多;相反，离激光束越远，光强越弱，相同的时间段里，混合粉末获得的能量就越少。当然，激光束以外区域，光强趋近于零，那么该处获得的能量也就趋近于零。从而可以得知，激光束照射的粉末表面因光强不一样，混合粉末中的胶的熔融程度和深度也不一样。越靠近光斑中心，胶熔融的越充分，深度也越深，越远离中心，胶熔融的越不充分，深度也越较浅【481，如图4一8所示。显然

重叠量,扫描间距

“低能量区域”的热熔胶粉末己经不能够获得足够的能量而发生充分熔融，所以要求在激光光路设计上应使其热影响区要有一定的重叠，从而保证烧结区域内全部热熔胶粉末都能发生充分熔融，如图4一13所示。扫描重叠量与扫描间距的关系如图4一14所示，扫描间距加大，扫描重叠量减少，则两相邻的扫描路径热影响区重叠部分就会减少，超过一定的限度就会有一部分粉末同时处于相邻两扫描路径热影响区“低能量区域”，那么处于这个区域的热熔胶粉末就不能充分熔融，轻则影响成型件的成型强度，重则可能使成型件不能成型。但是扫描路径过于靠近，扫描重叠量加大，使热影响区域过于重叠，输入能量过大，出现表面蜂洞以及底部粘粉现象，甚至可能使下层重新熔融再粘结，从而造成制件精度质量严重下降。当然，扫描间距的大小同时也影响着制件的成型效率。扫描相同的面积时，扫描间距越大

切片软件,显示画面,三维模型

图后强化/表面处理图4一1快速成型的全过程(2)三维模型的切片处理快速原型制造方法是在计算机造型技术、数控技术、激光技术材料科学等基础上发展起来的，在快速原型制造系统中，除了快速成型设备硬件外，还必须配备将CAD数据模型、激光扫描系统、机械传动系统和控制系统连接起来并协调运动的专用操控软件，该套软件通常称为切片软件脚~32]。由于快速成型是按一层层截面形状来进行加工的，因此，加工前必须在三维模型上，用切片软件，沿成型的高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，·以便提取界面的轮廓，如图4一2为切片软件读入三维模型后的显示画面。间隔的大小根据被成型件精度

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