光固化快速成型件的尺寸誤差問題論文

光固化快速成型件的尺寸誤差問題論文

　　1 前言

　　光固化快速成型技術(Stereo Lithgraphy Apparatus) 簡稱SLA，為最早得到廣泛應用的一種快速成型技術，它和其他幾種快速成型技術(疊層輪廓法、熔融沉積法和激光粉末燒結法)相比，具有成型精度高、表面質量好以及原材料利用率高等突出的優點。但光固化快速成型技術對溫度、振動、光照和濕度等加工環境的要求十分嚴格， 且光固化機器設備所用原材料成本較高，若未對其生產工藝過程加以控制， 很容易造成樣件的尺寸誤差，從而導致廢品產生，造成企業生產成本的提高和時間的損失。

　　2SLA 樣件尺寸誤差類型

　　通過得到的最終樣件尺寸和樣件圖紙尺寸之間的差異稱為誤差。從光固化快速成型誤差性質來分類，可分為原理性誤差和非原理性誤差。在SLA 工藝過程中，STL 三維數據的轉換、軟件的分層處理所帶來的誤差屬于原理性誤差，這些誤差是光固化快速成型的原理所決定的，因此原理性誤差無法消除，只能減小;而三維模型的成型方向的設置工藝和樣件的后期處理工藝所造成的誤差屬于非原理性誤差，這些誤差不受光固化快速成型原理的影響，相對原理性誤差來說，非原理性誤差主要受人為因素的干擾。經過工藝改進，可以減小或消除非原理性誤差。

　　3SLA 的原理性誤差的分析與控制

　　3.1STL 三維數據的轉換誤差

　　在快速成形行業中，STL 格式文件已經成為數據交換的事實標準。STL 數據是由一系列三角面片所構成的網格結構所組成，這些三角面片按照如下規則形成STL 數據：

　　1)任意一個三角形面片的頂點均不能在其他任何一個三角形面片的邊上;2)三維模型的表面必須布滿三角形，不允許出現孔、洞等現象;3)各個三角形面片的頂點坐標必須是正值;4)若三角形面片具有公共的頂點，則該頂點的坐標值將會被記錄多次。CAD軟件繪制的三維模型在轉換成STL 三維數據時，如果模型的幾何結構全部由平面所組成，則沒有誤差產生，但是一旦模型具有曲面結構，將不可避免的產生誤差。

　　3.2 分層處理誤差

　　分層處理即SLA中的數據離散工藝過程，減小分層的厚度可以減小誤差， 但由于SLA 原理決定了分層厚度不可能為零，因此分層處理導致的誤差只能盡可能的縮小，并不能避免。分層處理所帶來的原理性誤差體現在樣件上主要有三點：臺階效應、疊層堆積方向(Z 方向)高度誤差和細微結構缺失。

　　3.2.1 臺階效應

　　經成型方向的工藝設置調整，仍無法保證樣件的表面和疊層堆積方向(Z 方向)平行或垂直，樣件表面將會產生類似于臺階一樣的結構，造成臺階效應這種原理性的誤差，這種誤差也是SLA 工藝中最為常見的誤差現象。

　　3.2.2 Z 方向高度誤差

　　當樣件的Z 方向高度和分層厚度之商非分層厚度的整數倍時，將產生Z 方向高度誤差。目前SLA 快速成型設備的分層厚度一般為0.1mm，最小可達0.025mm，可通過設置軟件參數，在一定范圍內對分層厚度進行調整。例如，某樣件本體Z 方向高度值為30.27mm，分層厚度設定為0.1，樣件本體被分成303 層，成型的樣件本體實際Z 方向高度值為30.3mm，誤差為0.03mm。

　　3.2.3 細微結構缺失

　　細微結構缺失現象和分層厚度的關系十分密切，一旦樣件的細微結構的尺寸小于分層厚度， 將無法做出該結構正確的形狀，對于大于分層厚度的樣件細微結構的缺失則常發生在層的中間位置上，因為三維模型在進行分層處理時，保證細微結構的起始或結束位置恰好位于層與層之間的分層線處將十分困難，由此帶來了細微結構缺失現象，導致誤差的產生。

　　3.3 SLA 原理性誤差的控制

　　針對STL 三維數據轉換時產生的誤差， 可采取減小弦高值，用更多的三角面片無限的逼近CAD 三維模型。三角面片數量越多，STL 三維數據和CAD 三維模型就越接近， 但過多的三角面片數量會帶來數據的冗余，增加計算機處理的負擔，降低了生產效率，需根據實際需求合理設定相應的弦高值。在數據分層處理過程中，引入自適應分層工藝，在重要的表面區域或Z 向要求較為嚴格的樣件結構位置，減小分層厚度，增加層數，而其余區域保持原設定分層厚度不變，從而降低重要表面的臺階效應，確保Z 向高度以及細微結構的完整性。

　　4SLA 非原理性誤差的分析與控制

　　自適應分層工藝在一定程度上減小了SLA 的原理性誤差，但目前該工藝的應用還不是十分廣泛，只有某些快速成型機支持這種工藝。而樣件制作方向是一個十分重要的工藝參數，它對制作樣件的表面精度、支撐的數量、支撐的體積和制作時間都有重要影響。在實際加工過程中，應當結合樣件的結構及其支撐工藝，選擇合理的制作方向，從而保證樣件重要表面的精度，并減少后期清洗、去支撐和打磨等人為因素所帶來的非原理性誤差。

　　5 結論

　　光固化快速成型中三維模型的精度、分層固化制造原理、加工工藝過程以及后處理等因素都能夠影響到樣件的最終尺寸，造成誤差。工程技術人員需充分理解并掌握光固化快速成型的原理，并結合客戶的實際需求，才能制定出合理的工藝路線，避免形成誤差累加效應。

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