光固化快速成型件的尺寸误差问题论文

光固化快速成型件的尺寸误差问题论文

　　1 前言

　　光固化快速成型技术(Stereo Lithgraphy Apparatus) 简称SLA，为最早得到广泛应用的一种快速成型技术，它和其他几种快速成型技术(叠层轮廓法、熔融沉积法和激光粉末烧结法)相比，具有成型精度高、表面质量好以及原材料利用率高等突出的优点。但光固化快速成型技术对温度、振动、光照和湿度等加工环境的要求十分严格， 且光固化机器设备所用原材料成本较高，若未对其生产工艺过程加以控制， 很容易造成样件的尺寸误差，从而导致废品产生，造成企业生产成本的提高和时间的损失。

　　2SLA 样件尺寸误差类型

　　通过得到的最终样件尺寸和样件图纸尺寸之间的差异称为误差。从光固化快速成型误差性质来分类，可分为原理性误差和非原理性误差。在SLA 工艺过程中，STL 三维数据的转换、软件的分层处理所带来的误差属于原理性误差，这些误差是光固化快速成型的原理所决定的，因此原理性误差无法消除，只能减小;而三维模型的成型方向的设置工艺和样件的后期处理工艺所造成的误差属于非原理性误差，这些误差不受光固化快速成型原理的影响，相对原理性误差来说，非原理性误差主要受人为因素的干扰。经过工艺改进，可以减小或消除非原理性误差。

　　3SLA 的原理性误差的分析与控制

　　3.1STL 三维数据的转换误差

　　在快速成形行业中，STL 格式文件已经成为数据交换的事实标准。STL 数据是由一系列三角面片所构成的网格结构所组成，这些三角面片按照如下规则形成STL 数据：

　　1)任意一个三角形面片的顶点均不能在其他任何一个三角形面片的边上;2)三维模型的表面必须布满三角形，不允许出现孔、洞等现象;3)各个三角形面片的顶点坐标必须是正值;4)若三角形面片具有公共的顶点，则该顶点的坐标值将会被记录多次。CAD软件绘制的三维模型在转换成STL 三维数据时，如果模型的几何结构全部由平面所组成，则没有误差产生，但是一旦模型具有曲面结构，将不可避免的产生误差。

　　3.2 分层处理误差

　　分层处理即SLA中的数据离散工艺过程，减小分层的厚度可以减小误差， 但由于SLA 原理决定了分层厚度不可能为零，因此分层处理导致的误差只能尽可能的缩小，并不能避免。分层处理所带来的原理性误差体现在样件上主要有三点：台阶效应、叠层堆积方向(Z 方向)高度误差和细微结构缺失。

　　3.2.1 台阶效应

　　经成型方向的工艺设置调整，仍无法保证样件的表面和叠层堆积方向(Z 方向)平行或垂直，样件表面将会产生类似于台阶一样的结构，造成台阶效应这种原理性的误差，这种误差也是SLA 工艺中最为常见的误差现象。

　　3.2.2 Z 方向高度误差

　　当样件的Z 方向高度和分层厚度之商非分层厚度的整数倍时，将产生Z 方向高度误差。目前SLA 快速成型设备的分层厚度一般为0.1mm，最小可达0.025mm，可通过设置软件参数，在一定范围内对分层厚度进行调整。例如，某样件本体Z 方向高度值为30.27mm，分层厚度设定为0.1，样件本体被分成303 层，成型的样件本体实际Z 方向高度值为30.3mm，误差为0.03mm。

　　3.2.3 细微结构缺失

　　细微结构缺失现象和分层厚度的关系十分密切，一旦样件的细微结构的尺寸小于分层厚度， 将无法做出该结构正确的形状，对于大于分层厚度的样件细微结构的缺失则常发生在层的中间位置上，因为三维模型在进行分层处理时，保证细微结构的起始或结束位置恰好位于层与层之间的分层线处将十分困难，由此带来了细微结构缺失现象，导致误差的产生。

　　3.3 SLA 原理性误差的控制

　　针对STL 三维数据转换时产生的误差， 可采取减小弦高值，用更多的三角面片无限的逼近CAD 三维模型。三角面片数量越多，STL 三维数据和CAD 三维模型就越接近， 但过多的三角面片数量会带来数据的冗余，增加计算机处理的负担，降低了生产效率，需根据实际需求合理设定相应的弦高值。在数据分层处理过程中，引入自适应分层工艺，在重要的表面区域或Z 向要求较为严格的样件结构位置，减小分层厚度，增加层数，而其余区域保持原设定分层厚度不变，从而降低重要表面的台阶效应，确保Z 向高度以及细微结构的完整性。

　　4SLA 非原理性误差的分析与控制

　　自适应分层工艺在一定程度上减小了SLA 的原理性误差，但目前该工艺的应用还不是十分广泛，只有某些快速成型机支持这种工艺。而样件制作方向是一个十分重要的工艺参数，它对制作样件的表面精度、支撑的数量、支撑的体积和制作时间都有重要影响。在实际加工过程中，应当结合样件的结构及其支撑工艺，选择合理的制作方向，从而保证样件重要表面的精度，并减少后期清洗、去支撑和打磨等人为因素所带来的非原理性误差。

　　5 结论

　　光固化快速成型中三维模型的精度、分层固化制造原理、加工工艺过程以及后处理等因素都能够影响到样件的最终尺寸，造成误差。工程技术人员需充分理解并掌握光固化快速成型的原理，并结合客户的实际需求，才能制定出合理的工艺路线，避免形成误差累加效应。

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