1、 PDF外文：http:/ 第 88 页 中文 5100 字 出处： Computers in Industry 56 (2005) 442456 附录 A： CAD/CAE/CAM 在提高快速成形系统 中的 综 合应用 &nb
2、sp;You-Min Huang , Hsiang-Yao Lan 摘要 立体打印是一种利用光敏聚合物为原材料制作产品原型的快速成形（ RP）技术。光敏聚合体快速成型工艺利用激光或别的光源选择性地烧结液态树脂。树脂吸收的能量产生光聚作用使液态树脂固化，加工过的部分在膨胀的同时会产生收缩。光聚合加工中被加工部分树脂的收缩和卷曲变形是这种快速成型技术精度 较低的主要原因，特别是当工 件 是中空的 时候 ，此时由于弯曲应力不能被补偿而会导致严重的弯曲变形。通常情况下，设计者会设计一个支撑来限制原型的更大的弯曲和变形。但是，当支撑从原型内移除的时候，原型的几何表面很容易被破坏 而变 形，所
3、以时间会有浪费。这项研究最初使用动 态 的有限元仿真编码模拟光 聚作用，测定工件外表面的扭曲变形以降低变形量。由此提出一个反向 变形 的 修正方法用于工件外表面的变形。人们制造了一种新的变形补偿 CAD 模型并把它载入快速成型机中用于实际原型工艺，以提高工艺的精度。最终，“ H-4”诊断单元成为检验此项实验 的原例。修正补偿后的仿真和试验结果被证明是正确的。 关键词 ：计算机辅助设计 ；立体印刷 ；快速成型 ；有限元法 ；卷曲变形 . 1.概述 工业竞争加速了快速成型系统的发展。快速成型系统的使用可以促进 R&D 和产品的市场投放。因此，减少工艺时
4、间和产品精度的提高推动和快速成型系统的发展。 在一套快速成型系统中，光源发送装置的光源可以是点光源（如激光或是发光二极管），也可以是线光源（如发光二极管阵列），或是分布在一定范围内的呈一定规则的光源。每一种光源都是为了满足设计者要求而制造的。这里用到的光源是数字光源处理器（ DLP）产生的区域光源。快速原型某一区域通过暴光凝固的原理是基于一项暴光和掩蔽工作，光源穿过暴光层直至光聚树脂层从而引起树脂的聚合凝固。所以，加工过程中加热是一致的，产品的尺寸是稳定的，生产率很高，这些因素都有益于降低产品的工艺时间。也正是这个原因，激光烧结是最为常用的快速成型系统之一。 &nbs
5、p; &nb
6、sp; 快速成型件精度较低的主要原因是在光聚过程中树脂的收缩现象。光源产生的自由基
7、促进光聚作用的发生，小分子（单体）组合成包含诸多小分子（单体）的大分子（聚合体） 1。键合作用是在一个小的容积内通过发热和硫化作用迅速提升 第 89 页 温度。加工过的部分随着放热作用膨胀，然后在树脂光聚作用凝固后温度降低时又产生收缩，达到
8、热平衡。 材料的收缩是原型建立过程中出错误的最直接的原因。因此，大量的研究都把精力放在注意和模拟材料的收缩问题。如 日本的奈良和其它城市等 2，建立实验设备来阐明光聚过程中凝固作用的基本动态性能。布哥达等 3发展了一套采用一个包含恒定杨氏模量和泊松比的线弹性模型的有限元程序来模拟 SL 树脂的结构行为。塔那卡等 4在研究光聚作用后的树脂性质的基础上发展出了一种新的动态树脂材料模型。 实体表面生产系统 (SGC)，由 Cubital 公司商业化。是典型的掩膜型立体打印机快速成型系统。 Huang 等开发了一个创新的快速成型系统，使用液晶显示器(LCD)，产生一动态掩膜来直
9、接实现相片膜的养护。 Murakami 等使用冷冻的铅版通过拉 制一特殊的溶胶凝胶转换光敏聚合物树脂形成掩膜样品。微型的快速成型系统代表近来发展的又一领域。基于掩膜的立体图形技术和光学部件已用来产生所需的分辨率。举例， Hatash 等使用薄膜晶体管液晶显示器产生一个掩膜样品且无迭片结构，构成光学镜头。 Huang 和 Jiang 使用动态有限元分析法来仿真立体图片，基于光聚合的动态性能。在构建过程中的许多研究集中在分析养护的影响。只有一些研究是改进弯曲变形，特别当构建的部分是空心的；这个弯曲度是非常明显的且不能通过弯曲压力补偿。 这个研究提出使用低成本的设备确认和证明的方法来改
10、进卷曲变形。首先，等式基于 DFEM 理论，在这运用于数字化仿真和与实际过程相协调的输入参数。然后，构件部分的变形就可以预测了。第二，反向变形补偿用来生成一个基于预变形的新的 CAD 模型。第三，新的 CAD 模型转变成立体图形文件。最后，新的 STL 文件发送到快速成型机来进行进一步的加工。因此，这个低成本的机器很大程度改进了零件的精度。仿真和实验的最终结果作了比较。图 1 展示了这个过程的流程图。 2.数字化分析 基于上述对掩摸立体图形系统的养护过程的参考和实验性观测，提出一个修正的数学模型。这是一个从液态到固态的相变过程 。证明所有的因素是曝光持续时间和光强的函数
11、。 2.1 动态有限元 法 Huang 和 Jiang 提出动态光聚固化模型。凝固树脂的特性是光强 I 与流逝时间t 的函数。未凝固的液体变的更加粘稠因为它吸收了凝固树脂所产生的热量。因为方便表达，在这篇文章中用应变增量 来代替应变力 。因此，这个树脂的变形有由下列元素组成。 = e+ T+ v+ + p (1) 其中 e代表弹性应变力率， v代表粘性应变率，它是时间的函数。所以它能表示为 （ t） ；粘性压力 （ t） 是时间 t 的 函 数。 T是热应变率，能够表示
12、 第 90 页 为 ； 是由凝固收缩引起的应变， p是塑胶应变率，在光聚过程中塑性应变很小且能被忽略。在这种情况里， 等于 De , 等于 Bu，代入上面的关系和 vBTdV 到等式（ 1），产生了下面的等式： vBTDe Bu BT BT（ 3K） +(I) dV=0 (2) 因此，立体图形工艺
13、的动态有限元分析中构建的公式能表 示为： K u f=0 (3) 这里 K= vBTDe B dV (4) f= vBT +BT（ 3K） +(I) dV (5) 在上面的公式当中， K是刚度矩阵； u是节替代增量； f是有效节点力的增量； B代表应变率 -速率矩阵； BT是转置矩阵； De是压力应变矩阵； V 是作用区的体积； 是节点粘性压力且是时间的函数； k 是体积系数； 是线性膨胀系数； T 是温度增量， (I)作为与凝固收缩相关的应变，是光强 I 与流逝时间 t的函数 . 2.2 掩膜型样机的能量分配 当光穿过掩膜到树脂表面时，在表面上能量扩散的分布状态和 均匀性影响固化层的厚度。因此，穿过掩膜的光的能量和投射到树脂表面的能量必须使用一个数学模型来计算决定掩膜的能量。边长为 a 的正方形作为例子，光源能量的强度是 I0.正方形掩膜中心点定义为 x=0 和 y=0，带有示意 图 2 中所描述的能量。在光穿过掩膜后，在正方形外形轮廓上任意一点的强度由以下公式给出： Id=1/4I0(Cx2Cy2+ Cx2 Sy2+ Sx2 Cy2+ Sx2 Sy2) (6) 相关的系数， C 和 S,如下定义： 这里
