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第28卷第12期 實(shí)驗(yàn)室研究與探索 V01．28 No．12 2009年12月 RESEARCH AND EXPLORATl0N IN LABORATORY Dec．2009 基于破損零件逆向設(shè)計(jì)的快速成型及質(zhì)量分析 許耀東， 曹志鴻 (上海工程技術(shù)大學(xué)，上海200437) 摘 要：對(duì)漏油嘴零件的實(shí)際測(cè)量和在UG中的建模，實(shí)現(xiàn)破損漏油嘴原型復(fù)原的逆向設(shè)計(jì)。通過(guò)UG 導(dǎo)出的STL模型，及Catalyst軟件的分層處理，實(shí)現(xiàn)零件的快速成型制作。為證實(shí)原型件可以與原零件 互換使用的可能性，分別從尺寸精度、強(qiáng)度和表面質(zhì)量進(jìn)行了分析。通過(guò)ABS絲材收縮率補(bǔ)償后快速 成型，及STL面片模型的分析，得到原型件存在的收縮誤差和原理性誤差。應(yīng)用堆積機(jī)理說(shuō)明原型件 強(qiáng)度取決于絲材的粘接強(qiáng)度，而小于絲材本身強(qiáng)度的特點(diǎn)。分析了絲材粘結(jié)層最小厚度及路徑寬度的 限制對(duì)成型表面質(zhì)量的影響。通過(guò)最終分析得出原型件在強(qiáng)度或表面質(zhì)量要求不高的情況下，如漏油 嘴，可以與原零件互換使用；要求較高，則只能作為原型展示。 關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì)；ABS塑料；STL模型；快速成型；堆積機(jī)理；原型質(zhì)量 中圖分類號(hào)：TB 476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7167(2009)12—0043—04 Fast Prototype and Quality Analysis Based on Reverse—Design of Broken Parts XU Yao—dD增， CAO Zhi—k昭 (Shanghai University of．Engineering Science，Shanghai 200437，China) Abstract：Reverse design of a broken oil filler part was implemented through measuring and UG modeling．Exporting STL file from UG and layered process with Catalyst software can create a fast prototype part．Dimensional precision， strength and surface roughness were analyzed to prove the feasibility of prototype part in place of original part．With肌 analysis of compensation of ABS shrinkage rate to FP and STL facet model，the shrinkage errors and principle errors were got．Fused deposited mechanism was used to prove the prototype part strength in linkage with fused material adhering strength below the material strength．Surface quality was analyzed to be restricted by the fused material adhering layer’S minimum thickness and minimum fused path width．Finally，a conclusion was got that the prototype part can be used in一 ．stead of the original part on the condition of low demand of strength and surface roughness，like the filler oil part and only be used to display as a model on the contrary． Key words：reverse—design；acrylonitrile—butadine—styrene copolymer(ABS)；STL model；fast prototype；deposit mechanism；prototype quality 1 引 言 逆向工程是采用對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行數(shù)字化采樣測(cè) 量，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重建實(shí) 物的CAD數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過(guò) 收稿日期：2009—03—18 作者簡(jiǎn)介：許耀東(1978一)，男。山東高密人，硬士，助教，現(xiàn)主要從 事現(xiàn)代制造與檢測(cè)技術(shù)研究。 Tel．：021-65421020；E·marl：sodarbiseuit@163．com 程。逆向工程可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改形或仿形設(shè)計(jì)，也可 以對(duì)損壞或磨損的零件進(jìn)行還原，再現(xiàn)原產(chǎn)品設(shè) 計(jì)…。 快速成型技術(shù)是在21世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái) 的直接根據(jù)CAD模型生產(chǎn)樣件或零件的技術(shù)的總稱， 它被稱為現(xiàn)代制造技術(shù)的又一次革命。它集成了 CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和材料技術(shù)等多種現(xiàn) 代科技成果?？焖俪尚椭圃斓幕驹硎歉鶕?jù)三維 CAD模型對(duì)其進(jìn)行分層切片，從而得到各層截面的輪 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn) 室研究 與 探索 第28卷 廓，用計(jì)算機(jī)控制激光束固化一層層的液態(tài)光敏樹(shù)脂， 或利用某種熱源有選擇地噴射出一層層熱熔材料，形 成各截面不同并逐步疊加而成的三維產(chǎn)品K o。 逆向工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合，可組成一個(gè)產(chǎn) 品設(shè)計(jì)、原型或小批量制造、檢測(cè)及設(shè)計(jì)修改的閉環(huán)系 統(tǒng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代，能高效率的完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)． 突破了制造監(jiān)的傳統(tǒng)模式，為快速設(shè)計(jì)和快速制造提 供了關(guān)鍵技術(shù)支持舊-。本文結(jié)合現(xiàn)階段的快速成型 技術(shù)的發(fā)展，對(duì)原型件能否打破傳統(tǒng)的只作為模型展 示，到能夠替代原始零件使用，及原型件的質(zhì)量評(píng)價(jià)通 過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。 2零件的逆向工程設(shè)計(jì) 根據(jù)逆向工程思維，可以對(duì)破損零件進(jìn)行逆向設(shè) 計(jì)，利用一些非專業(yè)的逆向設(shè)計(jì)軟件(如：UG、Pro／E、 CATIA等)和一些專業(yè)的逆向設(shè)計(jì)軟件(如：Surfacer、 CopyCAD、Trace等)進(jìn)行產(chǎn)品的逆向造型H。。本文首 先對(duì)破損的漏油嘴進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)UG建模進(jìn)行 實(shí)物造型的還原設(shè)計(jì)。 2．1零件的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)中采用的是油煙機(jī)的一個(gè)漏油嘴，零件如圖 1所示，圖中顯示零件有破損和裂縫。對(duì)漏油嘴零件 進(jìn)行測(cè)量，并將破損處進(jìn)行還原，測(cè)量得到剖面尺寸如 圖2所示。 圖l漏油嘴實(shí)物幽 口10．5 圖2漏油嘴剖面尺寸圖 2．2 UG建模 根據(jù)漏油嘴零件的實(shí)測(cè)尺寸，在UG中進(jìn)行實(shí)體 建?！?，將視圖中的WC$坐標(biāo)，移到建模零件的尺寸邊 界，使零件中不會(huì)出現(xiàn)負(fù)坐標(biāo)，如圖3所示。 圖3漏油嘴的UG建模 將UG的文件導(dǎo)出為STL文件，如圖4所示。將 STL文件導(dǎo)入到快速成型的處理軟件Catalyst中，如圖 5所示，會(huì)顯示出一個(gè)三維面片模型，如圖6所示。面 片模型是對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片后得到的數(shù)據(jù)格 式，在每層上用折線代替CAD模型中的曲線。執(zhí)行 Process STL命令可以生成快速成型分層的“之”字形 臺(tái)階軌跡，軌跡圖顯示了程序控制的噴頭噴涂過(guò)程中 運(yùn)行的軌跡，如圖7所示。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第12期 許耀東，等：基于破損零件逆向設(shè)計(jì)的快速成型及質(zhì)量分析 45 3零件的快速堆積成型 3．1快速成型機(jī)及材料 快速成型機(jī)使用的是美國(guó)Dimension公司出品 的，型號(hào)為SSTl200，可水溶去除支撐的快速成型機(jī)。 正常工作時(shí)，成型機(jī)噴頭加熱溫度在270—300 oC，成 形室環(huán)境溫度t=70℃，噴嘴直徑為d。=0．254 mm。 材料用的是ABS．P400，由Stratasys公司開(kāi)發(fā)的一 種材料¨1。這種材料軟化熔融區(qū)間在105—290℃，線 性收縮率在0．3％一0．5％，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性能 好，強(qiáng)度高，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，部分原型可以作為 功能零件使用。ABS—P400絲材通常由90％一99％的 ABS樹(shù)脂，0～2％的礦物油和0—2％的石蠟3種組分 均勻混合而成¨。。一般情況下，ABS．P400絲材在常溫 下的彈性模量E=2．23 GPa，剪切模量G=833 MPa， 泊松比l，=0．34。當(dāng)溫度從50℃變化到270℃時(shí)，材 料的導(dǎo)熱系數(shù)，c=0．155—0．195 W／(m·℃)，比熱容 為1．4～2．4 kJ／(kg·℃)。 3．2快速堆積成型機(jī)理 原型堆積時(shí)，絲材間粘結(jié)是靠剛擠出的高溫絲材 所攜帶的熱能和表面勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的。在快速堆積成型 (FDM)工藝中，絲材從噴嘴擠出，沿著規(guī)劃的路徑進(jìn) 行堆積時(shí)，由于其高溫會(huì)使鄰近絲材的溫度迅速提升 到玻璃化溫度以上，接觸界面首先發(fā)生軟化浸潤(rùn)。隨 著接觸界面的消失，絲材間的分子發(fā)生相互擴(kuò)散，通常 不定型熱塑性聚合物分子發(fā)生跨界面的有效熱擴(kuò)散溫 度高于該聚合物的玻璃化溫度。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的有效 擴(kuò)散后，將達(dá)到界面間分子的完全浸潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)并最終建 立起絲材之間的熱驅(qū)動(dòng)粘結(jié)。粘結(jié)界面溫度越高，有 效擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，界面的粘結(jié)強(qiáng)度就 越高。但由于這種粘結(jié)是建立在界面分子的不充分?jǐn)U 散(不是有機(jī)大分子的擴(kuò)散，而是分子片段間的擴(kuò)散 連接)基礎(chǔ)上，所以絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度比絲材的強(qiáng)度 要低。為了獲得較高的粘結(jié)強(qiáng)度，就需要最大限度的 延長(zhǎng)擴(kuò)散粘結(jié)的時(shí)間，同時(shí)考慮到原型有好的形狀質(zhì) 量和表面質(zhì)量，防止絲材在堆積時(shí)發(fā)生尺寸變形，就需 要堆積的絲材能夠迅速固化哺1。所以成形機(jī)需選擇 合適的擠出溫度和環(huán)境溫度，來(lái)綜合權(quán)衡考慮絲材的 粘結(jié)強(qiáng)度和表面質(zhì)量。 4成型零件的質(zhì)量分析 4．1快速成型材料熱特性對(duì)成型精度的影響 由于是用ABS-P400塑料進(jìn)行的制作，從噴頭絲 材的熔融堆積，到絲材的冷卻固化，最后從快速成型機(jī) 取出，存在環(huán)境的溫差。已知ABS—P400材料的收縮 率為0．3％～0．5％【9]，這樣它會(huì)造成尺寸誤差。如表 1所示，對(duì)于零件橫截面尺寸10．5 mm和高度尺寸lO mm，分別產(chǎn)生0．14 mill和0．04 mm的誤差，橫截面相 對(duì)誤差約為1．3％，高度相對(duì)誤差為0．4％。為了消除 這部分誤差，將原實(shí)物UG模型放大1．005倍，再進(jìn)行 STL轉(zhuǎn)換并快速成型，發(fā)現(xiàn)原型的尺寸仍然存在誤差， 如表1所示，對(duì)于10．5 mm和10 mm的尺寸，產(chǎn)生0．1 mm和0．02 mm的誤差。說(shuō)明除了材料收縮率外還有 其他的因素影響原型的尺寸精度。 表l 收縮率調(diào)整前后原型尺寸測(cè)量結(jié)果 mm 4．2快速成型原理性誤差 由于快速成型制作原型時(shí)，需要進(jìn)行文件由三維 CAD模型向STL格式的轉(zhuǎn)換，而STL文件信息描述方 式和分層制造產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)是快速成形技術(shù)的原理 性誤差。如圖8所示為一球狀物體的STL模型。STL 模型是物體原始CAD模型的近似表達(dá)¨01，三角面片 的數(shù)量越多，STL模型就越逼近原始CAD模型。 ⑨ 圖8球體的STL模型 三角化就是用許多無(wú)序的小三角面片來(lái)近似 CAD模型的表面輪廓，如圖8所示，這種近似表達(dá)降 低了原型制造的表面精度。由于RP(Rapid Prototype) 分層制造的原理，原型是由一系列沿制作方向的層片 堆積而成，因此產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)造成堆積原型的表面 與CAD模型的表面輪廓不一致，最終的原型輪廓只是 原始CAD模型的臺(tái)階狀近似，如圖9所示。 ／| 卜 ／1 八 刃 h I I 卜 一 卜 ／| 卜／l r、、一—一一1 圖9球體分層的臺(tái)階效應(yīng) 4．3堆積機(jī)理對(duì)成型強(qiáng)度及表面質(zhì)量的影響 ABS—P400的成形材料是通過(guò)對(duì)熔融絲材“肩并 肩”并行堆積疊加而成的原型，原型靠絲層問(wèn)的粘結(jié) 力粘結(jié)產(chǎn)生的，所以零件的強(qiáng)度取決于粘結(jié)力的大小 而不是材料的強(qiáng)度。零件在沿堆積絲材軸線方向的強(qiáng) 度約為31 MPa，而在垂直于絲材軸線方向的橫向薄弱 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 實(shí) 驗(yàn)室研究 與 探 索 第28卷 部位，絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度僅為5 MPa，采用ABS熔融絲 材層間疊加堆積而成的原型強(qiáng)度只有使用同種材料注 塑而成的原型強(qiáng)度的60％一80％ott]。削弱原型強(qiáng)度 的微觀原因主要是原型內(nèi)的空隙和絲材間薄弱的粘結(jié) 部分，原型內(nèi)部的空隙減小了力作用方向的承載面積， 并伴有應(yīng)力集中和剪切裂紋等不利因素；而靠熔融熱 擴(kuò)散粘結(jié)在一起的絲材，絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度包括其抗 剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度都小于堆積絲材本身的強(qiáng)度。 因此，若要提高熔融堆積原型的機(jī)械力學(xué)性能就必須 降低原型的空隙率和提高層與層之間以及各層內(nèi)絲材 間的粘結(jié)質(zhì)量。所以快速堆積成型零件一般具有較低 的強(qiáng)度，并且由于快速成型的材料價(jià)格較高，成型精度 不夠，通常只用于外觀造型，而不進(jìn)行互換使用¨…。 由于本例漏油嘴要求的強(qiáng)度不高，而且并非大批量生 產(chǎn)，所以可以通過(guò)快速原型件替代原始零件使用。 其次對(duì)快速原型的表面質(zhì)量進(jìn)行分析，由于堆積 層的層間厚度為0．254 mm，堆積時(shí)的路徑寬度是 0．508 mm 013 J，如圖10所示。這不可避免的會(huì)產(chǎn)生一 些微小的堆積間隙，所以影響了成型零件的表面粗糙 度。目前還沒(méi)有針對(duì)RP工藝特點(diǎn)統(tǒng)一的描述方法， 只有借鑒傳統(tǒng)用于對(duì)機(jī)加工零件進(jìn)行表面精度評(píng)價(jià)的 指標(biāo)。使用表面粗糙度來(lái)衡量FDM原型件的表面微 觀精度，仍采用其常用的評(píng)定方法——輪廓算術(shù)平均 偏差置。對(duì)熔融堆積原型件進(jìn)行表面精度分析。通過(guò) 對(duì)漏油嘴原型的觀察，一般成型零件的表面能看到堆 積紋路，如圖1l所示。成型零件的粗糙度R。接近6．3 itm(對(duì)應(yīng)光潔度V4)，比對(duì)粗糙度樣板如圖12所示。 5結(jié) 論 圖12粗糙度樣板比對(duì) (1)快速堆積成型的零件受ABS材料收縮率以 及快速成型原理性誤差等因素的影響，導(dǎo)致快速原型 件的尺寸存在一定的誤差。試驗(yàn)得出原型橫截面的相 對(duì)誤差約為1．3％，高度相對(duì)誤差較小。 (2)快速堆積的粘結(jié)機(jī)理影響了零件的強(qiáng)度，使 快速原型件強(qiáng)度取決于絲材的粘接強(qiáng)度，而小于絲材 本身的強(qiáng)度。同時(shí)絲材粘結(jié)層最小厚度及路徑寬度的 限制也導(dǎo)致了零件粗糙度的等級(jí)不是很高，通常R．一 6．3斗m。 (3)通過(guò)對(duì)零件逆向設(shè)計(jì)和快速成型可以做到零 件的外型展示，若零件強(qiáng)度要求不高，如漏油嘴，可以 將快速原型件與原零件互換使用。若強(qiáng)度要求嚴(yán)格則 不能與原零件互換使用。 參考文獻(xiàn)I Referellces)： [1]王曉飛，吳蓓蓓．基于逆向工程的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)[C]／f2007國(guó)際 工業(yè)設(shè)計(jì)研討會(huì)暨第12屆全國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文正綰． 2007(12)：270-272． 【2] 王明輝，宋家旺，趙毅．反求工程與連桿的快速成形【】]．中國(guó) 機(jī)械工程，2006(10)：230-233． [3] “L，Schemenauer N，Peng X．A I℃vellle engineering system for rapid manufacturing of complex objects[J]．Robotics and Computer Interg- rated Manufacturing，2002，18：53-67． [4]周耀新，王宏濤，劉巧云．逆向工程技術(shù)概論[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)， 2005，22：3-4． [5] 李澤峰．UG逆向技術(shù)的方法應(yīng)用[c]／／中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)制造 年會(huì)．2005：43-45． [6]Grimm T．User’s guide to rapid prototyping[M]．Dearbom：Mich Society of Manufacturing Engineering，2004． [7]Perez C J．Analysis of the surface roughness and 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