購買設(shè)計請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預(yù)覽，，資料完整，充值下載就能得到。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖，doc,docx為WORD文檔，有不明白之處，可咨詢Q:1304139763
第28卷第12期 實驗室研究與探索 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 對漏油嘴零件的實際測量和在UG中的建模 實現(xiàn)破損漏油嘴原型復(fù)原的逆向設(shè)計 通過UG 導(dǎo)出的STL模型 及Catalyst軟件的分層處理 實現(xiàn)零件的快速成型制作 為證實原型件可以與原零件 互換使用的可能性 分別從尺寸精度 強度和表面質(zhì)量進行了分析 通過ABS絲材收縮率補償后快速 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)用堆積機理說明原型件 強度取決于絲材的粘接強度 而小于絲材本身強度的特點 分析了絲材粘結(jié)層最小厚度及路徑寬度的 限制對成型表面質(zhì)量的影響 通過最終分析得出原型件在強度或表面質(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 ABS塑料 STL模型 快速成型 堆積機理 原型質(zhì)量 中圖分類號 TB 476 文獻標識碼 A 文章編號 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 逆向工程是采用對實物或模型進行數(shù)字化采樣測 量 然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實 物的CAD數(shù)字模型 從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造的過 收稿日期 2009 03 18 作者簡介 許耀東 1978一 男 山東高密人 硬士 助教 現(xiàn)主要從 事現(xiàn)代制造與檢測技術(shù)研究 Tel 021 65421020 E marl sodarbiseuit 163 com 程 逆向工程可以實現(xiàn)產(chǎn)品的改形或仿形設(shè)計 也可 以對損壞或磨損的零件進行還原 再現(xiàn)原產(chǎn)品設(shè) 計 快速成型技術(shù)是在21世紀80年代末期發(fā)展起來 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 快速成型制造的基本原理是根據(jù)三維 CAD模型對其進行分層切片 從而得到各層截面的輪 萬方數(shù)據(jù) 實驗 室研究 與 探索 第28卷 廓 用計算機控制激光束固化一層層的液態(tài)光敏樹脂 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 可組成一個產(chǎn) 品設(shè)計 原型或小批量制造 檢測及設(shè)計修改的閉環(huán)系 統(tǒng) 經(jīng)過反復(fù)迭代 能高效率的完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計 突破了制造監(jiān)的傳統(tǒng)模式 為快速設(shè)計和快速制造提 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)量評價通 過實驗進行了研究 2零件的逆向工程設(shè)計 根據(jù)逆向工程思維 可以對破損零件進行逆向設(shè) 計 利用一些非專業(yè)的逆向設(shè)計軟件 如 UG Pro E CATIA等 和一些專業(yè)的逆向設(shè)計軟件 如 Surfacer CopyCAD Trace等 進行產(chǎn)品的逆向造型H 本文首 先對破損的漏油嘴進行測量 然后通過UG建模進行 實物造型的還原設(shè)計 2 1零件的測量 實驗中采用的是油煙機的一個漏油嘴 零件如圖 1所示 圖中顯示零件有破損和裂縫 對漏油嘴零件 進行測量 并將破損處進行還原 測量得到剖面尺寸如 圖2所示 圖l漏油嘴實物幽 口10 5 圖2漏油嘴剖面尺寸圖 2 2 UG建模 根據(jù)漏油嘴零件的實測尺寸 在UG中進行實體 建模 將視圖中的WC 坐標 移到建模零件的尺寸邊 界 使零件中不會出現(xiàn)負坐標 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 會顯示出一個三維面片模型 如圖6所示 面 片模型是對三維CAD模型進行切片后得到的數(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 臺階軌跡 軌跡圖顯示了程序控制的噴頭噴涂過程中 運行的軌跡 如圖7所示 萬方數(shù)據(jù) 第12期 許耀東 等 基于破損零件逆向設(shè)計的快速成型及質(zhì)量分析 45 3零件的快速堆積成型 3 1快速成型機及材料 快速成型機使用的是美國Dimension公司出品 的 型號為SSTl200 可水溶去除支撐的快速成型機 正常工作時 成型機噴頭加熱溫度在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 強度高 根據(jù)不同的應(yīng)用場合 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 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快速堆積成型機理 原型堆積時 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能驅(qū)動的 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 行堆積時 由于其高溫會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 隨 著接觸界面的消失 絲材間的分子發(fā)生相互擴散 通常 不定型熱塑性聚合物分子發(fā)生跨界面的有效熱擴散溫 度高于該聚合物的玻璃化溫度 經(jīng)過一定時間的有效 擴散后 將達到界面間分子的完全浸潤 實現(xiàn)并最終建 立起絲材之間的熱驅(qū)動粘結(jié) 粘結(jié)界面溫度越高 有 效擴散時間越長 分子運動越劇烈 界面的粘結(jié)強度就 越高 但由于這種粘結(jié)是建立在界面分子的不充分擴 散 不是有機大分子的擴散 而是分子片段間的擴散 連接 基礎(chǔ)上 所以絲材間的粘結(jié)強度比絲材的強度 要低 為了獲得較高的粘結(jié)強度 就需要最大限度的 延長擴散粘結(jié)的時間 同時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 所以成形機需選擇 合適的擠出溫度和環(huán)境溫度 來綜合權(quán)衡考慮絲材的 粘結(jié)強度和表面質(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成型精度的影響 由于是用ABS P400塑料進行的制作 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 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 這樣它會造成尺寸誤差 如表 1所示 對于零件橫截面尺寸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 對誤差約為1 3 高度相對誤差為0 4 為了消除 這部分誤差 將原實物UG模型放大1 005倍 再進行 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 對于10 5 mm和10 mm的尺寸 產(chǎn)生0 1 mm和0 02 mm的誤差 說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 需要進行文件由三維 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 01 三角面片 的數(shù)量越多 STL模型就越逼近原始CAD模型 圖8球體的STL模型 三角化就是用許多無序的小三角面片來近似 CAD模型的表面輪廓 如圖8所示 這種近似表達降 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球體分層的臺階效應(yīng) 4 3堆積機理對成型強度及表面質(zhì)量的影響 ABS P400的成形材料是通過對熔融絲材 肩并 肩 并行堆積疊加而成的原型 原型靠絲層問的粘結(jié) 力粘結(jié)產(chǎn)生的 所以零件的強度取決于粘結(jié)力的大小 而不是材料的強度 零件在沿堆積絲材軸線方向的強 度約為31 MPa 而在垂直于絲材軸線方向的橫向薄弱 萬方數(shù)據(jù) 實 驗室研究 與 探 索 第28卷 部位 絲材間的粘結(jié)強度僅為5 MPa 采用ABS熔融絲 材層間疊加堆積而成的原型強度只有使用同種材料注 塑而成的原型強度的60 一80 ott 削弱原型強度 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 擴散粘結(jié)在一起的絲材 絲材間的粘結(jié)強度包括其抗 剪切強度和抗拉伸強度都小于堆積絲材本身的強度 因此 若要提高熔融堆積原型的機械力學(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 的強度 并且由于快速成型的材料價格較高 成型精度 不夠 通常只用于外觀造型 而不進行互換使用 由于本例漏油嘴要求的強度不高 而且并非大批量生 產(chǎn) 所以可以通過快速原型件替代原始零件使用 其次對快速原型的表面質(zhì)量進行分析 由于堆積 層的層間厚度為0 254 mm 堆積時的路徑寬度是 0 508 mm 013 J 如圖10所示 這不可避免的會產(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 目前還沒有針對RP工藝特點統(tǒng)一的描述方法 只有借鑒傳統(tǒng)用于對機加工零件進行表面精度評價的 指標 使用表面粗糙度來衡量FDM原型件的表面微 觀精度 仍采用其常用的評定方法 輪廓算術(shù)平均 偏差置 對熔融堆積原型件進行表面精度分析 通過 對漏油嘴原型的觀察 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 對應(yīng)光潔度V4 比對粗糙度樣板如圖12所示 5結(jié) 論 圖12粗糙度樣板比對 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 試驗得出原型橫截面的相 對誤差約為1 3 高度相對誤差較小 2 快速堆積的粘結(jié)機理影響了零件的強度 使 快速原型件強度取決于絲材的粘接強度 而小于絲材 本身的強度 同時絲材粘結(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不是很高 通常R 一 6 3斗m 3 通過對零件逆向設(shè)計和快速成型可以做到零 件的外型展示 若零件強度要求不高 如漏油嘴 可以 將快速原型件與原零件互換使用 若強度要求嚴格則 不能與原零件互換使用 參考文獻I Referellces 1 王曉飛 吳蓓蓓 基于逆向工程的產(chǎn)品外觀設(shè)計 C f2007國際 工業(yè)設(shè)計研討會暨第12屆全國工業(yè)設(shè)計學(xué)術(shù)年會論文正綰 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 機械工程 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 機械設(shè)計 2005 22 3 4 5 李澤峰 UG逆向技術(shù)的方法應(yīng)用 c 中國汽車工程學(xué)會制造 年會 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 dimensional aecura cy capability of fused deposition modeling process J International Joumal of Production Research 2002 40 12 2865 288I 8 王天明 基于顆粒體熔融堆積的高速擠出裝置及快速成型工藝 理論研究 D 上海 上海交通大學(xué) 2006 9 Eden P FDM investment significantly cuts costs J Medical Design Technology 2000 4 8 14 10 Ashwin H Amit B Modeling ofmultiple pore ceramicmaterialsfabri emed via fused deposition process J Scripts Materiaiia 2000 42 6 581 588 1i Grimm TA Fund depositionmodeling atechnology evaluation EB eL http www atirapid corn 12 晁永生 樊軍 逆向工程與快速成型一體化應(yīng)用研究 J 機床 與液壓 2008 4 279 281 13 Stratasys Ins Dimension tralning EB OL 2008 http www di mensionpdnting com 萬方數(shù)據(jù) 基于破損零件逆向設(shè)計的快速成型及質(zhì)量分析 作者 許耀東 曹志鴻 XU Yao dong CAO Zhi hong 作者單位 上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 200437 刊名 實驗室研究與探索 英文刊名 RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY 年 卷 期 2009 28 12 被引用次數(shù) 0次 參考文獻 13條 1 王曉飛 吳蓓蓓 基于逆向工程的產(chǎn)品外觀設(shè)計 2007 2 王明輝 宋家旺 趙毅 反求工程與連桿的快速成形 2006 10 3 Li L Schemenauer N Peng X A reverse engineering system for rapid manufacturing of complex objects 2002 4 逆向工程技術(shù)概論 期刊論文 機械設(shè)計 2005 z1 5 李澤峰 UG逆向技術(shù)的方法應(yīng)用 2005 6 Grimm T User s guide to rapid prototyping 2004 7 Perez C J Analysis of the surface roughness and dimensional accuracy capability of fused deposition modeling process 2002 12 8 王天明 基于顆粒體熔融堆積的高速擠出裝置及快速成型工藝理論研究 2006 9 Eden P FDM investment significantly cuts costs 2000 8 10 Ashwin H Amit B Modeling of multiple pore ceramic materials fabricated via fused deposition process 2000 6 11 Grimm T A Fused deposition modeling a technology evaluation 12 晁永生 樊軍 孫文磊 申曉萍 逆向工程與快速成型一體化應(yīng)用研究 期刊論文 機床與液壓 2008 4 13 Stratasys Inc Dimension training 2008 本文鏈接 授權(quán)使用 黑龍江工程學(xué)院 hljgcxy 授權(quán)號 32be6d54 ec35 4d9e b5c7 9e9c00c71619 下載時間 2011年3月4日