面曝光快速成形技术的变形研究

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随着现代工业技术的发展和计算机应用水平的提高,微型机械的发展取得了很大的突破,它是一个集合了机械技术和计算机技术的综合性学科。微型机械具有效率高、体积小、耗能少、性能高等突出的优点,并因此广泛应用于各个工业领域中,具有广阔的发展前景。目前,面向微小结构制作的光固化快速成形技术在世界范围内已成了研究和开发的热点。面曝光快速成形技术作为光固化快速成形技术中的一种,是微型机械制造领域中应用较为广泛的新型光固化技术。变形问题是光固化快速成形技术(SL)中必然存在的问题,也是一个急需解决的难题。变形问题严重制约了光固化快速成形技术(SL)的发展,不仅影响了零件的精度、外观质量、装配以及使用性能,而且使成形过程难以控制,甚至使零件制作失败,所以要尽量避免变形的发生。为了更好的满足客户的需求,减小变形,提高成形零件的制作精度,本文对于面曝光快速成形技术中的变形问题做了系统的研究。首先,文中论述了面曝光快速成形技术中层层累积的成形原理,从理论上对面曝光快速成形技术的变形机理进行了研究,并详细分析了收缩中心理论和收缩应力。在对面曝光快速成形技术中的变形机理进行理论分析的基础上,建立了用于理论分析的数学模型,构建了小挠度温度应力弯曲微分方程,得出变形(挠度g)与层数n、温差T和位置尺寸x和y等参数间的定量关系式。另外,使用MATLAB软件拟合了挠度方程g(x,y)的数学模型。其次,结合面曝光快速成形系统的制作条件,使用ANSYS仿真软件中“生死单元”的方法模拟了零件曝光固化后的收缩变形情况。在模拟过程中,通过软件的前处理(PREP7)、求解(Solution)和后处理(POST1、POST26)阶段对变形进行仿真模拟,获得了一系列模拟数据。利用Excel处理模拟数据,拟合出各个变形影响因素与变形量之间的关系曲线。使用控制变量法对变形与主要影响因素之间的关系进行了分析研究,发现层数越多,产生的变形越少,变形主要发生在最初的若干层。另外,温差越小,离收缩中心越近,产生的变形越小。然后,对面曝光快速成形零件的变形进行了大量的实验研究,得出不同条件下制作零件的变形数据。利用实验数据研究了面曝光快速成形零件的变形与主要影响因素之间的关系,验证了理论分析和软件模拟的正确性,阐述了产生变形的原因。根据以上研究结论,提出了减小零件变形的一系列措施如设置支撑、选择合适的工艺参数等,为减小零件的变形,提高成形零件的制作精度提供了依据。最后,为了更有效的减小零件的变形,论文还研究了分区域曝光和交错曝光两种新型曝光模式。这两种曝光模式是指同一固化层首先被分割成多个区域,从而曝光面积有所减小,然后在不同的时间段内,分别对这些区域进行曝光固化。每个单独的固化区域可以进行自由的收缩变形,内部应力有足够的时间释放,最后形成整个树脂固化层,且其变形减小。理论分析及实验结果表明这两种曝光模式能减小成形零件的变形。以上研究,对减小面曝光快速成形零件的变形,提高制作精度具有十分重要的意义。
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