基于木粉的快速原型件工艺及数控扫描路径规划的研究

论文摘要

自推出世界上首台商品化快速成型设备以来,快速成型这一先进制造技术得到了蓬勃的发展。各国对快速成型的新材料、新工艺的研究也一直在不断的探索中。由于目前快速成型材料比较昂贵,在很大程度上制约了快速成型的普及化,因此廉价的新型材料和新工艺迅速成为研究的热点。木粉与目前快速成型材料相比具有廉价、环保的优势,而且制备也比较简单,所以将木粉作为主要材料进行快速原型制造必然有重要的理论意义和实际应用价值。本文围绕基于木粉的快速成型的成型工艺展开研究,研究的主要内容包括轮廓扫描路径的生成算法、快速成型的工艺参数对成型质量与效率等的影响研究以及提高制件强度的工艺方法。对基于STL模型的分层算法以及扫描路径的生成算法进行了研究,提出更优分层算法,并详细分析了分层算法及路径生成算法对成型效率和成型质量的影响。结合基于木粉的快速成型工艺的特点,提出了更优的扫描路径生成算法—复合扫描路径生成算法,其思想是将轮廓偏置扫描与分区域往复扫描相结合。此扫描方式结合了轮廓扫描精度高、分区域往复扫描快捷稳定的优点,一定程度上克服了轮廓偏置扫描速度慢、算法复杂和分区域往复扫描精度不高的缺陷。通过对木粉和热熔胶混合粉末的烧结成型实验的研究,分析了快速成型工艺参数对成型件质量的影响;通过实验分析了激光功率、扫描速度、扫描间距、分层厚度、扫描方式等工艺参数对成型质量与效率的影响,得出了主要工艺参数对成型质量与效率的影响规律;综合工艺参数对成型制件质量与效率的影响,给出了工艺参数的优化配置。针对成型件强度偏低的缺点并结合材料自身特点,提出了制件强度强度提高理论,在每一层铺粉时加入“压实”工序,提高粉末层的致密性来提高强度;通过层收缩率补偿来提高制件强度;调整热熔胶和木粉的混合比例、添加偶联剂、选择强度和粘接力更高的胶类以及更优的后处理等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 快速成型技术的基本原理
• 1.1.2 快速成型技术的特点
• 1.1.3 快速成型制造工艺
• 1.2 快速成型技术的研究热点
• 1.3 快速成型技术的新材料及新工艺研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 课题的来源
• 1.5 本文选题意义
• 1.6 研究的主要内容
• 2 分层算法及扫描方式对成型效率和成型质量的影响研究
• 2.1 分层算法对成型效率和成型质量的影响研究
• 2.1.1 分层的基本思想对成型质量和效率的影响
• 2.1.2 一般分层算法简述
• 2.1.3 优化分层算法
• 2.2 填充扫描方式对成型效率和成型质量的影响研究
• 2.2.1 填充扫描方式的设计准则
• 2.2.2 不同填充扫描路径对成型效率和成型质量的影响研究
• 2.3 本章小结
• 3 复合扫描方式算法研究
• 3.1 复合扫描填充算法涉及的基本概念
• 3.2 复合扫描方式实现步骤
• 3.3 复合扫描方式的实现所涉及的关键算法
• 3.3.1 射线与多变形交点数的计算
• 3.3.2 内外轮廓边界的识别
• 3.4 轮廓偏置算法的实现
• 3.5 分区域往复扫描算法
• 3.5.1 扫描线与轮廓边界求交算法
• 3.5.2 交点排序
• 3.5.3 生成扫描路径
• 3.6 生成数控G代码
• 3.7 本章小结
• 4 基于木粉和热熔胶混合材料的快速成型工艺参数及实验研究
• 4.1 基于木粉的快速成型的基本工艺
• 4.1.1 前期处理过程
• 4.1.2 分层烧结堆积过程
• 4.1.3 后处理过程
• 4.2 激光功率和扫描速度对制件性能的影响
• 4.2.1 扫描过程中激光功率的传递
• 4.2.2 激光功率对制件翘曲变形影响的实验研究
• 4.2.3 扫描速度对翘曲变形影响的实验研究
• 4.2.4 光斑直径补偿量对成型质量的影响
• 4.3 扫描间距对制件性能和效率的影响
• 4.4 分层厚度对制件精度和效率的影响
• 4.4.1 分层厚度对制件精度的影响
• 4.4.2 分层厚度对烧结效率的影响研究
• 4.5 扫描方式对制件精度和成型效率的影响
• 4.6 工艺参数的匹配
• 4.7 制件成型强度分析
• 4.7.1 "压实"工艺实现
• 4.7.2 层收缩率补偿实现
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢