《熔丝沉积成型控制系统及工艺的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《熔丝沉积成型控制系统及工艺的研究（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 I摘 要 快速成型技术是九十年代发展起来的一项高新技术具有非常广阔的应用前景但是国内企业应用快速成型技术依赖国外生产的设备导致应用成本高昂影响了快速成型技术在国内的推广和应用熔丝沉积FDM快速成型设备不使用激光器因此其运行成本低且其加工效率高制件的强度大因此研究和开发国产化的熔丝沉积快速成型设备具有重要的意义 熔丝沉积快速成型涉及到机械数控高分子材料和计算机等技术本文主要研究熔丝沉积成型的控制系统和分析在 FDM 工艺成型过程中影响成型件精度的因素 在本中心研制 HRP 系列快速成型设备的基础上FDM 设备借鉴以往的经验基于单台 PC 机和通用型控制板卡配合模块化的软件系统以开放式总线结构作
2、为数控系统的整体结构 在设计 FDM 设备控制系统时按照开放式数控系统对于稳定性安全性实时性和通用性的要求采用高性能的 Windows NT 操作系统作为 FDM 设备的工作平台设计了 FDM 控制系统设备层硬件结构及驱动程序设备层硬件结构包括位置控制系统送丝电机可调速控制系统和温度控制系统的设计 最后通过做大量的实验分析了 FDM 工艺在成型过程中影响成型件精度的因素结合实验提出了许多切实有效的提高其精度的措施在熔丝沉积工艺中有较高的应用价值 关键词快速成型 熔丝沉积 硬件结构 精度 IIAbstract Rapid prototyping (RP) technology is a kind
3、 of advanced manufacturing technology developed in the last 20th, which has very good application prospect. But majorities of enterprises applying RP tech have to import the advanced Rapid Prototyping equipments that are very expensive which limit the wide usages of the Rapid Prototyping technology
4、in China. The Fused Deposition Modeling (FDM) device has no laser, so the equipment is cheaper, plus its high efficiency and high accuracy, it is significant to research and develop the FDM device. FDM tech is related to technologies of mechanics, CNC, macromolecule material and computer science. In
5、 this article, the control system of FDM HRPR-I device and factors influencing the precision of the manufacturing parts in the process of machining of FDM were presented in detail. The Research of FDM device is developed referencing the research experiences of developing series of HRP device. The FD
6、M device is base on a single PC and universal control card. Applying the modulated software system and open bus structure, the FDM system is designed. Satisfied to the demand of the stability, security and real-time, Windows NT is applied as the software platform of HRPR-I, and the hardware structur
7、e of the control system and the device driver program was developed. The hardware structure includes the driver control system, speed adjustable of DC Motor control system and temperature control system. Lastly, according to the test result, the factors influencing the precisions of the manufacturin
8、g parts in the process of machining were presented in detail. A series of measurement for improving the precision are also put forward, which have been used successfully in the fused deposition modelling processing. Key word: Rapid Prototyping Fused Deposition Modeling Hardware structure Precision 1
9、1 绪论 快速成型Rapid Prototyping简称 RP技术是九十年代发展起来的一项高新技术它基于离散/堆积的原理1综合利用激光数控CAD精密机械和新材料等学科和技术发展起来的一项高新技术RP 技术在不需要任何专用的刀具模具及工装夹具的情况下可将任意复杂形状的设计方案直接快速准确的转换为三维的实体模型或样件这就是 RP 技术所具有的潜在的革命意义23在这种加工过程中材料处在一个逐点或逐层堆积的过程中属于材料堆积型制造技术也称为增加加工方法additive manufacturing生长型制造incrmental manufacturing它一直贯彻了一种降维的思想即将一个物理实体的制造由
10、复杂的三维加工离散成一系列简单的二维层片的加工这就大大降低了其加工难度并且在成型过程它的成型难度与待成型实体的形状和结构的复杂程度基本无关突破了复杂形状的限制从而能够用一种统一的 自动的方法来加工各种形状的三维实体模型4目前RP 技术作为研究和开发新产品的有力手段已发展成为一项高新制造技术中的新兴产业 它在家用电器汽车玩具轻工产品建筑模型医疗器具航空航天电影制作等领域都得到了广泛的应用并已经成为企业新产品设计开发生产的一种关键的共性技术5 当前世界上最流行的 RP 技术有立体光刻StereolithographySLA分层实体制造Laminated Object ManufacturingLO
11、M熔丝沉积成型Fused Deposition ModelingFDM选择性激光烧结Selective Laser SinteringSLS等工艺方法6FDM 快速成型系统与 SLALOMSLS 等系统的最大区别在于 FDM 没有采用激光系统因此可以把成本降到最低7 1.1 FDM快速成型技术简介及国内外发展概况 1.1.1 FDM快速成型技术简介 熔丝沉积成型 Fused Deposition Modeling 简称 FDM 是快速成型技术中的一种其工作原理如图 1.1 所示 2图 1.1 FDM 系统的原理图 该系统主要包括喷头送丝机构运动机构加热工作室工作台 5 个部分工作时先确定各层间
12、距路径宽度计算机对计算机模型进行切片生成路径然后在计算机控制下喷头按路径移动出丝喷丝粘结在工作台上已制作层面上如此反复逐层制作 直至最后一层 这样熔丝粘结形成所要求的实体模型 其中喷头是最关键最复杂的部分材料在喷头中被加热熔化喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料与前一层粘结并在空气中迅速固化如此反复进行即可得到实体零件它的工艺过程决定了它在制造悬臂件时需要添加支撑,这点与 LOM 和 SLS 完全不同现在的 FDM 快速成型系统一般都采用双喷头独立加热一个用来喷模型材料制造零件另一个用来喷支撑材料做支撑两种材料的特性不同制作完毕后去除支撑相当容
13、易8 FDM 是各种快速成型工艺中发展速度最快的一种目前它已成为快速成型技术研究的热点9它主要有以下特点 1成型设备简单成本低廉FDM 快速成型系统是以电加热的方式将成型材料加热到熔融状态来成型的不需要高成本件激光器因此大大简化了设备使之成本降低 2成型过程对环境无污染FDM 工艺所用的成型材料一般为无毒无味的热塑性材料因此对环境不会造成污染且设备运行时噪音也很小 1.1.2 FDM快速成型技术国内外发展概况 FDM 由美国学者 Scott Crump 博士于 1988 年率先提出随后于 1991 年开发了第送丝机构 加热室 支撑材料喷嘴 支撑 模型材料喷嘴 模型 基底支撑 升降工作台 3一台
14、商业机型美国 Stratasys 公司生产的 FDM 系列设备目前已成为销售业绩最好的快速成型系统 Stratasys 公司的 FDM 快速成型系统的销售量在 1997 年已经名列前茅1998 年该公司的 FDM 系列共销售 270 台占全球快速成型设备总销量的 43% 居世界第一迄今FDM 快速成型设备在全世界的销量已经超过 1000 台中国大陆和香港的拥有量已超过 60 台10 国外研究熔丝沉积成型 FDM 的公司主要有 Stratasys 公司和 MedModeler 公司Stratasys 公司于 1993 年开发出第一台 FDM-1650台面为 250mm250mm250mm机型后先
15、后推出了 FDM-2000FDM-3000 和 FDM-8000 机型其中 FDM-8000 的台面达 457mm457mm610mm引人注目的是 1998 年 Stratasys 公司推出的FDM-Quantum 机型最大成体积为 600mm500mm600mm由于采用了挤出头磁浮定位(Magna Drive)系统可在同一时间独立控制两个挤出头因此其成型速度为过去的 5 倍 Stratasys 公司 1998 年与 MedModeler 公司合作开发了专用于一些医院和医学研究单位的 MedModeler 机型使用 ABS 材料并于 1999 年推出可使用聚脂热塑性塑料的 Genisys 型改
16、进机型- Genisys Xs, 其成体积达 305mm203mm203mm 熔丝材料方面目前主要采用 ABS人造橡胶铸蜡和聚脂热塑性塑料1998年澳大利亚的 Swinburn 工业大学 研究了一种金属-塑料复合材料丝 1999 年 Stratasys公司开发出水溶性支撑材料有效地解决了复杂小型孔洞中的支撑材料难以去除的难题 快速成型软件方面Stratasys 公司开发了对 FDM 快速成型系统的 QuickSlice6.0和对 Genisys 系统的 AutoGen3.0 软件包采用了触摸屏使操作更加直观Helisys公司开发了面向 Windows 2000 的 LOMSlice 软件包新版本增加了 STL 可视化纠错布尔操作等功能故障报警更完善Solid Concepts 公司开发了 SolidView3.0 软件包Clemson 大学研究了通过对参数曲面的切片产生参数曲线的分层边界利用这种参数曲线控制快速成型系统11 我国 RP 技术早期以引进技术为主据报导我国至今已有数十家企业或机构从国外引
