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SLA设备的机械系统方案设计书

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

SLA设备的机械系统设计

学院

机电工程学院

专业

机械设计制造及自动化

班级

学号

姓名

指导教师

负责教师

2013年6月

摘要

自20世纪80年代中期以来，光固化快速成型技术的发展与应用越来越广泛和深入，光固化成型机的需求也越来越大。

由此，本论文针对光固化成型机的机械结构进行了设计，包括：

1、X-Y扫描机构；2、Z轴升降机构；3、刮刀机构，并且对其中的部分结构进行了改进。

X-Y方向的平面扫描运动和刮刀的水平运动采用精密滚珠丝杠传动，使其在行程较长时不出现抖动，有利于保证扫描精度，运动稳定。

采用直线步进电机直接连接滚珠丝杠，响应更加快速准确，同时因无中间部件，使机械结构简单化，精度较高。

通过对立体激光固化造型机机械结构的设计，使得其运动和传动更加合理和平稳，进而使其在生产过程中能够更好的进行生产。

关键词：

立体激光固化；扫描机构；快速成型；传动

Abstract

Sincethemid-1980s,Stereolithographytechnologydevelopmentandapplicationofmoreextensiveandin-depth,lightcuringmachinedemandisalsogrowing.Thus,thisthesislightcuringmachinemechanicalstructurehasbeendesigned.Including:

1,XYscanningmechanism。

2,Zaxisliftingmechanism。

3,scraper,andonwhichpartofthestructurehasbeenimproved.XYplanescanningdirectionmovementandhorizontalmovementofthebladeusingprecisionballscrewdrive,sothatitdoesnotappearwhenalongertripjitter,willhelpensurescanningaccuracy,movementandstability.Usinglinearsteppermotordirectlyconnectedtoballscrew,respondmorequicklyandaccurately,butbecausethereisnomiddleparts,simplifythemechanicalstructureandhighprecision.

Throughthethree-dimensionalmodelingoflight-curedinthedesignandmechanicalsystems,makingtheircampaignsanddrivemorereasonableandstable,thenintheproductionprocesssothatitcanbettercarryoutproduction.

Keywords:

Scanning。

agencies。

RapidPrototyping。

Transmission　

1绪论

本文主要针对立体激光固化造型机机械结构设计。

按照国家和行业相关标准，机械传动部分参照了《机电一体化系统设计手册》。

在设计过程中，力求使立体激光固化造型机的传动及零部件结构简单、运动稳定、而且成本低廉、质量可靠、可批量生产，并且促进立体激光固化造型机的普及与发展，同时为国内同类机器的设计提供一定的参考。

1.1快速原型技术简介

快速成型制造技术（RapidPrototype），简称RP，是先进制造技术的重要分支。

它是80年代后期起源于美国，后很快发展到欧洲和日本，可以说是近20年来制造技术最重大突破之一，对制造业的影响可以与20世纪50～60年代的数控技术相比。

快速成型技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术、及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能实验，大大缩短了产品的研制周期。

而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可以实现零件的快速制造。

它是基于一种全新的制造概念——增材加工法。

由于CAD技术和光机电控制技术的发展，这种新型的样件制造工艺就日益在生活中得到应用。

1.1.1RP的基本构思

任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成，因此可利用分层切片软件，将计算机产生的CAD三维实体模型处理成一系列薄截面层，并根据各截面层形成的二维数据，用粘贴、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层有选择地固化液体（或粘结固体）材料，从而快速堆积制作出所要求形状的零部件（或模型）。

传统的制造方法是基于材料去除（materialremove）概念，先利用CAD技术作出零件的三维图形，然后对其进行数值分析（有限元分析、模态分析、热分析等），再经动态仿真之后，通过CAM的一个后处理（PostProcess）模块仿真加工过程，所有的要求均满足之后，形成NC文件在数控机床上加工成形。

快速原型制造技术RP突破了传统加工中的金属成型（如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工）和切削成形的工艺方法，是一种“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”，其制造过程的主要特点是：

1、新的加工概念。

RPM是采用材料累加的概念，即所谓“让材料生长而非去除”,因此,加工过程无需刀具、模具和工装夹具，且材料利用率极高。

2、突破了零件几何形状复杂程度的限制,成形迅速,制造出的零件或模型是具有一定功能的三维实体；

3、越过了CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）过程，实现了CAD/CAM的无缝连接；

4、RP系统是办公室运作环境,真正变成图形工作站的外设。

由于RPM可以快速、自动、精确地将CAD模型转化成为具有一定功能的产品原型或直接制造零件，因此它对于缩短产品的研发周期、控制风险、提高企业参与市场竞争的能力，都具有重要的现实意义。

1.1.2几种典型的快速成型技术

1、立体激光固化成型SLA

SteroLightgraphyApparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。

2、薄片分层叠加成型LOM

薄片分层叠加成型（LaminatedObjectManufacturing）工艺又称叠层实体制造或分层实体制造。

LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成型材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。

加工时，用CO2激光器（或刀）在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，是当前层与下面已成型的工件层粘接，从而堆积成型。

LOM工艺只需在片材上切割出零件的截面轮廓，而不用扫描整个截面。

因此易于制造大型、实体零件，而且LOM制作的零件不收缩、不变形，精度可达±0.1mm，切片厚度0.05～0.50mm。

工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺也无需添加支撑。

3、选择性激光粉末烧结成型SLS

选择性激光粉末烧结成型（SelectedLaserSintering）工艺又称为选区激光烧结，由美国的克萨斯大学奥斯丁分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。

SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下逐渐堆积成型。

此法采用CO2激光器作能源，在工作台上均匀铺上一层很薄（0.1-0.2mm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选性的进行烧结。

全部烧结完后去掉多余的粉末，在进行打磨、烘干等处理便获得零件。

SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料材料，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。

特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。

另一特点是SLS工艺无需加支撑，因为M有被烧结的粉末起了支撑作用。

因此可以烧结制造空心、多层镂空的纷杂零件。

4、融积成型技术FDM

融积成型技术（FusedDepositionModeling）的制造过程是，首先通过系统随机的Quickslice和SupportWorks软件将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的几何信息。

运作时，FDM加热头把热塑材料（如聚脂塑料、ABS塑料、蜡等）加工到临界状态，在微型机控制下，喷嘴沿着CAD确定的平面几何信息数据运动并同时挤出半流动的材料，沉积固化成精确的实际零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层并同样固化之，且与已固化层牢固地连接在一起。

如此反复，由下而上形成一个三维实体。

FDM的制作精度目前可达±0.127mm，连续堆积范围0.0254～0.508mm，它允许材料以不同的颜色出现。

5、其它快速原型制造技术

直接制模铸造DSPC（DirectShellProductionCasting）来源于三维印刷（3DPrinting）快速成型技术。

其加工过程是先把CAD设计好的零件模型装入模壳设计装置，利用微型机绘制浇注模壳，产生一个达到规定厚度，需要配有模芯的模壳组件的电子模型，然后将其输至模壳制造装置，由电子模型制成固体的三维陶瓷模壳。

取走模壳处疏松的陶瓷粉，露出完成的模壳，采用熔模铸造的一般方法对模壳最后加工，完成整个加工过程。

此系统能检测自己的印刷缺陷，不需要图纸，就可完成全部加工。

光屏蔽（即SGC—Solid-GroundCuring）由以色列Cubital公司开发，该工艺可以在同一时间固化整个一层的液体光聚合物。

SGC工艺使用丙烯酸盐类光聚合物材料，其制作精度可达整体尺寸的0.1%，切片厚度约为0.1～0.15mm，Cubital公司开发的Solider5600型产品制作的最大工作尺寸为508×508×356mm，所用紫外光灯功率为2kW，每一层循环约化90s。

MRM（MitsubishiChemicalRapidMoulding）日本三菱化学最近推出的三菱化学快速制模系统，可将原型直接转换成模具，采用称作“金属补强树脂制模（MetalResinMoulding）复合料”，制模成本降低为传统制模的1/2，制模时间缩短了1/2～1/3。

奥斯丁的德克萨斯大学正在研究的高温选择激光烧结（HTSLS），在取消聚合物粘结剂方面进行了尝试.结果表明，可利用Cu-Sn或青铜—镍粉两相粉末，采用激光局部熔化低熔点粉末来制造模具。

1.1.3各种成型方法简介及对比

表1.1几种典型成型工艺的比较

成型

工艺

原型

精度

表面

质量

复杂

程度

零件

大小

材料

价格

利用

率

常用

材料

制造

成本

生产

效率

设备

费用

SLA

较高

优

中等

中小件

较贵

很高

树脂

较高

高

较贵

LOM

较高

较差

简单

中小件

便宜

较差

塑料

低

高

便宜

SLS

较低

中等

复杂

中小件

较贵

很高

石蜡

较低

中等

较贵

HDM

较低

较差

中等

中小件

较贵

很高

金属

较低

较低

便宜

1.2快速成型精度概述

研究与提高成型机的成型精度，对于RP技术的推广和应用有很重要的影响。

制件误差的产生原因见图1.1所示：

图1.1制件误差产生原因

光固化成型由三个环节组成:

前处理、快速成型加工和后处理。

这三个部分彼此相连，共同完成光固化快速成型过程。

每一环节中存在的误差都会影响到最终成型零件的精度。

快速成型的精度为机械精度和制件精度。

目前影响快速成型最终精度的主要原因由于下几个方面：

1、CAD模型的前处理造成的误差

目前，对于绝大多数快速成型系统而言，必须对工件的三维CAD模型进行STL格式化和切片等处理，以便得到一系列的截面轮廓。

在对三维CAD模型分层切片前，需作实体模型的近似处理，即用三角面片近似逼近处理表面，其输出的数据为STL文件格式，这种格式非常简单，便于后续的分层处理。

STL格式中每个三角面片只用四个数据项表示，即三个顶点坐标和一个法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合，STL公式化用许多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它会导致误差:

从本质上看，三角面的组合，不可能完全表达实际表面，所以，误差无法避免；STL公式化时，数据的沉余量太大，致使所需计算机的存储量过大，从而难于选取更小、更多的小三角面，造近似结果与实际表面有更大的误差；另外，在进行STL格式转换时，有时会产生一些局部缺陷，例如，在表面曲率变化较大的分界处，可能出现据齿状小凹坑，从而造成误差。

2、成型系统的工作误差

成型机成型系统的工作误差按照组成可分为托板升降误差、X-Y扫描误差和树脂涂层误差。

托板升降误差指的是托板的运动精度，它直接影响层厚的精度；X-Y扫描误差指的是X-Y平面扫描系统沿X、Y方向的运动精度，它影响成型零件的尺寸精度和表面光洁度。

3、成型过程中材料状态引起的翘曲变形

在光固化过程中，树脂由液态变为固态，此时单体分子发生聚合反应，分子之间距离改变，相应地造成体积收缩。

在这个过程中，伴有加热作用，这些因素会引起制件每层截面的尺寸变化，再加上相邻层间不规则约束，以由收缩而产生的应力会造成零件在加工过程中的变形。

如加工一个悬臂零件（在悬臂部分不加支撑），可以很明显地看到由于树脂收缩而造成的变形。

4、成型之后环境温变化化引起的误差

从成型系统上取下已成型的工件之后，由于温度、湿度等环境状况的变化，工件会继续蠕变并导致误差。

成型过程中残留在工件内的残余应力也可能由于时效的作用而部分消失而导致误差。

5、工件后处理造成误差

通常，成型后的工件需进行打磨、抛光和表面涂镀等后处理。

如果后处理不当，对形状尺寸控制不严格，也可能导致误差。

后处理过程产生的误差可分为三种:

一是支撑去除时对表面质量的影响。

要求支撑的设计必须合理，不多不少。

另外一种是残留液态树脂的固化引起工件的变形。

因此在扫描成型时尽可能使残留树脂为零；成型过程中工件内部的残余应力引起的蠕变也是影响精度的因素之一。

设法减小成型过程中的残余应力有利于提高零件的成型精度。

1.3立体激光固化成型（SLA）的成型原理

SteroLightgraphyApparatus又称激光立体造型、激光立体光刻或立体印刷装置。

它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。

这种液态材料在一定波长（=325nm）和功率（P=30mW）的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

图1.2为SLA的工作原理图。

液槽中盛满液相光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，在液体表面上扫描，扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制，光点扫描到的地方，液体就固化。

成型开始时，工作平台在液面下一个确切的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，聚焦后的光斑在液面上按照计算机的指令逐点扫描即逐点固化。

当一层扫描完成后未被照射的地方仍是液态树脂。

然后升降台带动平台下降一层高度（约0.1mm），已成形的层面上又布满一层液态树脂，刮平器将粘度较大的光敏树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复，直直整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

图1.2SLA工作原理图

1.4SLA的国内外发展现状

SLA是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。

自从20世纪80年代中期SLA光固化成型技术发展以来，到90年代后期，在快速成型的发展历程中，出现了十几种不同的快速成型技术。

目前，美国在该技术领域一直处于领先地位，日本和欧洲等工业发达国家都投入了大量资金进行研究与开发。

日本紧跟美国迅速开展了光固化快速成型技术的研究，1988年三菱商社研制出与SLA相似的光照成型系统，称为紫外激光扫描立体生成法（ShortForSo1idObjectUltravioletLaserPlotter，简称SOU）。

西欧各国发展快速成型技术比美国和日本晚一些，但是很快推出了自己的快速成型系统，例如德国的StereosEosin系统；以色列的CubicalSolider系统等。

目前研究SLA方法比较深入的公司有美国的3D-System公司，德国的EOS公司、F&S公司，日本的C-MET公司、D-MEC公司以及TeijinSeiki公司，MitsuiZosen公司，和我国的西安交通大学，中国科学研究院沈阳自动化所等。

其中该技术的开拓者是美国的3DSystem公司，其制造系统统称StereolithographyApparatus，简称SLA系统，其SLA系列产品独占鳌头并形成垄断市场。

其设备自1988年推出SLA-250机型以后，又于1997年推出SLA—250HR、SLA—3500、SLA—5000三种机型，1999年又推出了SLA—7000，随后又推出了ViperSLA系统，在技术上有了长足的进步。

此外，国外的许多公司，大学也开发了商业制造系统并商用化，但并未产生任何的大的商业冲击。

国内的西安交通大学推出了LPS、SPS和CPS系列的SLA成型机和相应的光敏树脂，SPS的扫描速度最大可达7m/s、LPS的扫描速度可达2m/s，最大成型空间可达600mmX600mmX500mm。

该产品的涂层系统针对不同的材料与结构，可调整回流量，从而有效的改善涂层的质量；采用了矢量扫描路径优化方法，省去AOM，降低了成本；采用的YLSF成型工艺大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型制造质量。

另外，CPS成型机才用了紫外灯作为成型光源，设备价格低，运行费用也极低，是一种经济型设备。

1.5本次设计的主要工作

1.5.1主要设计任务

1、X-Y方向移动机构设计；

2、Z方向移动机构设计；

3、刮刀机构设计；

4、整机总装配图设计；

1.5.2主要技术参数

1、成型空间：

300×300×250mm；

2、激光头最大运行速度：

80mm/s；

3、激光头定位精度：

0.005mm；

4、上拖板、激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量：

约15kg；

5、最大成型件重量：

约为15kg；

6、固化深度/托盘的层间下降距离：

0.1mm。

2机械结构的设计方案

本论文采用分块设计的思路，把立体激光固化造型机的机械结构分为X—Y扫描系统，Z方向工作台升降系统，刮刀机构等三部分进行设计计算。

2.1X-Y向扫描运动机构的设计

图2.1cps250成型机的X-Y扫描系统

如上图2.1所示，为西安交通大学开发的cps250成型机X-Y扫描系统，其扫描范围为250mm×250mm，运动方式采用步进电机驱动高精密同步带的方式，当行程较短时，其传动较为平稳，传动件质量比较小，运动特性好。

当行程较长时容易发生同步带抖动，使传动不平稳，影响成型精度。

而且由于工作环境影响，同步带寿命较低，同时长时间工作后同步带的传动精度下降，不利于产品的推广使用。

本论文设计的机械系统的X-Y扫描范围为300mm×300mm,行程相对较长，若采用步进电机驱动高精密同步带的传动方式，运行不稳定，对扫描的精度不利。

故本设计对其传动系统进行改进，采用步进电机驱动滚珠丝杠的传动方式，如此，在工作行程较长的情况下，其运动稳定，不易受工作环境影响，能够长时间使用，同时采用闭环控制，传动精度较高。

放弃传统的旋转电机加滚珠丝杠的传动方式，采用步进电机直接通过联轴器连接滚珠丝杠，中间没有其他部件，降低传动精度的损失，使之更适合批量生产，能够促进机器的推广。

X-Y方向扫描进给系统的总体方案设计考虑以下几点：

1、工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。

2、考虑到对激光固化成型机机械系统的运动精度要求较高，应保证一定加工性能，因此进给伺服统采用步进电机闭环控制系统，利用反馈控制运动精度。

3、纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、波纹管、丝杠螺母副组成。

4、为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。

5、为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。

本论文设计的成型机的扫描系统采用高精度的X-Y动工作台，它带动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型。

其结构为步进电机带动滚珠丝杠驱动扫描头作X-Y平面运动，扫描范围为300×300mm，重复定位精度0.005mm。

扫描系统结构由计算机、X-Y扫描头、聚焦镜头、直线圆柱滚动导轨、滚珠丝杠、步进电机等组成。

由于混合式步进电机具有体积小、力矩大、低频特性好、运行噪音小、失电自锁等优点，X、Y方向都采用了这种电机。

为减少X方向负载的质量，连接板及电机座采用铝材。

与西安交通大学推出的cps250成型机相比，本设计的传动方式放弃了传统的旋转电机加滚珠丝杠的方式，而改用在实现直线运动下，各方面性能都更有优势的直线步进电机。

直线步进电机具有简单的机械结构，最小的运动部件速度范围宽，从微M/秒到超过10m/s，加速度高，推力最大可达负载的20G比率，运动平滑，无需维护的电机，没有任何内部的运动部件。

可以使整机的结构简单，精度提高。

2.2Z轴升降系统设计

Z轴升降系统完成零件支撑及在Z轴方向运动的功能，它带动托板上下移动。

每固化一层，托板要下降1个层厚。

它是实现零件堆积的主要过程，必须保证其定位精度。

定位精度的好坏直接影响成型零件的尺寸精度、表面光洁度以及层与层之间的粘接性能。

Z方向扫描进给系统的总体方案设计应考虑因素:

1、工作台应具有沿纵向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。

2.、考虑到对激光固化成型机机械系统的运动精度要求较高，应保证一定加工性能，因此进给伺服统采用步进电机闭环控制系统，利用反馈控制运动精度。

3、为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。

4、为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。

本论文设计的Z轴升降系统采用步进电机驱动，精密滚珠丝杠传动及精密导轨导向的结构。

驱动电机采用混合式步进电机，配合细分驱动电路，与滚珠丝杠直接联接实现高分辨率驱动，省去了中间齿轮级传动，既减小了尺寸又减小了传动误差。

制造零件时，托板经常作下降、提升运动，为了减少运动时对液面的搅动，并且便于成型后的零件从托板上取下，需将托板加工成筛网状，网孔大小孔距设计要合理，既能使零件的基础与其能牢固粘结，又要使托板升降运动时最小限度地阻碍液体流动，本设计中取孔距5mm，孔径3mm。

此外，考虑到树脂有一定的酸性作用，所以浸泡在树脂内的材料全部选用铝合金或不锈钢材料，一方面防腐。

另一方面防止普通钢和铸铁对树脂的致凝作用。

由于在正常工作在状态下，吊梁悬臂较长，为避免托板Z方向上下运动时造成吊梁扭曲变形，吊梁采用2mm不锈钢板做成中空行管结构的形状。

Z轴升降系统如图2.2所示：

图2.2Z轴升降系统

2.3刮刀系统的设计

由于树脂的粘性及固化树脂的表面张力作用，如仅仅依赖树脂的流动而达到液面平整的话，就会需要很长的时间，特别是在固化面积较大的零件时。

刮平运动可以使液面尽快流平，提高涂层效率。

刮平过程包括两个步骤：

第一步托板下降较大的深度并稍作停顿，这