薄壁回轉(zhuǎn)體零件五軸3D打印加工工藝研究

發(fā)布日期：2019-03-19 08:20:39

3D打印被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)”，在航空航天、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的3D打印機(jī)應(yīng)用是三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，材料只能在一個(gè)方向上層層堆疊。當(dāng)打印零件較復(fù)雜時(shí)，需要打印大量的支撐結(jié)構(gòu)作為輔助，既浪費(fèi)材料又影響加工效率，還會(huì)對(duì)零件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且三軸打印還容易形成“臺(tái)階效應(yīng)”而影響產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)通過(guò)在已有X、Y、Z三軸 3D 打印平臺(tái)上添加擺臺(tái)，增加繞Y軸旋轉(zhuǎn)的B軸和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸，實(shí)現(xiàn)了五軸多方向打印。通過(guò)協(xié)調(diào)各軸運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整加工平面的方位，使零件結(jié)構(gòu)的傾斜角度始終小于其臨界支撐角，在避免支撐結(jié)構(gòu)添加的同時(shí)減少了臺(tái)階效應(yīng)。
相關(guān)研究結(jié)果表明，五軸3D打印能夠解決多數(shù)零件的加工，但目前尚沒(méi)有一個(gè)針對(duì)所有零件的加工指令生成方案。本研究在對(duì)五軸3D打印加工工藝進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)薄壁旋轉(zhuǎn)體零件的統(tǒng)一加工方法。首先設(shè)計(jì)了具有代表性的回轉(zhuǎn)體零件，并通過(guò)坐標(biāo)變化生成其五軸加工代碼；然后在自主搭建的五軸3D打印平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際打印操作，驗(yàn)證了此方案的可行性，為后續(xù)五軸3D打印工藝研究提供方向。
1  五軸 3D 打印技術(shù)進(jìn)展
       在五軸3D打印機(jī)的硬件研制方面，現(xiàn)有可進(jìn)行五軸3D打印的加工平臺(tái)有：SAUER LASERTEC 公司與 DMG MORI 公司共同合作建造的 LASERTEC 65 型激光熔覆加工機(jī)床；美國(guó) OPTOMEC 公司根據(jù) LENS 原理在三軸基礎(chǔ)上將工作臺(tái)更改為搖籃模式而研發(fā)的一套五軸3D 打印機(jī)；日本ENOMOTN kogy公司開(kāi)發(fā)了能夠在現(xiàn)有工業(yè)級(jí)五軸控制技術(shù)基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行擠出式3D 打印和銑削操作的五軸混合加工機(jī)床等。
五軸 3D 打印加工工藝方面的研究進(jìn)展如下：
①挪威奧斯陸大學(xué)的學(xué)生?K Grutle設(shè)計(jì)了如圖1所示的五軸3D打印機(jī)。該打印機(jī)在傳統(tǒng)三軸打印機(jī)的基礎(chǔ)上安裝有擺臺(tái)，并添加了A軸和C軸。該研究只是根據(jù)已有方法通過(guò)打印簡(jiǎn)單的零件對(duì)打印機(jī)性能進(jìn)行驗(yàn)證，并未對(duì)五軸3D打印的工藝進(jìn)行深入研究。

圖1  挪威奧斯陸大學(xué)的五軸3D打印機(jī)
②中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的胡慶等提出了將復(fù)雜模型進(jìn)行分割簡(jiǎn)化的五軸3D打印技術(shù)。該研究利用最優(yōu)子序列匹配算法（NOSB），將模型提取出骨架，再利用基于歸納學(xué)習(xí)法的交互式分割算法，將模型拆分成主體與支架，從而達(dá)到簡(jiǎn)化模型的目的。然而，該研究的缺點(diǎn)在于不能處理某些不可再分割的具有復(fù)雜曲面的零件，如薄壁回轉(zhuǎn)體零件等。
③University of Rhode Island 的Musa Jouaneh 教授研究了在圓柱形、半球形類(lèi)特殊結(jié)構(gòu)上利用Optomec LENS (Laser Engineered Net Shaping)3D金屬?lài)娪〖す獬尚图夹g(shù)進(jìn)行材料添加的加工方法。此研究為后來(lái)的五軸3D打印技術(shù)提供了參考，然而該方法受零件形狀的極大限制。
近年來(lái)3D打印技術(shù)得到了很大發(fā)展，但五軸3D打印技術(shù)作為3D打印技術(shù)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)，其工藝研究仍處于初步階段。
2  薄壁回轉(zhuǎn)體五軸3D打印工藝及平臺(tái)搭建
（1）薄壁回轉(zhuǎn)體五軸 3D 打印工藝
根據(jù)加工方式考慮薄壁回轉(zhuǎn)體的3D打印。為了沿回轉(zhuǎn)路徑打印材料，傳統(tǒng)三軸打印機(jī)需要X、Y兩軸聯(lián)動(dòng)劃出圓軌跡，但兩軸聯(lián)動(dòng)會(huì)使打印精度下降。
     從工件成型質(zhì)量上考慮薄壁回轉(zhuǎn)體的3D打印。由于其回轉(zhuǎn)截面的形狀不確定，結(jié)構(gòu)上會(huì)有懸出部分。由于是薄壁，打印時(shí)的擠出料容易塌落，在不加支撐的情況下允許向外延伸的角度有限。此外，當(dāng)回轉(zhuǎn)體的表面坡度較大時(shí)，階梯效應(yīng)會(huì)更加明顯，曲面的表面質(zhì)量不佳。因此，傳統(tǒng)三軸切片打印的兩個(gè)缺點(diǎn)“附加支撐”和“臺(tái)階效應(yīng)”在一般的薄壁回轉(zhuǎn)體制造中很容易顯現(xiàn)出來(lái)。而在采用五軸打印方式時(shí)，這兩個(gè)缺陷都能夠避免。
       由于五軸機(jī)床的C軸可繞Z軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，恰好可以完成回轉(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)軌跡，因此擠出頭僅需X或Y軸在一個(gè)較小的范圍內(nèi)移動(dòng)，C軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)即可完成一層材料的堆疊，精度相對(duì)于兩軸聯(lián)動(dòng)的方式更高。此外，利用B軸擺動(dòng)，可以對(duì)工件的回轉(zhuǎn)截面進(jìn)行不同角度的分層，因而可以根據(jù)回轉(zhuǎn)截面內(nèi)外曲面的法線(xiàn)方向進(jìn)行分層，并通過(guò)B軸轉(zhuǎn)動(dòng)使每一層材料堆疊都完全落在上一層的基礎(chǔ)上，加工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)懸出部分，并且內(nèi)外表面也是連續(xù)的。
由以上分析可知，采用五軸3D打印工藝加工薄壁回轉(zhuǎn)體具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。
（2）五軸 3D 打印平臺(tái)搭建
① 擠出頭溫度控制
在3D打印過(guò)程中，要求擠出頭溫度能夠穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間之內(nèi)。為了達(dá)到該效果，自行搭建了溫控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控溫。利用溫敏電阻采集溫度信號(hào)，通過(guò)arduino UNO進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并得出當(dāng)前的擠出頭溫度。然后通過(guò)控制電路的通斷來(lái)控制擠出頭是否加熱，使擠出頭溫度在可控的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。
②電機(jī)控制
通過(guò)MACH3搭配nMotion來(lái)控制X、Y、Z以及A、C共計(jì)五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，B軸用來(lái)控制噴嘴的送料速度和送料量。
③平臺(tái)搭建
該平臺(tái)由三個(gè)平移軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，三個(gè)平移軸由步進(jìn)電機(jī)以及絲桿構(gòu)成。在絲桿上搭載滑塊，滑塊上安裝3D打印機(jī)的擠出頭，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。下半部分搭載了一個(gè)可沿Y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)可以沿Z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。
3  五軸3D打印工藝
（1）五軸3D打印一般加工思路
        本文以添加繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸為例進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)于添加B、C軸的情況，其原理相同。在擺臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，如果將擺臺(tái)看作靜止，則材料的擠出頭會(huì)圍繞擺臺(tái)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其變換過(guò)程如圖2所示。

(a)A回轉(zhuǎn)軸

(b)C回轉(zhuǎn)軸
圖2  回轉(zhuǎn)軸變換

當(dāng)A、C軸分別旋轉(zhuǎn)時(shí)，變換矩陣R(X，A)(φ)和R(Z，C)(θ)分別為

A、C 軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，變換矩陣T為R(X，A)(φ)和R(Z，C)(θ)的乘積，有

因此，旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)(X′，Y′，Z′)與原坐標(biāo)(X，Y，Z)的關(guān)系可表示為

（2）薄壁回轉(zhuǎn)體零件加工
選用圖3所示的薄壁回轉(zhuǎn)體零件作為樣件來(lái)解釋本研究所提出方案的可行性。

(a)樣件模型  (b)底座剖面
圖3  薄壁回轉(zhuǎn)體零件樣件
     圖3中，回轉(zhuǎn)體截面的內(nèi)外側(cè)母線(xiàn)為一段同心圓弧。在傳統(tǒng)的快速成型技術(shù)中，以Stl模型為基礎(chǔ)的分層制造工藝存在臺(tái)階效應(yīng)，影響零件的尺寸精度和表面粗糙度。此外，因支撐材料的使用，使3D打印物體的種類(lèi)和樣式得到了較大的擴(kuò)展，但同時(shí)提高了制作成本，也會(huì)影響與物體表面接觸處的表面質(zhì)量。采用五軸式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并采取與工件曲面相適應(yīng)的分層方法，可有效避免傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題。

（a）樣件坐標(biāo)系及角度分層計(jì)算（b）樣件剖面
圖4  樣件模型坐標(biāo)系及剖面
圖4為樣件模型坐標(biāo)系，圖中的一些符號(hào)含義注解如下：X、Z軸為機(jī)床坐標(biāo)系，Ο為回轉(zhuǎn)體縱截面內(nèi)外表面圓弧曲線(xiàn)的圓心。
    將O點(diǎn)與工件內(nèi)表面上任一點(diǎn)相連，此連線(xiàn)與水平面夾角為θ；將此連線(xiàn)向上偏轉(zhuǎn)Δθ得到的新線(xiàn)段與壁厚所夾得截面A1即為堆疊層；X1與Z1為原坐標(biāo)系繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至X軸與A1截面相平行時(shí)的新坐標(biāo)系。樣件從截面看可被分為兩個(gè)部分，并使用不同的切片方式進(jìn)行處理：①底部三角部分（見(jiàn)圖3b、圖4a中黑色部分）；②上方完整同心圓弧構(gòu)成的主體部分。
樣件制造具體軌跡規(guī)劃如下：
①底部三角部分使用Z軸分層，運(yùn)用MATLAB軟件編程計(jì)算三角縱截面在不同Z高度處的內(nèi)外表面X坐標(biāo)，記為x1、x2。打印時(shí)首先擠出頭固定在x1坐標(biāo)，C軸回轉(zhuǎn)一周形成內(nèi)表面圓；然后擠出頭移至x2處，采用同樣方法打印出外表面圓。隨即擠出頭在x1至x2之間來(lái)回移動(dòng)，C軸以一定速度配合X軸往返頻率同步回轉(zhuǎn)一周，在兩圓環(huán)之間以鋸齒線(xiàn)形式完成材料填充。
②主體部分：由于工件外表面為圓弧，當(dāng)Δθ較小時(shí)，內(nèi)外層厚度可近似看作相等。由于A1層高方向?yàn)橥獗砻娣ň€(xiàn)方向，則A1為任意一處壁厚的法向截面。此時(shí)，通過(guò)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的B軸旋轉(zhuǎn)打印平臺(tái)，使固結(jié)于工件上的坐標(biāo)系變換為圖4a所示X1、Z1坐標(biāo)系，則可簡(jiǎn)單地使3D打印擠出頭在A1截面上沿X軸方向移動(dòng)。利用繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的C軸轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，同時(shí)保持送料步進(jìn)電機(jī)的送料，即可在A1截面回轉(zhuǎn)形成的內(nèi)凹圓錐面上進(jìn)行堆疊。由于此種疊加方式的每一層都是沿著圓弧切線(xiàn)方向堆疊，可以有效削弱臺(tái)階效應(yīng)。此外，由于在切線(xiàn)方向堆疊，上一層相對(duì)于下一層沒(méi)有X軸方向的平移，所以不會(huì)出現(xiàn)懸空堆疊，避免了傳統(tǒng)三軸打印過(guò)程中所需的支撐結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省了材料。
    同樣使用MATLAB建立數(shù)學(xué)模型，求解出X、Z坐標(biāo)系逆時(shí)針回轉(zhuǎn)在不同角度θ時(shí)對(duì)應(yīng)平行截面A（見(jiàn)圖4b）的內(nèi)外表面X、Z坐標(biāo)。其中，角度信息對(duì)應(yīng)機(jī)床實(shí)際加工過(guò)程中的擺臺(tái)B軸角度，每個(gè)轉(zhuǎn)角θ有對(duì)應(yīng)的截面A。擠出頭抬升至對(duì)應(yīng)的Z高度，隨后的層面填充方法與三角部分相同。從根本上來(lái)說(shuō)，以上方法是根據(jù)B軸轉(zhuǎn)角分層來(lái)處理?？紤]擠出材料厚度應(yīng)與兩次轉(zhuǎn)角之間層面厚度對(duì)應(yīng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到B軸的每次轉(zhuǎn)角增量Δθ為0.1°。
     MATLAB生成的數(shù)據(jù)都導(dǎo)出至EXCEL表格中，通過(guò)編寫(xiě)C++程序讀取EXCEL文件并以 Gcode代碼文件格式（如添加G指令、添加X(jué)YZABC字符等）輸出。由于試驗(yàn)平臺(tái)機(jī)床采用nMotion CNC 六軸控制器，故將控制器中的A軸用來(lái)控制送料步進(jìn)電機(jī)。此外，在程序內(nèi)部對(duì)每?jī)尚羞\(yùn)動(dòng)指令之間運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)送料速率得出A軸的進(jìn)給（送料）量并添加至Gcode中；每層鋸齒線(xiàn)填充過(guò)程中的C軸轉(zhuǎn)角與擠出頭X移動(dòng)量的配合會(huì)影響填充密度，其設(shè)置與Gcode輸出相同，也在C++程序中自動(dòng)完成。
（3）實(shí)物展示
    實(shí)際加工所得樣件如圖5所示，樣件底座為傳統(tǒng)三軸打印所得，上部為依托改進(jìn)后的五軸程序打印所得。由圖可知，底座的表面粗糙度明顯大于工件上部的表面粗糙度。因此，改進(jìn)后的五軸加工方式相對(duì)傳統(tǒng)三軸打印具有更大的優(yōu)勢(shì)，五軸打印可有效提高工件的表面加工質(zhì)量，臺(tái)階效應(yīng)較小且無(wú)坍塌現(xiàn)象，從而證明了本文方案的可行性。

（a）主視圖(b) 俯視圖
圖5  3D打印樣件實(shí)物
小結(jié)

     通過(guò)增加B、C軸，五軸3D打印解決了懸浮結(jié)構(gòu)的支撐問(wèn)題，減小了臺(tái)階效應(yīng)，為3D打印的工藝優(yōu)化提供了更多選擇。五軸3D打印加工工藝技術(shù)在研究方面還處于起步階段，缺乏統(tǒng)一的加工指令生成方案。本研究的意義在于為五軸3D打印加工指令生成提出新方案，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

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