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电偏转抛射式快速成型工艺的仿真 |
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作者：张连洪 熊小明 张宝峰 李双义 刘卫京 |
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摘 要：基于电偏转抛射式快速成型(RP)工艺方法是通过电场控制带电颗粒的运动轨迹实现分层截面的成型，作者开发了电偏转的抛射式RP工艺的仿真系统。该仿真系统读入CLI格式的层面数据后，根据分层截面轮廓数据生成工艺规化和扫描路径，控制带电的颗粒进行扫描，并在计算机屏幕上实时模拟显示扫描轨迹及原型件的三维实体成型过程，为电偏转抛射式快速成型工艺的试验研究提供一定的理论依据。
关键词：电偏转抛射；快速成型；数值仿真
快速成型(Rapid Prototyping，RP)是20世纪90年代发展起来，以“分层制造、逐层累加”的增材方式成型原型/零件的工艺技术。由于快速成型实现了三维CAD模型直接驱动，使其在设计、制造、模具等领域得到了较广泛的应用。目前已实用化的快速成型技术包括立体光刻成型、分层实体制造、熔融沉积制造和粉末体激光选择性烧结[1～6]等。
基于电偏转的抛射式快速成型是一种快速成型工艺方法[7]，其基本工艺原理是通过电场控制带电颗粒的运动轨迹，实现分层截面的成型(见图1)。在成型过程中，喷头的位置固定，颗粒由喷头喷出并且被荷电，通过电场时发生偏转，在成型截面上沉积并与已成型部分粘结在一起。
图1 电偏转抛射式快速成型原理
本文在WinNT4.0操作系统上，采用C++ Builder进行编码，开发了基于电偏转的抛射式RP工艺的仿真系统。该仿真系统的主要功能是读入CAD三维模型的层片数据，根据层片截面轮廓数据生成扫描路径，控制带电的颗粒进行扫描，并在计算机屏幕上实时地模拟显示出扫描轨迹及原型件的三维实体成型过程。
1 层片扫描路径的规划
扫描加工工艺过程是快速成型工艺中的一个重要环节，直接影响着加工质量和效率。快速成型工艺规划的一个重要方面是扫描路径规划。不同的规划方法不仅决定了成型过程能否正常顺利地进行，而且对原型件的成型精度和效率影响很大。不同成型工艺的扫描路径规划一般包括理想轮廓线的补偿和区域扫描填充路径的选择。在本工艺中，原型件是通过颗粒由点到线、由线到面、由二维到三维逐层堆积成型的。扫描路径规划主要是生成合理的扫描路径，即根据层片数据确定扫描填充路径。
1.1 扫描方式的选择
填充扫描有很多种方式，常见的有如下图几种[8]：单向栅线扫描(图2a)、垂直栅线扫描(图2b)、分区域栅线扫描(图2c)、斜交叉栅线扫描(图2d)、螺旋形扫描(图2e)和偏置扫描等(图2f)。最近还有人研究了基于分形的扫描填充方式。
图2 常见的填充扫描方式
最常用的扫描方式是各种栅线扫描和偏置扫描。栅线扫描的每一段路径均相互平行，扫描点在边界线内往复扫描。栅线扫描的优点是扫描线规划技术相对简单、灵活，但各栅线之间的连接强度低，导致成型件内部组织具有各向异性的特点，并且在扫描起停响应性能和扫描开断响应性能不好的情况下影响成型精度。偏置扫描从原始轮廓线开始，采用顺序偏移的方式沿着轮廓等距线进行连续扫描，不仅提高了成型件的表面精度，而且减少了扫描启停和开关次数，成型的速度也较快。但生成一个截面的轮廓偏置扫描路径可能需要对轮廓求取成百上千次等距线(与截面的形状有关)，实时生成轮廓偏置线困难。螺旋线扫描能提高加工效率，改善加工精度，但软件编制复杂。
从简化数据处理，提高系统可靠性的角度出发，本仿真系统采用单向栅线扫描。
1.2 扫描路径顺序的规划
填充扫描路径顺序对成型时间和成型件表面质量均有较大的影响。常见的填充扫描路径顺序有以下几种(见图3)。
图3 常见的填充扫描顺序
1)单向扫描方式X X(Y Y)
所有单元层的扫描线都平行于X轴或Y轴，如图3a所示。
2)层间正交方式X Y
每一层只进行单向扫描，但第N层的扫描线方向与第N+1层的扫描线方向正交。应用这种扫描方式的比如FDM工艺，由于其材料不能在同一点处堆积两次，在同一层只能采用单向栅线扫描。采用层间正交方式可以避免各向异性造成成型件在垂直于扫描方向的强度降低，如图3b所示。
3)层内正交方式XY
在每一层内都用相互正交的扫描线进行填充扫描，即先平行于X(或Y)轴进行扫描，再平行于Y(或X)轴进行扫描，如图3c所示。
4)层内正交层间交错方式XYsT
在层内正交XY方式的基础上，增加了变序的特征，即逐层轮换扫描顺序。扫描顺序轮换要考虑3个变量：X和Y的顺序、X的传播方向、Y的传播方向。在对扫描顺序进行编码时，应尽量使相邻层的3个变量发生翻转，这样就可使连续几层中的扫描顺序都不完全相同，这种填充扫描顺序能够防止扫描时引起的应力集中，如图3d。
本仿真系统中，考虑简便性和实用性，采用最基本的扫描填充方式，即单向(X X)栅线扫描，且扫描顺序为，奇数行从左到右扫描，偶数行从右到左扫描。
2 仿真系统的算法
该仿真系统首先输入CLI文件，然后根据所读入数据进行编码。CLI(common layer interface，通用层片接口)描述了实体的21/2D模型，即二维层片集合[9]。每一层是介于两个平行截面之间的体，具有一定的厚度和内外轮廓线，并具有一定的填充形式。内外轮廓线定义了每一层内固态材料的边界，用多义线来表示，正确的轮廓线是封闭的，并且无自相交和与其它轮廓线相交的现象。在CLI中，填充由一系列独立的直线段构成，每一条填充线由其端点的坐标表示。本系统的算法以计算机图形学中多边形区域填充的活性边表算法为基础，按扫描线从低到高的顺序，计算出各条扫描线与多边形的相交区间，再动态地显示光斑的运动轨迹。
设定相邻两条扫描线的间距为1，各层求交的算法如下：
1)建立EL(edgelist，边表)表。
2)将当前扫描线号scan设置为EL表中的最小y坐标值。
3)初始化AEL(activeedgelist，活性边表)表，使其为空。
4)重复下列步骤，直至AEL为空并处理完EL表中所有桶：
①将EL存储桶中y坐标值等于当前扫描线号scan对应的y坐标的所有边结点，用插入排序法插入AEL表中，使之按x坐标递增的顺序排列。对于奇数行，按结点的x坐标值从小到大的顺序进行插入排序，对于偶数行，按结点的x坐标值从大到小的顺序进行排序。
②遍历AEL表，对配对交点之间的区间(左闭右开)进行动态扫描。
③遍历AEL表，将yupper(边上端点的y坐标)=scan的结点从AEL表中删除，并将yupper>scan的结点的x值递增dx。
④遍历AEL表，对所有边结点按x坐标递增的顺序进行排序。
在本算法中，采用链表结构，建立了三类：新边表类TEdge、活性边表类TEdgeList和游标类TEdgeListIterator：
class TEdge
{
friend class TEdgeList;
friend class TEdgeListIterator;
private:
int yUpper;
float x,dx;
Tedge * next;
};
class TEdgeList
{
friend class TEedgeListIterator;
private:
int count;
float poit＿x[100];
float poit＿y[100];
TEdge * active;
TEdge * edges[400];
};
class TEdgeListIterator
{
private:
TEdgeList edgelist;
TEdge * current;
};
由于本算法中相邻两条扫描线的间距为1，而成型中的扫描间距为成型斑点的直径，因此，在进行插入和删除操作时，插入和删除的是当前编号为scan的扫描线对应的结点。
比如当前扫描线号为10，成型斑点直径为10，则下一条扫描线号应为20，在求交步骤4)中应插入扫描线号为20的所有结点，删除上端点y坐标为20的边的结点。
图4所示为圆形截面扫描仿真。根据扫描路径，仿真系统设定行扫描电场和场扫描电场的变化规律，从而控制颗粒的运动轨迹，实现规定的扫描路径和截面的累加成型。
图4 电偏转抛射式快速成型扫描仿真示例
3 结 语
基于电偏转的抛射式快速成型工艺的仿真系统实现了该工艺扫描加工过程的实时模拟，为其试验研究提供了理论分析依据。但由于本研究工作的阶段性，尚未考虑空气阻力和喷射气流等对颗粒运动的影响。
参考文献：
[1] 黄树槐，张祥林，马 黎，等. 快速原型制造技术的进展[Ｊ].中国机械工程，1997，8(5)：12.
[2] 黄树槐，肖跃加，莫建华，等.快速成型技术的展望[Ｊ].中国机械工程，2000，11(1～2)：195—200.
[3] 颜永年，张 伟，卢清萍，等.基于离散/堆积成型概念的RPM原理和发展[Ｊ].中国机械工程，1994，5(4)：64—69.
[4] ＫrutｈＪP.MaterialincreaseManufacturingbyrapidproto typingtecｈniｑues[Ｊ].AnnualofCIRP，1991，40(2)：603—609.
[5] PaulFＪacobs.RapidPrototypingandManufacturing.FundaMentalsofstereolitｈorgrapｈy[M].societyofMan ufacturingEngineers(sME)，1992，5—15.
[6] WoｈlersTT.WorldｗidedevelopMentsandtrendsinrapidprototypingandtooling[A].In：ProceedingsofICRPM’98[C].1998，Beiｊing，Cｈina，1—6.
[7] ＺｈangLianｈong，ＺｈangBaofeng，Lisｈuangyi，etal.AnelectricorMagneticfielddeflection proｊectionbasednovelrapidprototypingtecｈniｑue[Ｊ].清华大学学报(自然科学版)，2002，42(2)：241—245.
[8] 宾鸿赞.生长型制造中薄层分形扫描路径的生成与控制系统[Ｊ].中国机械工程，1998，9(12)：52—56.
[9] CoMMonlayerinterfale(LI)version2.0[Ｚ].ｈttp：//129.69.86.144/raptec/general/cli/CLI＿Ｖ20.ｈtMl.(end)
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(5/3/2005) |
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