快速原型制造技术

1、快速成型与快速模具快速成型与快速模具 制造技术及其应用制造技术及其应用 复习复习 合肥工业大学 机械与汽车工程学院 张 晔 第一章第一章 概论概论_快速制造快速制造 快速制造技术是由快速制造技术是由 计算机辅助设计计算机辅助设计（CAD）、 逆向工程逆向工程（Reverse Engineering，简称，简称RE）、 快速成形快速成形（Rapid Prototyping，简称，简称RP，或或Rapid Prototyping and Manufacturing，简称，简称RP&M）、 快速制模快速制模（Rapid Tooling，简称，简称RT） 一起在信息互联网支持下，形成的一套快速制造一起

2、在信息互联网支持下，形成的一套快速制造 系统的技术。系统的技术。 快速制造技术经过十几年的发展，在快速设快速制造技术经过十几年的发展，在快速设 计、逆向工程、快速成形、快速制模等各方面都计、逆向工程、快速成形、快速制模等各方面都 有了长足的进步。有了长足的进步。 第一章第一章 概论概论_快速制造快速制造 逆 向 工 程 （逆 向 工 程 （R E） 、 快 速 成 形 技 术） 、 快 速 成 形 技 术 （RP&M）和快速制模技术（）和快速制模技术（RT）是先进制）是先进制 造技术和设计技术中相当重要的部分。造技术和设计技术中相当重要的部分。 RE、RP&M、RT在产品设计与制造中在产品设计

3、与制造中 的应用使得产品以优良的品质、低廉的制造成的应用使得产品以优良的品质、低廉的制造成 本加速进入市场。本加速进入市场。 第一章第一章 概论概论_逆向工程体系逆向工程体系 逆向工程的流程：逆向工程的流程： RP（Rapid Prototyping）技术是一种离散）技术是一种离散/ /堆积的加工堆积的加工 技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标轴技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标轴 进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按 特定的成形方法（特定的成形方法（LOMLOM、SLSSLS、FDMFDM、SLASLA

4、等）每次只加工一等）每次只加工一 个截面，然后自动叠加一层成形材料，这一过程反复进行个截面，然后自动叠加一层成形材料，这一过程反复进行 直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。 液态光敏树脂固化液态光敏树脂固化(SLA(SLA，StereolithgraphyStereolithgraphy Apparatus) Apparatus) 熔融沉积成形（熔融沉积成形（FDMFDM，Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling） 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS） 分层实体制造（分层实体制造（

5、LOMLOM） 实体磨削固化实体磨削固化（SGCSGC，Solid Ground CuringSolid Ground Curing） 快速模具快速模具(Rapid Tooling，RT)技术指利用快速原型技术指利用快速原型(Rapid Prototyping，RP)技术制造快速模具，即技术制造快速模具，即RP+RT 三维三维CAD实体模型的获得篇实体模型的获得篇 三坐标测量仪即是坐标测量（三坐标测量仪即是坐标测量（CoordinateMeasuringMachine，CMM），）， 三个方向同时可以测量，具有三坐标测量功能，也就是长、宽、高。以图三个方向同时可以测量，具有三坐标测量功能，也就

6、是长、宽、高。以图 学来讲，即前视图（学来讲，即前视图（FrontView）、上视图（）、上视图（TopView）、侧视图）、侧视图 （SideView）合起来为三视图变成一立体图。）合起来为三视图变成一立体图。 测量的方法有很多，如图所示。测量的方法有很多，如图所示。 数据获取方法数据获取方法 非接触方法非接触方法 接触方法接触方法 光学光学 声学声学 磁学磁学 三角形法三角形法 距离法距离法 结构光法结构光法 图象分析法图象分析法 机械手机械手 坐标测量机坐标测量机 干涉测量法干涉测量法 接触式测量系统接触式测量系统 三坐标测量仪三坐标测量仪 (CMM) 是接触式测量的代表，它是一种发展较

7、为成熟的接触是接触式测量的代表，它是一种发展较为成熟的接触 式测量设备，具有噪声低、精度高（可达式测量设备，具有噪声低、精度高（可达0.5m）、重复性好等优点，但）、重复性好等优点，但 测量速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和测量速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和 测头半径进行补偿，测量数据的特点是高精度低密度。测头半径进行补偿，测量数据的特点是高精度低密度。 早期三坐标测量仪的是早期三坐标测量仪的是使用手动或使用手动或 CNC 利用一个可以做多方向感测指示的利用一个可以做多方向感测指示的 球形电子测头，沿着球形电子测头，沿着 X、Y、Z，

8、3 轴移动以进行测量。测量时，测头与工件轴移动以进行测量。测量时，测头与工件 表面保持切线接触，达到特定压力时，即可触发信号，撷取测头的表面保持切线接触，达到特定压力时，即可触发信号，撷取测头的 X、Y、 Z 方向相对基准点的坐标。经计算机计算处理，可得测头与真实尺寸的关系，方向相对基准点的坐标。经计算机计算处理，可得测头与真实尺寸的关系， 进而纪录点资料并作为后续逆向工程或相关工作做用。进而纪录点资料并作为后续逆向工程或相关工作做用。 将将 CMM 应用在逆向工程物体应用在逆向工程物体 3D 点资料撷取方面作曲面的点资料测量时，点资料撷取方面作曲面的点资料测量时， 测量人员必须先沿着曲面的外

9、型的测头碰触这些点，获得曲面的表面点坐标，测量人员必须先沿着曲面的外型的测头碰触这些点，获得曲面的表面点坐标， 如果规划的点数不多，则可以用人工的方式逐点进行测量，但如果需要点数如果规划的点数不多，则可以用人工的方式逐点进行测量，但如果需要点数 很密集的资料，则人工的方式就不适合了，则需以很密集的资料，则人工的方式就不适合了，则需以 CNC 方式加以辅助。方式加以辅助。 使用接触式时，有这样一些参数需要考虑：使用接触式时，有这样一些参数需要考虑：探头型状、大小、扫描间隔、步探头型状、大小、扫描间隔、步 进距离，允许误差，扫描速度，扫描方向，扫描模态（固定速率或变化速率，进距离，允许误差，扫描速

10、度，扫描方向，扫描模态（固定速率或变化速率， 单向或往复）单向或往复）等。一般扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件形状的等。一般扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件形状的 不同，所以常常要将模型分成不同的区域以不同参数扫描。不同，所以常常要将模型分成不同的区域以不同参数扫描。 非接触式测量系统非接触式测量系统 非接触式测量系统是利用非接触式测量系统是利用LED或激光光源，经聚光透镜直射待测工件或激光光源，经聚光透镜直射待测工件 物体，反射光线经传感器可以测得到位置坐标值，由于传统的接触式物体，反射光线经传感器可以测得到位置坐标值，由于传统的接触式 测量测头较易变形、几何复杂、微小的工件

11、有测量的因难，因此非接测量测头较易变形、几何复杂、微小的工件有测量的因难，因此非接 触式测量系统的使用正逐渐增加。触式测量系统的使用正逐渐增加。 根据物理作用方式的不同，非接触式测量法可分为光学法、工业根据物理作用方式的不同，非接触式测量法可分为光学法、工业CT、 超声波法和磁共振（超声波法和磁共振（MRI）等。）等。 在逆向工程中，光学测量法应用最为广泛。典型的光学测量法有在逆向工程中，光学测量法应用最为广泛。典型的光学测量法有基于基于 三角测量原理三角测量原理的主动式结构光编码测量和的主动式结构光编码测量和基于图象分析基于图象分析的被动式断层的被动式断层 测量。根据编码光的结构，主动式结构

12、光编码的三角测量法可分为单测量。根据编码光的结构，主动式结构光编码的三角测量法可分为单 激光点扫描法、光切法（激光点扫描法、光切法（Light Sectioning）和投影光栅法等。）和投影光栅法等。 其中，单激光点扫描法测量精度高，速度最低。相比之下，投影光栅其中，单激光点扫描法测量精度高，速度最低。相比之下，投影光栅 法精度较低但数据获取速度最高，而光切法的测量精度和速度都较理法精度较低但数据获取速度最高，而光切法的测量精度和速度都较理 想。想。 基于三角测量原理的基于三角测量原理的非接触式测非接触式测 量系统量系统 三坐标测量机的类型三坐标测量机的类型 (1)按自动化程度分按自动化程度分

13、 (a)数显示及打印型数显示及打印型 (b)带小型计算机的测量机带小型计算机的测量机 (c)计算机数字控制计算机数字控制(CNC) 型型 (2)按结构形式与运动关系分类按结构形式与运动关系分类 移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪器台式移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪器台式 等。等。 (3)按测量范围分类按测量范围分类 (a)小型坐标测量机小型坐标测量机 (b)中型坐标测量机中型坐标测量机(c)大型坐标测量机大型坐标测量机 (4)按精度分类按精度分类 低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体在低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体在110-4L左右，而

14、空间最大左右，而空间最大 测量不确定度为测量不确定度为(23)l0-4L，其中，其中L为最大量程；中等精度的其单轴与为最大量程；中等精度的其单轴与 空间最大测量不确定度分别约为空间最大测量不确定度分别约为110-5L和和(23)10-5L；精密度的则分；精密度的则分 别小于别小于110-6L和和(23)10-6L。 (5)按测量探头是否和零件表面接触分类按测量探头是否和零件表面接触分类 三坐标测量机按测量探头是否和零件表面接触可分为接触式、非接触式。三坐标测量机按测量探头是否和零件表面接触可分为接触式、非接触式。 非接触式又可分为激光式、光学式等。非接触式又可分为激光式、光学式等。 三坐标测量

15、的应用三坐标测量的应用 3D扫描的应用扫描的应用 医学医学 质量管理质量管理 CAD/CAM 其它其它 几何造型几何造型 1、CNC模具与零件加工模具与零件加工 2、电极制作、电极制作 3、RP实体模型实体模型 检测检测 立体定位手术立体定位手术 人体测量人体测量 1动画动画 2电影电影 3广告广告 4虚拟世界虚拟世界 美容美容 服装设计服装设计 化妆化妆 三坐标测量机的典型应用三坐标测量机的典型应用 (1)应用行业应用行业 模具及机加工具模具及机加工具 汽车制造汽车制造 玩具玩具 兵器兵器 航空航天航空航天 造船造船 家用电器家用电器 医医 学整形学整形 乐器乐器 考古考古 动画设计动画设计

16、 (2)应用部门应用部门 产品设计部门产品设计部门 柔性三坐标测量柔性三坐标测量 逆向（反向）设计逆向（反向）设计 设计改进设计改进 快速设计快速设计 快速模具快速模具 零零 部件存档部件存档 修改存档修改存档 产品性能仿真及计算机辅助工程产品性能仿真及计算机辅助工程CAE 生产车间及设备检修部门生产车间及设备检修部门 现场测量现场测量 重大物体测量重大物体测量 在线检测在线检测 模具修改存档模具修改存档 设备检修设备检修 品质保证部门品质保证部门 快速测量快速测量 在线检测在线检测 质量检测质量检测 配套零部件质量监控配套零部件质量监控 管理部门管理部门 制造过程优化制造过程优化 运行风险控

17、制运行风险控制 运行成本控制运行成本控制 第三章第三章 光学照相法柔性测量系统光学照相法柔性测量系统 ATOS II XL简介 COMET Vari Zoom简介 第四章第四章 激光式柔性柔性测量系统激光式柔性柔性测量系统 Flex ME简介（美.CIMCORE新科.3000i柔性测量臂 +PERCEPTRON普赛.激光扫描测头） KonacaMinolta Vivid 9i（日本.美能达） ROMER_G-SCAN（比利时.Metris） FARO+Kreon激光扫描系统（美.FARO法如.关节 臂+法.Kreon.激光扫描头） 第五章第五章 逆向技术概述逆向技术概述 测量数据的三维实体重构

18、是目前逆向工程领域研究的测量数据的三维实体重构是目前逆向工程领域研究的“瓶瓶 颈颈”。 工程实际中原型往往不是由一张简单曲面构成，而是由大量初等工程实际中原型往往不是由一张简单曲面构成，而是由大量初等 解析曲面（如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等）及部分解析曲面（如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等）及部分 自由曲面组成，故自由曲面组成，故三维实体重构的任务三维实体重构的任务是：是： 将测量数据按实物原型的几何特征进行分割，将测量数据按实物原型的几何特征进行分割， 针对不同数据块采用不同的曲面建构方案（如初等解析曲面、针对不同数据块采用不同的曲面建构方案（如初等解析曲面、B- splin

19、e曲面、曲面、Bezier曲面、曲面、NURBS曲面等）进行造型，曲面等）进行造型， 将这些曲面块拼接成实体。将这些曲面块拼接成实体。 目前比较流行的复杂曲面重构软件有美国目前比较流行的复杂曲面重构软件有美国IMAGEWARE公司的公司的 Surface，法国，法国MATRA公司的公司的Equlid styler，英国，英国DELCAM公司公司 的的CopyCAD等，它们大都具有等，它们大都具有“点云点云”数据处理、曲线曲面构造、数据处理、曲线曲面构造、 曲面拼接、重构质量分析等功能。曲面拼接、重构质量分析等功能。 实体造型还需借助通用实体造型还需借助通用CAD软件，如软件，如Pro/E、UG

20、、CATIA、 Cimatron以及以及Strim等。初等解析曲面的造型相对比较成熟，等。初等解析曲面的造型相对比较成熟，自由自由 曲面的曲面的CAD建模是逆向工程的关键技术之一建模是逆向工程的关键技术之一。 1.数据预处理技术数据预处理技术 测量资料的预处理分为两个部分：一般点数据预测量资料的预处理分为两个部分：一般点数据预 处理及特征曲线的萃取。处理及特征曲线的萃取。 点数据预处理。点数据预处理。主要有点资料乱点排序、点重组、重主要有点资料乱点排序、点重组、重 新取点、点资料的分隔、方向重组、乱点滤除、平滑新取点、点资料的分隔、方向重组、乱点滤除、平滑 化等，可将扫描过程中所产生的乱点或噪

21、声予以抑除，化等，可将扫描过程中所产生的乱点或噪声予以抑除， 得到一较正确且易处理的资料点，以利于曲面重建。得到一较正确且易处理的资料点，以利于曲面重建。 特征曲线的萃取。特征曲线的萃取。对于激光扫描点数据的边界分隔则对于激光扫描点数据的边界分隔则 是非常重要，由于激光扫描系统是采平行扫描的方式，是非常重要，由于激光扫描系统是采平行扫描的方式， 因此点资料并不能依照工件的几何形状分布，必须经因此点资料并不能依照工件的几何形状分布，必须经 过特征曲线的萃取以辅助扫描点数据的重新分布。过特征曲线的萃取以辅助扫描点数据的重新分布。 对测量数据进行预处理的主要内容对测量数据进行预处理的主要内容 1噪声

22、去除 2数据匀化(数据补全) 3数据压缩 4曲线曲面的光顺处理 2.2.特征提取与数据分块技术特征提取与数据分块技术 特征提取特征提取主要针对平面、柱面、球面、锥面等二次曲主要针对平面、柱面、球面、锥面等二次曲 面的识别与点云数据分块，其主要方法可大致分为三面的识别与点云数据分块，其主要方法可大致分为三 种种： 基于边的方法（Edge-Based Method） 基于面的方法(Surface-Based Method) 混合法（Hybrid Method）。 数据分块数据分块是指将点云数据划分成互不重叠、特征单一是指将点云数据划分成互不重叠、特征单一 的连通区域。的连通区域。 由区域分割的定义

23、不难看出，数据分块与特征提取具有其 内在的联系，两者密不可分，属“蛋”与“鸡”的问题。 通过数据分块进行曲面重建是逆向工程建模的基本方法。 特征提取的方法特征提取的方法 基于边的方法： 主要针对图象数据的几何特征提取与区域分割。分割特征包括：尖边 （Crease Edge）、跳跃边（Jump Edge）、光顺边（Smooth Edge,Virtual Edge）三种边界上的点及曲面上的点，根据边界数据点 曲率的特殊性（极值点，不连续点）识别Crease edge与Jump edge上 的点，然后利用边界数据点将图像数据分割成互不连通的独立区域。 正象所有的基于边的区域分割方法一样，这种方法不能

24、识别Smooth Edge，而且识别的边界通常不封闭，因此该方法很难获得良好结果。 基于面的方法： 主要应用二次曲面法矢、曲率(平均曲率和高斯曲率)具有一定规律的 特性进行区域分割。基于面的方法又可细分为基于二次曲面曲率特殊 性的方法和拟合误差控制的方法。 误差控制和几何约束求解： 多数产品零件外形含有大量二次曲面，并且它们之间一般满足一定的 位置约束关系，而在以往的特征曲面拟合算法中只以单一曲面的拟合 误差最小作为优化条件。实际上复杂的逆向工程建模提出了要求满足 一定几何约束关系的特征曲面整体优化计算与特征分离问题。 3.3.曲面重构技术曲面重构技术 在逆向工程的技术发展中有一重要课题，即是

25、建立产品的 CAD模型，并由此可再进一步的到CAM处理或CAE的分析， 而仿制出产品的外型。 CAD模型是由许多不同的几何形状所组合而成，而每一种几 何形状皆有其特性。 曲面重构是逆向工程的最重要的一步，也是反求工程CAD 建模的主要目的之一。 曲面重构曲面重构是以所测量的CMM或扫描点资料为输入资料来重 新建构曲面模型。 得到产品的数据资料后，用逆向工程软件进行点资料的处理，经 过分门别类、群组区隔、点线面与实体误差的比对后，在重新建 构曲面模型，产生CAD资料，制造或NC加工或RP制作。 重构曲面的品质和精度直接影响最终产品的CAD模型的优劣。 曲面重构的步骤曲面重构的步骤 (1)构思分割

26、曲面 在建立曲面前，应先了解曲面变化的情况，也就是了解如何 利用各种特征曲线去制造出所须的曲面，并规划出如何分割 曲面，并且还要注意面与面之间必须一致，视其曲面的形状 及走向来决定曲线。 曲面重构的方法很多，可以由点资料所组成的图素中截取所 要的特征曲线，加以铺设曲面。也可以利用加工路径的原理， 设定刀具，设定精度，设定加工方式，对图素作加工的仿真， 取得各种加工路径成为曲面重建的工作图素， (2)选取特征曲线 利用刀具路径的方法取得的3D曲线后，再利用2D设计图的轮 廓线，进行曲面分割。 (3)曲面光顺处理 利用完成的曲面，产生triangle格式，并着色检查其表面的品质。 通过对经线（la

27、t）、纬线（lon）的向量的调整可进行光顺处 理，若曲面变化不大则可减少经线（lat）及纬线（lon）的数 量，并且也可利用轮廓线来修整曲面边界。 4.4.反求工程反求工程CAD造型软件造型软件 随着反求工程技术的不断发展和应用，商业化 的反求工程软件也不断涌现并日渐成熟。 目前较为成熟的通用反求工程软件有： Surfacer Imageware Geomagic Delcam Cimatron Strim 反求模型文件输出格式反求模型文件输出格式 计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，其中常用 的有IGES、HPGL、STEP、DSF、STL等。 （1）IGES（Internati

28、onal Graphics Exchange Standard）是大多数CAD系统采 用的一种美国标准，可支持不同文件格式间的转化； （2）HPGL（HP Graphics Language）是HP公司开发的一种用来控制自动绘 图机的语言格式，它已被广泛地接受，成为一种事实标准。这种表达格式 的基本构成是描述图形的矢量，用X和Y坐标来表示矢量的起点和终点， 以及绘图笔相应的抬起和放下。一些快速成形系统也用HPGL来驱动它们 的成形头； （3）STEP（Standard for The Exchange of Product）是一种正在逐步国际标准 化的产品数据交换标准。目前，典型的CAD系统都

29、能输出STEP格式文件， 有些快速成形技术的研究工作者正试图借助STEP格式，不经STL格式的转 化，直接对三维CAD模型进行切片处理，以便提高快速成形的精度； （4）DXF是用于AutoCAD输出的一种格式，它已广泛地为其它PC系统所采 用； （5）STL（StereoLithography interface specification）是快速成形机常采用的 一种格式。 RP系统的基本工作原理系统的基本工作原理 RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有 一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们 逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。 整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统

30、自动完成的。 不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系 统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一 样的，那就是“分层制造、逐层迭加”。这种工 艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”。 每个截面数据相当于医学上的一张CT像片 整个制造过程可以比喻为一个“积分”的过程。 RP技术的应用技术的应用 RP系统可在未实际生产制造产品之前，制作出与实际产品的模型， 分送各个部门做正确的评估。在逆向工程中RP样件可以: 1设计评估（DesignReview） RP原型可作为设计过程所用的概念模型（ConceptModel），它比图面或计算机 图形更能表达设计者的概念，且更能让非专业人员一目了然地评估产品

31、。 2设计确认（DesignVerification） RP原型是依据CAD模型制造出来。任何复杂的机构或形状的工件都可以不须经 过任何机械加工，由RP系统制造，进而设计或组装测试。CAD可提供迅速修改 设计的能力，再搭配RP系统快速制造，节省加工程序设计之花费，避免设计错 误或修改所造成的成本浪费。 3评估加工制造特性（Manufacturability） 制造部门可依据RP工件仿真加工方法及流程，在末实际加工前，找出加工限制， 提供设计者做为修改设计的依据，从而降低制造成本，加强产品品质。 4可作为各式模具的样模（PatternsforMould） RP原型可作为翻砂铸造、脱腊铸造、压铸、

32、射出模，真空成型或硅胶模的原型。 由RP原型翻制模具只须几天的时间，而不需耗上数周或数月的时间。 5产品展示（Presentation） RP工件可提供客户在买卖前对产品进行深入的评估。若客户认为产品应做某 些修正，RP系统也可在短时间内依据修改后的资料，重新制作产品模型，满 足客户的需求。 RP技术的发展状况技术的发展状况 据统计，目前世界上已有数百所大学、研究机构和企业 正在研究和开发RP技术。国外RP技术的研究和应用主要 集中在美国、欧洲和日本。从技术、材料和应用等方面 比较来看，总的情况是美国领先于欧洲和日本，欧洲和 日本平分秋色。我国在这方面的发展起步较晚，但发展 迅速，据美国Woh

33、lers Associates咨询公司称，2002年中 国RP设备台数仅次于美国和日本，居世界第三位。 RP技术应用发展很快，一个显著的指标是RP服务机构的 数量和收入的快速递增。 90年代中后期，国外RP服务的数量以每年59%的速度递 增，可以说，国外已经从对RP工艺的熟悉、观望、尝试 性应用阶段进入了将RP真正作为产品开发的重要环节， 提高产品开发质量、加快产品开发速度的阶段。 RP与相关技术的关系与相关技术的关系 RP集成了机械工程、计算机控制、机械工程、计算机控制、CADCAD、数控技、数控技 术、检测技术、激光材料术、检测技术、激光材料等各种学科的前沿技 术，是一种典型的高新技术。

34、(1)RP与CAD技术的关系 (2)RP技术与材料科学的关系 (3)RP与数控技术的关系 (4)RP与激光技术的关系 (5)RP与其它相关技术的关系 总之，总之，RPRP技术是多学科的技术集成，它是各门技术是多学科的技术集成，它是各门 学科协调发展的结果，同时，又为各门学科的学科协调发展的结果，同时，又为各门学科的 发展增添了新的研究内容。发展增添了新的研究内容。 RPRP技术的发展趋势技术的发展趋势 (a)采用金属材料等高强度材料直接成形是RP重 要发展方向 (b)不同制造目标相对独立发展 (c)向大型制造与微型制造进军 (d)追求RP的更快的制造速度、更高的制造精度、 更高的可靠性 (e)

35、更广泛地和其它科学相交融，形成交叉学科 (f)RP设备将日趋人性化和智能化 第六章第六章 快速原型制造的前处理快速原型制造的前处理 快速成形的全过程可归纳为三个步骤：快速成形的全过程可归纳为三个步骤： 1）前处理前处理 包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处理、包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处理、 模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。 2）分层叠加成形分层叠加成形 是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作与截是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作与截 面轮廓的叠合。面轮廓的叠合。 3）后处理后处理 包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、

36、抛光和表包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表 面强化处理等。面强化处理等。 快速原型制造前处理的内容快速原型制造前处理的内容 快速原型制造的前处理问题，包括：快速原型制造的前处理问题，包括： 样件的三维模型的构造样件的三维模型的构造 确定成形方向（确定成形方向（Orientation） 必要时建立支撑结构（必要时建立支撑结构（Support） 切片处理切片处理 3. 3. 接口转换（接口转换（Interface）与）与STL格式文件格式文件 RP系统无法直接读取三维CAD模型文件，要经过转换接口处理。 接口的好坏与加工时扫描路径有密切的关系。 在计算加工轨迹时，需求出物体每一层的轮廓，

37、轮廓必须是连续的， 不能有破洞或空隙，才能判别轮廓内外何者为须扫描的区域。 最常见的方法是： 先将三维CAD模型转换成STL格式模型 再对STL格式模型进行切片处理 STL格式已广为RP系统使用，许多CAD系统都将它纳入成为系统 的一部份，一般在CAD系统中只要先设定适当精度，就可由STL 接口将CAD实体转为许多小三角形平面。 多数反求软件也可直接将处理过的点群转为STL格式。 STL就是STereo Lithography的缩写，它是将三维模型的表面近将三维模型的表面近 似表达为小三角形平面的组合似表达为小三角形平面的组合，非常相似于有限元分析中的三结 点平面单元。STL格式文件包括许多三

38、角形平面的顶点坐标及法线 向量。 STL文件的格式文件的格式 STL文件的主要优势在于表达简单清晰，文件中只包 含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法向量，属 于“中性”文件。 STL数据格式的实质是用许多细小的空间三角形面空间三角形面来 逼近还原CAD实体模型，这类似于实体数据模型的表 面有限元网格划分。 STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量三角形法向量的三个分量 及三角形的三个顶点坐标三角形的三个顶点坐标来实现的。 STL文件记载了组成STL实体模型的所有三角形面，它 有二进制(BINARY)和文本文件(ASCll)两种形式。 ASCII文件格式的特点能被人工识别并被修改，但是

39、由 于该格式的文件占用空间太大(一般6倍于BINARY形式 存储的STL文件)，因此主要用来调试程序。 STL文件的精度文件的精度 STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体 模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近小三角形数量的多少直接影响着近似逼近 的精度的精度。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。 STL文件是面向快速成型制造的，过高的精度要求也是不必要的。 所以，从CADCAM软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制精度指标和控制 参数参数应该根据CAD模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进 行综合考虑。 不同的CADCAM系统输出STL格式文件的精度控

40、制参数 是不一致的，但最终反映STL文件逼近CAD模型的精度指 标表面上是小三角形的数量，实质上是三角形平面逼近曲三角形平面逼近曲 面时的弦差的大小面时的弦差的大小。 弦差指的是，近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。 STL文件的基本规则文件的基本规则 (1)取向规则取向规则。 (2)点点规则点点规则。每一个合理的实体面至少应有 1.5 条边，因此应该满足三个 约束条件： 1) 面必须是偶数的； 2) 边必须是 3 的倍数； 3) 2边 = 3 面。 (3)取值规则取值规则。STL文件中所有的顶点坐标必须是正的，零和负数是错的。 STL文件不包含任何刻度信息，坐标的单位是随意的。很多快速成

41、型前处 理软件是以实体反映出来的绝对尺寸值来确定尺寸的单位。STL文件中的 小三角形通常是以Z增大的方向排列的，以便于切片软件的快速解算。 (4)合法实体规则合法实体规则。STL文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所有 表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏(即不能有裂缝或孔洞)， 不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过等。 常见的常见的STL文件错误文件错误 遗漏 正确的STL文件所含有的点、边、面和构成的实体数量必须满足欧拉公式： F-E+V=2-2H,其中，F(Face)、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分别指面数、边数、点 数和实体中穿透的孔洞数。 如

42、果一个STL文件中的数据不符合上述的欧拉公式，则该STL文件就有漏洞，在 切片软件进行运算时就会产生某一边不封闭的后果，直接造成在快速成型制造 中激光束或是刀具行走时漏过该边。 出现遗漏的原因：一是两个小三角形片面在空间的交差（实体布尔运算出错） 二是在两个连接表面三角形化时不匹配造成的。 退化面 退化的面不会造成快速成型加工过程的失败。主要包括以下2种类型： (1)点共线。不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。 (2)点重合。在数据转换运算时造成这种结果。 退化面的数据要占据空间，而且这些数据有可能使快速成型前处理的分析算法 失败，并且使后续的工作量加大和造成困难。 模型错误 由CA

43、DCAM系统中原始模型的错误造成，将在快速成型制造过程中表现出来。 错误法矢面 进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所 得法向量的方向相反。 STL文件浏览和编辑文件浏览和编辑 目前，已有多种用于观察和编辑(修改)STL格式文件的专用软件： 软软 件件 名名 称称开开 发发 商商功功 能能网网 页页 Rapid Prototyping Rapid Prototyping ModuleModule I m a g e w a r eI m a g e w a r e CorpCorp (USA)(USA) 观察，侦错，观察，侦错， 修改，修改，STLSTL文文

44、件剖分等件剖分等 http:/ ucts/plm/imagewareucts/plm/imageware/ / RapldRapld Editor EditorDeskArtes Oy(FinlandDeskArtes Oy(Finland) ) 观察，侦错，观察，侦错， 修改修改 http:/WWW.deskartes.fihttp:/WWW.deskartes.fi / / S o l i d V i e wS o l i d V i e w / R P / R P MasterMaster SolidConcept(USASolidConcept(USA) ) 观察，测量，观察，测量，

45、编辑编辑 http:/www,solidconcepthttp:/www,solidconcept / STL ToolkitSTL Toolkit STL EditorSTL Editor F l o a t i n g P o i n t F l o a t i n g P o i n t SolutionsSolutions 观察，打印，观察，打印， 编辑和转换编辑和转换 http:/WWW.Fhttp:/WWW.F / STL/ViewSTL/ViewCompunix lncCompunix lnc. .图形显示图形显示 http:/www.cadcam-http:/www.cadca

46、m- MagicsMagics MaterialiseN.V.(BelgMaterialiseN.V.(Belg iumium) ) 观察，测量，观察，测量， 变换，修改，变换，修改， 加支撑等加支撑等 http:/www.Materialise.http:/www.Materialise. comcom/ / 3DView 3.03DView 3.0ActifvActifv观察，测量等观察，测量等http:/http:/ / 4.4.三维模型的切片处理及切片软件三维模型的切片处理及切片软件 快速成型属于分层实体制造，故在快速成型系统中， 切片处理及切片软件是极为重要的。切片的目的是要 将模型

47、以片层方式来描述。通过这种描述，无论零件 多么复杂，对每一层来说却是很简单的平面。 切片处理是将计算机中的几何模型变成轮廓线来表述。 这些轮廓线代表了片层的边界，是用一个以Z轴正方向 为法向的数学平面与模型相交计算而得的，交点的计 算方法与输入的几何形状有关，计算后得到的输出数 据是统一的文件格式。轮廓线是由一系列的环路来组 成的，由许多点来组成一个环路。 切片软件的主要任务是接受正确的切片软件的主要任务是接受正确的STL文件，并生成文件，并生成 指定方向的截面轮廓线和网格扫描线。指定方向的截面轮廓线和网格扫描线。 切片方法切片方法 1STL切片 (1) 直接STL切片 只要求得切片平面与所有

48、与该平面相交的小三角形平面的交线就能 求得切片平面内成形件的廓线，这就将问题转化成简单的求两平面 的交线问题，然后再将求得的交线端点按外环反时针、内环顺时针 排序，就可得到切片平面内成形件的内外廓线，供快速成形机进行 数控加工（固化、切割或涂覆、烧结）。 精度损失（曲面小平面，曲线折线）。 (2) 容错切片 (3) 定层厚切片 (4) 适应性切片 2直接切片 直接从CAD模型中获取截面描述信息。 在加工高次曲面时，直接切片(Direct Slicing)明显优 于STL方法。 快速原型制造的过程快速原型制造的过程 1准备工件（准备工件（PartPreparation） A.分层（Slice）

49、分层处理软件是读取STL资料，根据加工方式设定分层厚度（约0.10.25mm） 及截面路径（Hatch）间距后，算出边界路径（Border）与截面路径（X， YHatch）。 分层厚度视加工方式而定，有开环控制与闭环控制之分。对于LOM型一般是 闭环的，也就是根据当前层迭的材料厚度确定下一层的层高。对于其它加工 类型一般是固定厚度（约0.1250.25mm）。 B.加工参数 要设定的加工参数（PrePare，Merge）视加工方式不同而不同。如SLA的主 要加工参数树脂硬化深度（CureDepth）、液面水平调整参数 （RecoatingParameter）等。树脂硬化深度比分层厚度大，这样各

50、层间才会 相互重迭，结合为一体，液面水平之调整是靠上下移动之浮筒（Plunger） 调整液面高度，以前后移动之刮板（Recoater）抹平液面。LOM的主要加工 参数包括激光切割时的功率和速度、激光切割废料网格的功率和速度、工件 边框的参数等。 2加工（加工（build） 例如：SLA的加工程序有液面水平调整及激光扫描。激光扫描速度是根据树脂硬 化深度自动算出，激光直径约为0.25mm，扫描间距约为0.25mm。LOM的加工程 序有覆加材料、加热加压、测定当前层高、按截面形状切割等。 1. 立体印刷立体印刷(SLA，Stereolithgraphy Apparatus)成形技术成形技术 成形材

51、料成形材料：液态光敏树脂；：液态光敏树脂； 制件性能制件性能：相当于工程塑料或蜡模；：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 基本工作原理基本工作原理： 用紫外激光在光敏树脂表面扫描，令其有规律地固化，由点到线，再到 面，完成一个层面的建造，每次产生零件的一层。在扫描的过程中，只有 激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方，液态树脂才会发生聚 合反应形成固态。每一层固化完毕之后，升降工作台移动一个层 片厚度的距离，然后将树脂涂在前一层上 ，再建造一个层。如此反复，每形成新的 一层均粘附到前一层上，直到制作完零

52、件 的最后一层，成为一个三维实体。这样零 件就堆积完毕，再对零件进行一些必要的 后处理，整个制做过程就完成了。后处理，整个制做过程就完成了。 主要优点主要优点： 操作环境干净、安全可在办公室环境下 进行，制造速度快，材料的质感与ABS相近，材料缩小率低（约在 0.0050.008之间）。适于快速制造小齿轮（尤其是具有小齿者）、小功 能件、薄壁小件、造模的用缩小比例件。 SLA的特点的特点 优点： 成形过程自动化程度高 表面质量优良 可以制作结构十分复杂的模型 缺点： 成形过程中伴随物理和化学变化，制作较易弯曲，需要支撑 设备运转及维护成本较高 可作用的材料种类较少 液态树脂有气味和毒性，且需要

53、避光保护 需要二次固化 液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料，较脆，易断裂， 不便进行机加工 SLA的后处理的后处理 原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留 510min（晾干） 将原型和工作台一起斜放景干，并将其浸入丙酮、 酒精等清洗液中，搅动并刷掉残留的气泡，45min后 放入水池中清洗工作台 由外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构 再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。 SLA的支撑结构的支撑结构 常用的有： 斜支撑 直支撑 单腹板 双腹板 十字壁板 SLA的材料、变形及控制的材料、变形及控制 材料： 自由基光固化树脂 阳离子光固化树脂 混杂型光固化树脂 变形 成型过程中树脂收

54、缩产生变形 零件后固化时收缩产生变形 变形的控制 选择合适的扫描轨迹和扫描间距以减少残存的液态树脂 改进树脂的配方，在收缩性树脂中引入适当量的膨胀型 单体 SLA的应用的应用 汽车 航空 医学 最早公开上市的SLA系统（美国 3DSystems公司），其机型有四种形式： SLA-190、SLA-251、SLA-400、SLA-500， 数字所代表的意义为可加工之工件的大约 宽度，单位为mm。 2. 熔融沉积成形（熔融沉积成形（FDM，Fused Deposition Modeling） 成形材料成形材料：固体丝状工程塑料；：固体丝状工程塑料； 制件性能制件性能：相当于工程塑料或蜡模；：相当于工

55、程塑料或蜡模； 主要用途主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 基本工作原理基本工作原理： 将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化， 在移动头的运动过程中挤压喷出细丝，按零件的截面 形状沉积成一薄层，这样逐层堆积制成一个零件。在 沉积过程中，喷头受水平分层数据的控制沿XY移动， 同时半流动融丝从FDM喷头中挤压出来，必须精确控 制从挤压头孔流出的材料数量和喷头的移动速度，当 它和前一层相粘结时很快就会固化，整个零件是在一 个活塞上制作的。该活塞可以上下移动，当制作完一 层后活塞下降，为下一层制作留出层厚所需的空间。 FDM可以使用很多种材料，任何有

56、热塑特性的材料均 可作为其候选材料。 主要优点主要优点： 操作环境干净、安全可在办公室环境下进行，制造 速度快，材料的质感与ABS相近，材料缩小率低（约 在0.0050.008之间）。适于快速制造小齿轮（尤其是 具有小齿者）、小功能件、薄壁小件、造模的用缩小 比例件。 FDM的特点的特点 优点： 系统原理和简单，运行安全，可以使用无毒材料 成形速度快 可用蜡成型用于失蜡铸造 成型过程中无化学变化，变形小 原材料利用率高 无需清洗 缺点： 表面有较明显的条纹 沿成型轴垂直方向的强度比较弱 需要设计与制作支撑结构 需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长 原材料价格较贵 FDM的后处理的后处理 将制

57、件从工作台上取下 打磨、喷漆、电镀、拋光 FDM的材料的材料 材料： 成型材料： ABS，医学专用ABSi、MABS塑料丝、蜡丝、聚烯 烃树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝等 支撑材料 各种能够承受一定高温、与成型材料不浸润、具有 水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性好 的材料 FDM的应用的应用 汽车 机械 航空航天 家电 通讯 电子 建筑 医学 外观评估，方案选择、装配检查、功能测试、看样订货、 开模前校验等 主要的系统有美国sratasys公司的FDM系统。 3. 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering） 成形材料成形材料：工程塑料粉末；：

58、工程塑料粉末； 制件性能制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；：相当于工程塑料、蜡模、砂型； 主要用途主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 基本工作原理基本工作原理： 利用红外激光光束所提供的热量熔化热 塑性材料以形成三维零件。在制作区域 均匀铺上一薄层热塑性粉末材料，然后 用激光在粉末表面扫描零件的截面形状， 激光扫描到的地方粉末烧结形成固体， 激光未扫描到的地方仍是粉末，可以作 为下一层的支撑并能在成形完成后去掉， 上一层制作完毕后，再铺平一层粉末， 继续扫描下一层。SLS使用的原料有蜡、 聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙 和金属材料等。 主要优点

59、主要优点： 可快速交货（依成品大小区分，一般约 在24天）。不需支撑。可直接制造出 金属件，可作为塑料注塑成形模具。 SLS的特点的特点 优点： 可采用多种材料（加热时粘度降低即可） 制造工艺简单 高精度（原料颗粒为0.1mm以下时能达到1%） 材料利用率高，价格便宜，成本低 无需支撑结构 缺点： 能量消耗高 原型表面粗糙、疏松多孔 SLS的材料的材料 材料： 各类粉末： 金属、陶瓷、石蜡、聚合物 尼龙、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、 蜡粉、金属粉、覆裹热凝树脂的细砂、覆蜡陶瓷粉、 复蜡金属粉等 粉末粒度一般在0.0500.125mm之间 SLS的应用的应用 直接制作快速模具 复杂金属零件的快速无模具铸造 此类系统此类系统主要有美国DTM公司的 SLS系统及德国EOS公司之Stereos系统等 4. 4. 分层实体制造（分层实体制造（LOM，Laminated object Manufacturing） 成形材料成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；：涂敷有热敏胶的纤维纸； 制件性能制件性能：相当于高级木材；：相当于高级木材； 主要用途主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。 基本工作原理基本工作原理： 用激光按该层零件的轮廓剪切，零件 轮廓以外的部分用激光剪切成网格状 碎片以便零件制作完毕之后移去。每 一层箔材之间涂有热溶胶，