快速成型的前处理后处理与精度

快速成型的前处理后处理与精度第1页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度快速成型的前处理包括CAD三维模型的构建、CAD三维模型的STL格式化以及三维模型的切片处理等。第2页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法⑴应用计算机三维设计软件，根据产品的要求设计三维模型；⑵应用计算机三维设计软件，将已有产品的二维图纸转化为三维模型；⑶仿制产品时，应用反求设备和反求软件，得到产品的三维模型；⑷利用Internet网络，将用户设计好的三维模型直接传输到快速成型工作站。第3页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法1.用计算机辅助设计软件构建三维模型（概念设计）在计算机上，用三维CAD软件，根据产品的要求，可以设计其三维模型，或将已有的产品的二维三视图转换成三维模型。第4页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）对存在的的物理模型或实物样件，若要进行仿制或再设计，必须对实物进行三维数字化处理，数字化手段包括传统测绘及各种先进测量方法，这一模式即为反求工程，或称逆向工程（RE)第5页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）第6页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）逆向工程设备：

①测量机：获得产品三维数字化数据（点云/特征）；

②曲面/实体反求软件：对测量数据进行处理，实现曲面重构，甚至实体重构；

③CAD/CAE/CAM软件；

④数控机床；

第7页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）在制造领域，反求工程具体表现为对已有物体的参照设计，通过实物的测量构造物体的几何模型，进而根据物体的具体功能进行改进设计和制造。反求工程广泛应用在汽车、航空、模具等领域。第8页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）常见的扫描机有传统的坐标测量机（CMM）、激光扫描机（LS）、零件断层扫描机（CSS）、计算机X射线断层照相术（CT）以及磁共振成像（MRI）。第9页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）（1）三坐标测量机将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。

三坐标测量机的组成：

①主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）；

②测头系统；

③电气控制硬件系统；

④数据处理软件系统（测量软件）；

第10页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）（1）三坐标测量机第11页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）（1）三坐标测量机第12页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）（2）三维激光扫描机第13页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）（3）CT扫描及数据转化CT扫描已广泛应用于医疗诊断、假体设计、工业检测和三维数字化，目前比较的一种CT扫描是螺旋式CT扫描。其原理是：

用该扫描机对实体（如人体）扫描时，实体在一个门架中连续地向前缓缓移动，装于门架上的X射线管和检测系统围绕实体连续转动并采集数据。第14页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.1三维模型的构建方法2.运用反求工程构造三维模型的方法（逆向工程）（3）CT扫描及数据转化用CT扫描采集数据CT图像分割CT轮廓分割表面建模表面模型的修改第15页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度

快速成型制造设备目前可以接受诸如STL、SLC、CLI、RPI、SIF等多种数据格式。其中由美国3DSystems公司开发的STL文件格式可以被大多数快速成型机所接受，被工业界认为是目前快速成型数据的标准，几乎所有类型的快速成型制造系统都采用STL数据格式。第16页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.2三维模型的STL格式化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。STL数据格式的实质是用许多细小的空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。第17页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三3.1快速成型的前处理第三章快速成型的前处理、后处理和精度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的精度。精度要求越高，选取得三角形应该越多。但是，就本身面向快速成型制造要求的CAD模型的STL文件，过高的精度要求也是不必要的。3.1.2三维模型的STL格式化第18页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度1.STL格式文件的规则（1）共顶点规则每个平面小三角形必须与每个相邻的平面小三角形共用两个顶点。3.1.2三维模型的STL格式化3.1快速成型的前处理第19页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度1.STL格式文件的规则（2）取向规则用平面小三角形中的顶点排序来确定其所表达的表面是内表面或外表面。逆时针的顶点排序表示该表面为外表面；顺时针的顶点排序表示该表面为内表面。3.1.2三维模型的STL格式化3.1快速成型的前处理第20页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度1.STL格式文件的规则（3）取值规则每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数零或负数是错误的。（4）合法实体规则STL格式不得违反合法实体规则，又称充满法则。即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面。3.1.2三维模型的STL格式化3.1快速成型的前处理第21页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度2.STL格式文件的错误和纠错软件由于CAD软件和STL文件格式本身存在的问题，以及转换过程中造成的错误，使产生的STL格式文件难免有少量缺陷，其中常见的有以下几种：⑴出现违反共顶点规则的三角形；⑵出现违反取向规则的三角形；⑶出现错误的裂缝或孔洞；⑷三角形过多或过少；⑸微小特征遗漏或出错。3.1.2三维模型的STL格式化3.1快速成型的前处理第22页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理在快速成型制造系统中，切片处理及切片软件是极其重要的。切片的目的是要将模型以片层方式来描述。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。切片软件的主要任务是接受正确的STL文件，并生成指定方向的截面轮廓第23页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理1.成型方向的选择不同的成型方向会对工件品质（尺寸精度、表面粗糙度、强度等）、材料成本和制作时间产生很大的影响。⑴成型方向对工件品质的影响

一般而言，无论哪种快速成型方法，由于不易控制工件Z方向的翘曲变型等原因，使工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向更易保证。应将精度要求较高的轮廓尽可能放置在X-Y平面。第24页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理1.成型方向的选择⑵成型方向对材料成本的影响

不同的成型方向导致不同的材料消耗量。对于需要外支撑结构的快速成型，如SLA和FDM，材料的消耗量应包括支撑结构材料。总材料消耗量还取决于原材料的回收和再使用。第25页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理1.成型方向的选择⑶成型方向对制作时间的影响

工件的成型时间由前处理时间、分层叠加成型时间和后处理时间等三部分构成。成型时间等于层成型时间及层与层之间处理时间之和。它随成型方向而变化。第26页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理2.快速成型中的主要切片方式⑴STL切片

工件的成型时间由前处理时间、分层叠加成型时间和后处理时间等三部分构成。成型时间等于层成型时间及层与层之间处理时间之和。它随成型方向而变化。第27页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理2.快速成型中的主要切片方式⑵容错切片

容错切片基本上避开STL文件三维层次上的纠错问题，直接在二维层次上进行修复。第28页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理2.快速成型中的主要切片方式⑶适应性切片

适应性切片根据零件的几何特征来决定切片的层厚，在轮廓变化频繁的地方采用小厚度切片，在轮廓变化平缓的地方采用大厚度切片与统一层厚切片方法比较，可以减少Z轴误差、阶梯效应与数据文件的长度。第29页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理2.快速成型中的主要切片方式⑷直接适应性切片

直接适应性切片利用适应性切片思想从CAD模型中直接切片。可以同时减小Z轴和X-Y平面方向上的误差。第30页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.1.3三维模型的切片处理3.1快速成型的前处理2.快速成型中的主要切片方式⑸直接切片

不需要转化为STL格式文件，直接在原始CAD模型进行直接切片，具有如下优点：①能减少快速成型的前处理时间；②可避免STL格式文件的检查和纠错过程；③可降低模型文件的规模；④能直接采用PR数控系统的曲线插补功能，从而提高工件的表面质量；⑤能提高制件的精度。第31页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理从快速成型上取下的制品往往需要进行剥离，以便去除废料和支撑结构；有得还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等，这些工序统称为后处理。第32页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理（1）SLA光固化成型的后处理光固化成型的后处理包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。以某一SLA原型为例介绍其后处理过程。

1）原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5~10min，以晒干滞留在原型表面的树脂和排除包裹在原型内部多余的树脂；2）将原型和工作台网板一起斜方晒干，并将其浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留气泡；3）原型清洗完毕后，出除支撑结构；4)再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。第33页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理（2）SLS粉末材料烧结成型后处理SLS成型件的金属半成品需置于加热炉中烧除粘结剂、烧结金属粉和渗铜TDP和SLS的陶瓷成型件也需置于加热炉中烧结粘结剂、烧结陶瓷粉。第34页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理快速成型完毕，制件经常如下缺陷：（1）制件表面不够光滑；（2）制件的薄壁和某些微小特征结构可能强度、刚度不够；（3）制件某些尺寸、形状不够精确；（4）制件的耐温性、耐湿性、导电性、导热性和表面硬度不能达标；（5）制件表面颜色可能不符合产品要求；因此，在快速成型后，一般都必须对制件进行适当的后处理。第35页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.1剥离剥离是将成型过程中产生的废料、支撑结构与工件分离。虽然，SLA、FDM和TDP成型基本无废料，但是有支撑结构，必须在成型后剥离；LOM成型无需专门的支撑结构，但有网状废料，也必须在成型后剥离。第36页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.1剥离1.手工剥离手工剥离是操作者用手和一些简单的工具使废料、支撑结构与工件分离。2.化学剥离当某种化学溶液能溶解支撑结构而又不会损伤制件时，可用此中化学溶液使支撑结构与工件分离。3.加热剥离当支撑结构为蜡，而成型材料为熔点较蜡高的材料时，可用热水或适当温度的热蒸汽使支撑结构熔化与工件分离。第37页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.2修补、打磨和抛光

当工件表面有较明显的小缺陷而需要修补时，可用热熔性塑料、乳胶与细粉料调和而成的腻子，或湿石膏予以填补，然后用砂纸打磨、抛光。常用工具有各种粒度的砂纸、小型电动或气动打磨机。对于用纸基材料快速成型的工件，当其上有很小而薄弱的特征结构时，可以先在它们的表面涂覆上一层增强剂，然后再打磨、抛光；也可先将这些部件从工件上取下，待打磨、抛光后再用强力胶或环氧树脂粘结、定位。第38页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.3表面涂覆对于快速成型工件，典型的涂覆方法有如下几种。1.喷刷涂料在快速成型制件表面可以喷刷多种涂料，常用的涂料有油漆、液态金属和反应形液态塑料等。2.电化学沉积采用电化学沉积（又称电镀），能在快速成型件的表面涂覆镍、铜、锡、铅、铬、锌以及铅锡合金等，涂覆层厚度可达20-50um以上。最高涂覆温度为60，沉积效率高。第39页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.3表面涂覆2.电化学沉积第40页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.3表面涂覆3.无电化学沉积无电化学沉积（又称无电镀），通过化学反应形成涂覆层，它能在制件表面涂覆金、银、铜、锡以及合金，涂覆层厚可达5-20um/h,涂覆温度为60，平均沉积率为3-15um/h。沉积前，制件表面须先用60、PH值为12的碱水清洗10min，然后用清水漂洗，并把含钯的电解液或胶体催化不导电的涂覆表面10min.第41页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.3表面涂覆4.物理蒸发沉积

又称物理气相沉积（PVD)在真空条件下，采用物理方法，将材料源（固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子），并通过低压气体过程（或等离子体过程），在基体表面沉积成某种具有特种功能的薄膜技术。第42页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.2快速成型的后处理3.2.3表面涂覆4.物理蒸发沉积

又称物理气相沉积（PVD),在一真空室内进行它可分为三种方式：

（1）热蒸发，属于低粒子能量；（2）溅射，属于中粒子能量；（3）电弧蒸发，属于高粒子能量；包括阴极电弧蒸发和阳极电弧蒸发。第43页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念快速成型精度，应包括快速成型系统的精度，以及系统所能制作出来的成型件的精度。前者是后者的基础，后者远比前者复杂。这是由于快速成型技术是基于材料累加原理的特殊成型工艺所决定的。第44页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念1.快速成型系统的精度快速成型系统的精度包括软件和硬件两部分，对于不同的实现方法具体的精度项目有所不同。软件部分主要是指CAD模型及层片信息的数据表达精度；而硬件部分的精度主要指成型设备的各项精度。第45页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念1.快速成型系统的精度对于扫描法激光固化的快速成型系统应包括：①激光束扫描的精度；②动态聚焦精度；③托板升降系统的运动精度；④涂层精度。第46页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念2.成型件的精度成型零件的精度类似于制造领域中传统的零件精度概念，即尺寸精度、形状位置精度及表面质量。（1）尺寸精度

成型件与CAD模型相比，在X、Y、Z方向上都可能有尺寸误差。第47页，共53页，2022年，5月20日，10点23分，星期三第三章快速成型的前处理、后处理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念2.成型件的精度（2）形位精度

快速成型时可能出现的形状误差主要有：翘曲、扭曲、椭圆度、局部缺陷和遗失特征等。

翘曲误差应以工件的底平面为基准，测量其最高上面得绝对和相对翘曲变形量。扭曲误差应以工件的中心线为基准，测量其最大外径处的绝对