快速原型制造技术课件.ppt

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1、快速原型制造技术快速原型制造技术第1页，此课件共128页哦第一章第一章 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）一一起起在在信信息息互互联联网网支支持持下下，形形成成的的一一套套快快速速制制造造系统的技术。系统的技术。快快速速制制造

2、造技技术术经经过过十十几几年年的的发发展展，在在快快速速设设计计、逆逆向向工工程程、快快速速成成形形、快快速速制制模模等等各各方方面面都都有了长足的进步。有了长足的进步。第2页，此课件共128页哦第一章第一章 概论概论_快速制造快速制造 逆逆 向向 工工 程程（RE）、快快 速速 成成 形形 技技 术术（RP&M）和和快快速速制制模模技技术术（RT）是是先先进进制制造造技术和设计技术中相当重要的部分。技术和设计技术中相当重要的部分。RE、RP&M、RT在在产产品品设设计计与与制制造造中中的的应应用用使使得得产产品品以以优优良良的的品品质质、低低廉廉的的制制造造成成本本加速进入市场。加速进入市场

3、。第3页，此课件共128页哦第一章第一章 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：第4页，此课件共128页哦RP（Rapid Prototyping）技术是一种离散）技术是一种离散/堆积的加工技术，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进行分层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，按特定的成形处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（方法（LOMLOM、SLSSLS、FDMFDM、SLASLA等）每次只加工一个截面，然后等）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

4、反复进行直到所有的截面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。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，Stereolithgraphy Apparatus)Stereolithgraphy 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（LOMLOM）实体磨削固化（实体磨削固化（SGCSGC，Solid Ground CuringSo

5、lid Ground Curing）快速模具快速模具(RapidTooling，RT)技术指利用快速原型技术指利用快速原型(RapidPrototyping，RP)技术制造快速模具，即技术制造快速模具，即RP+RT第5页，此课件共128页哦三维三维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），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。以图学来讲，即前视图时可以测量，具有三坐标测量功能，也就是长、宽、高。以图学来讲，即前视图（FrontView）、上视图（

6、）、上视图（TopView）、侧视图（）、侧视图（SideView）合起来为三视图变成一）合起来为三视图变成一立体图。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第6页，此课件共128页哦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，它是一种发展较为成熟的接触式测量设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

7、（可达备，具有噪声低、精度高（可达0.5m）、重复性好等优点，但测量速度慢、效率低，）、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头半径进行补偿，测量数据的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。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球形电子测头，利用一个可以做多方向感测指示的球形电子测头，沿着沿着X、Y、Z，3轴移动以进行测量。测量时，测头与工件表面保持切线接触，达到特定压力轴移动以进行测量。测量时，测头与工件表面保持

8、切线接触，达到特定压力时，即可触发信号，撷取测头的时，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。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。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，测量人员必须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

9、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，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、步进距离，允探头型状、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，单向或往复）许误差，扫描速度，扫描方向，扫描模态（固定速率或变化速率，单向或往复）等。一般扫等。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

10、将模型分成不同的区域以不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。同参数扫描。第7页，此课件共128页哦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物体，反射光或激光光源，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，由于传统的接触式测量测头较易变形、几何复杂、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、微小的工件有测量的因难，因此非接触式测量系统的使用正逐渐增加。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

11、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、超声波法和磁共振（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三角测基于三角测量原理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测量。根据编码的被动式断层测量。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（LightSec

12、tioning）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，投影光栅法精度较低但数其中，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想。据获取速度最高，而光切法的测量精度和速度都较理想。第8页，此课件共128页哦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 第9页，此课件共128页哦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(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

13、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、卧镗式和仪器台式等。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。(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1104L左右，而空间最大测量左右，而空间最大测量不确定度为不确定度为(23)l04L，其中，其中L为最大量程；中等精度的其单轴与空间最大测量为最大量程；

14、中等精度的其单轴与空间最大测量不确定度分别约为不确定度分别约为1105L和和(23)105L；精密度的则分别小于；精密度的则分别小于1106L和和(23)106L。(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。非接触式又可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。分为激光式、光学式等。第10页，此课件共128页哦三坐标测量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

15、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第11页，此课件共128页哦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学整形医学整形乐器乐器考古考古动画设计动画设计(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部件存档零部

16、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制运行风险控制运行成本控制运行成本控制第12页，此课件共128页哦第三章第三章 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13页，此课件共128页哦第四章

17、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14页，此课件共128页哦第五章第五章 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“瓶颈瓶颈”。工程实际中原型往往不是由一张简单曲面构成，而是由大量初等解析工程实际中

18、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）及部分自由曲面曲面（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、Bspline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

19、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，法国国MATRA公司的公司的Equlidstyler，英国，英国DELCAM公司的公司的CopyCAD等，它等，它们大都具有们大都具有“点云点云”数据处理、曲线曲面构造、曲面拼接、重构质量分析等功能。数据处理、曲线曲面构造、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、CATIA、Cimatron以以及及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，自由曲面的自由曲面的CAD建模是逆建模是逆向工程的关键技术之一向

20、工程的关键技术之一。第15页，此课件共128页哦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：一般点数据预处理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。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、重新取点、点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、平滑化等，可将扫描过程中资料的分隔、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声予以抑除，得到一较正确且易处理的资料点，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。以利于曲面重建。特征曲线的萃取。特征

21、曲线的萃取。对于激光扫描点数据的边界分隔则是非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，因此常重要，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，必须经过特征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。曲线的萃取以辅助扫描点数据的重新分布。第16页，此课件共128页哦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第17页，此课件共128页哦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

22、针对平面、柱面、球面、锥面等二次曲面的识主要针对平面、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种别与点云数据分块，其主要方法可大致分为三种：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、特征单一的是指将点云数据划分成互不重叠、特征单一的连通区域。连通区域。由区域分割的定义不难看出，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。第18页，此课件共1

23、28页哦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)

24、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。第19页，此课件共128页哦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

25、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。第20页，此课件共128页哦曲面重构的步骤曲面重构的步骤(1)构思分割曲面在建立曲面前，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

26、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（lat）、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。第21页，此课件共12

27、8页哦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：SurfacerImagewareGeomagicDelcamCimatronStrim 第22页，此课件共128页哦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（International 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）

28、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

29、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。第23页，此课件共128页哦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

30、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。第24页，此课件共128页哦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。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，

31、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、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

32、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。第25页，此课件共128页哦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Wohlers 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

33、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。第26页，此课件共128页哦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。(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

34、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。第27页，此课件共128页哦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)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28页，此课件共128页哦第六章第六章 快速原型制造的前处理快速原型制造的前

35、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）前处理前处理包包括括工工件件的的三三维维模模型型的的构构造造、三三维维模模型型的的近近似似处处理理、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是快快速速成成形形的的核核心心，包包括括模模型型截截面面轮轮廓廓的的制制作作与与截截面面轮轮廓的叠合。廓的叠合。3）后处理后处理包包括括工工件件的的剥剥离离、后后固固化化、修修补补、打打磨磨、抛抛光光和和表表面面强强化化处理等。处理等。第29页，此课件共128页哦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

36、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）切片处理切片处理第30页，此课件共128页哦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，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

37、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似表达为小将三维模型的表面近似表达为小三角形平面的组合三角形平面的组合，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角形平面的顶点坐标及法线向量。第31页，此课件共128页哦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

38、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三角形的三个顶点坐标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。第32页，此课件共128页哦STL文件的精度文件

39、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的精度小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。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参数精度指标和控制参数应该根据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面时的弦差的大小三角形平面逼

40、近曲面时的弦差的大小。弦差指的是，近似三角形的轮廓边与曲面之间的径向距离。第33页，此课件共128页哦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

41、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。第34页，此课件共128页哦常见的常见的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

42、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CADCAM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

43、相反。第35页，此课件共128页哦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 Rapid Prototyping Prototyping ModuleModuleImageware Imageware CorpCorp (USA)(USA)观观察察，侦侦错错，修修 改改，STLSTL文文件剖分等件剖分等http:/ EditorRapld EditorDeskArtes DeskArtes Oy(Finland)Oy(Finland)观观察察，侦侦错错，修改修改http:

44、/WWW.deskartes.fihttp:/WWW.deskartes.fi/SolidView/RP SolidView/RP MasterMasterSolidConcept(USA)SolidConcept(USA)观观察察，测测量量，编辑编辑http:/www,solidconcepthttp:/ ToolkitSTL ToolkitSTL EditorSTL EditorFloating Floating Point Point SolutionsSolutions观观察察，打打印印，编辑和转换编辑和转换http:/WWW.F lnc.Compunix lnc.图形显示图形显示ht

45、tp:/www.cadcam-http:/www.cadcam- 3.03DView 3.0ActifvActifv观察，测量等观察，测量等http:/ 1STL切片(1)直接STL切片 只要求得切片平面与所有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

46、时，直接切片(Direct Slicing)明显优于STL方法。第38页，此课件共128页哦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）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（PrePar

47、e，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

48、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。第39页，此课件共128页哦1.立体印刷立体印刷(SLA，StereolithgraphyApparatus)成形技术成形技术成形材料成形材料：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：用用紫紫外外激激光光在在光光敏敏树树脂脂表表面面扫扫描描，令令其其有有规规律律地地固固化化，由由点点到到线线，再再到到面面，完完成成一一个个层层面面的的建建造造，每每次次产产生生零

49、零件件的的一一层层。在在扫扫描描的的过过程程中中，只只有有激激光光的的曝曝光光量量超超过过树树脂脂固固化化所所需需的的阈阈值值能能量量的的地地方方，液液态态树树脂脂才才会会发发生生聚聚合合反反应应形形成成固固态。每一层固化完毕之后，升降工作台移动一个层态。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，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，直到制作完零件一层均粘附到前一层上，直到制作完零件的最后一层，成为一个三维实体。这样零的最后一层，成为一个三维实体。这样零件就堆积完毕，再

50、对零件进行一些必要的件就堆积完毕，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操作环境干净、安全可在办公室环境下 进进行行，制制造造速速度度快快，材材料料的的质质感感与与ABSABS相相近近，材材料料缩缩小小率率低低（约约在在0.0050.0050.0080.008之之间间）。适适于于快快速速制制造造小小齿齿轮轮（尤尤其其是是具具有有小小齿齿者者）、小小功功能能件件、薄薄壁壁小小件件、造造模模的的用缩小比例件。用缩小比例件。第40页，此课件共128页哦SLA的特点的特点优点：成形过程自动化程度高表面质量优