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1、中国科学技术大学硕士学位论文一种新型的石蜡喷射快速成型工艺控制系统研究姓名：耿鹏翮申请学位级别：硕士专业：精密机械与精密仪器指导教师：孔凡让2003.5.1摘要石蜡喷射成型( W S M W a xS p r a y i n gM o d e l i n g ) 技术是一种新型的快速成型( R P R a p i dP r o t o t y p i n g ) 技术它通过加热泵压系统将石蜡熔融液体输送至细小喷头似03 t a r a ) ，利用计算机控制喷头运动，喷射形成各个剖面，进而堆积为实体相对于现有的快速成型技术，石蜡喷射成型的突出优点是系统结构简单，原料来源广，成型尺寸大，便 于多工
2、件连接，成型工件可以直接用于失蜡铸造等，具有广阔的应用前景 本文主要研究了石蜡喷射成型系统的控制软件的开发包括三维实体数据的读取和显示，实体的分层切片，扫描路径的生成，数控代码的生成，以及石蜡喷射成型机的成型 控制等模块对于作者参与的石蜡喷射快速成型机的硬件部分相关内容也一并进行了介绍A b s t r a c tW a xS p r a y i n gM o d e l i n g ( W S M ) i sa ni n n o v a t i v eR Pt e c h n o l o g yw h i c hp u m p sl i q u i dw a xt oat h i nn o
3、z z l ea n ds p r a y si tt of o r me a c hl a y e ro ft h ep a r tW S N l Sr a wm a t e r i a l - - w a x - - i sc h e a p ，a b u n d a n ta n dh a ss u p e rp e r f o r m a n c ew h e nc o n n e c t i n g ，c u t t i n ga n dt o o l i n g A d d i t i o n a l l y ，W S Mm a c h i n ei sa b l et om a
4、n u f a c t u r em u c hb i g g e rp a r tt h a l ln l M 搿o t h e tm o d 髓nR Pt e c h n o l o g i e sT h i st h e s i sc o n c e r n e dp r i m a r i l yo nt i l ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mo fW S M ，i n c l u d i n gt h ei n p u t & d i s p l a yo fs o l i do b j e c t ，o
5、b j e c ts l i c i n g ，S c a np a t hg e n e r a t i n g ，N Cc o d eg e n e r a t i n ga n dm a n u f a c t u r i n gc o n t r o lS o m eh a r d w a r er e l a t e dC O l l t e l l t Sw h i c ht h ea u t h o th a sr e s e a r c h e da r ea l s od i s c u s s e dh e r eI I插图快速成型工艺过程S L A 工艺示意图石蜡喷射工艺
6、示意图石蜡喷射快速成型系统控制软件流程图S T L 文件用三角面片来近似物体表面S T L 文件近似物体表面时的弓形误差W a s p 绘制的三维S T L 物体三角形面片与平面的相交关系S T L 物体的切片算法示意截面类C S t l S e c t i o n 示意M a g i c sR P 修复有问题酗 S T L 模型( 修复前)M a g i c sR P 修复有问题酐 S T L 模型( 修复后)M a g i c sR P 给丁件添加支撑截面扫描方式偏移扫描：扫描线超出加工区定距离平行栅扫描路径的生成算法示意石蜡喷射成型机外观图石蜡喷射工艺示意图直接加工控制对话框d f 喙(
7、 3 0 0 x 3 0 0 x1 8m m ) 虎( 6 0 X6 0 X 3n l l l l lV，3了9他坞匏拍孙盯嬲鹞蛎媚盯盯1234123123456789l2345llll22233333333355555第一章石蜡喷射快速成型系统概述1 1快速成型技术的原理和发展趋势髓着全球一体化市场的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾在这种情况下，快速设汁和快速生产的能力成为制造业实力的关键 制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本因此，产品开发的速度和制造技术的柔性越来越重要从技术发展的角度看
8、，计算机辅助设汁和制造，激光和材料科学等技术突飞猛进的发展和普及也为新的制造技术的产生奠定了基础快速成型技术( R P - - R a p i dP r o t o t y p i n g ) , 就是在这种背景下，于8 0 年代后期诞生于美 国，9 0 年代在全球迅速发展起来的一种新型制造技术R P 技术是继6 0 年代N C 技术之后制造领域的又一重大突破，是先进制造技术群中的踅要组成部分1 1 1快速成型技术的原理及主要方法快速成型技术，是I I C A D 模型直接驱动，采用离散堆积的成型原理，快速制造任意复杂形状实体的技术总称从图1 1 可丛看出，快速成型工艺铺i 造丁件的过程分为4
9、 个步骤：C A D 模型前赴埋快述戚型过矗后蜒壤蛊巍H4 克- 件& 格S T 式L立伟摸型f7 I 克件格式生I _ 椅建主泉 J ( 霄要计)k 型迂搬：国化树尉奶奢I 薄冀挠垮静束精抖 拳走击除支泉V肃理袁面中国化北理杵模型L _ j+! 堡塑苎；6 五蒜图1 1 ：快速成型工艺过程j j 快速成型技术的原理和发展趋势( 1 ) C A D 模型生成R P I 艺过程的输入是物体的三维数据模型，可以通过C A D 建模， 或者三维扫描反求等技术得到数据模型的格式一般要转换为快速成型专用 的S T L 格式( 2 ) 前处理然后对输入的三维模型进行软件处理包括检验S T L 模型的正确性
10、和完整性；根据工艺要求给模型添加支撑；按照一定厚度对模型进行层片切割，把原来的三维立体模型变成二维平面信息( 截面信息) ；进而生成每一个层片的扫描加1 j 路 径，结合加工参数，产生数控代码( 3 ) 数控成型过程这是一个在计算机控制下的材料堆积的加工过程数控系统以平面加工的方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接，还原成原来的实体形状( 4 ) 后处理工件在快速成型机上制造完毕以后，一般还要进行后处理工序，例如出除史架，清理表面固化处理等快速成型技术的突出优点是无沦零件如何复杂，都可以从C A D 数据直接获得零件的原型，从而大量地节省产品的研制开发阁期和制造成本此外、快速成型T
11、岂的由于是C A D 模型宜接驱动，冈此成型设备无需弩罔夹具或。r 具，成型过程中无人丁颅或较少 预这些优点对于新产品开发，单件小批量生产有着重要的经济意义快速成型技术经过近2 0 年的发展到今天，具体工艺已一i 下9 0 余种由于各种快速成型工艺的基本原理都是层片化后堆积成型，冈此软件处理部分大同小异，基本上都包括了S T L 文件的分层切片和扫描路径的生成等各种R P T 艺的主要区别在于原材料的不同和层片生成方式的不同目前R P _ _ ：艺采用的原材料种类繁多，从周体，粉末，液体乃垒气体等等刁i 一而足：层片的生成方式则有激光周化成型，粉末烧结成型，切纸成型，熔融沉积成型等几十种成型方
12、式目前应用最广泛的R P _ T 艺有以下几种：( 1 ) 立体光亥I ( S L A S t e r e o l i t h g r a p h yA p p a r a t u s ) S L A T 艺是最早也是最成熟的R P T 岂，由美国加利福尼亚卅I 的3 DS y s t e m s 公司于1 9 8 6 年开发成功S L A 的丁艺过程如图12 所示它首先将激光聚焦到液态周化液态材料( 如光同化树脂) 表面，令其有规律地固化，由点到线再到面，完成个层面的建造：而后升降平台，移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层，由此层层迭加，成为一个三维实体、( 2 ) 分
13、层实体制造( L O M ，L a m i n a t e do d i e c tM a n u f a c t u r i n g ) L O M 采用激光或川具对箔材进行切割而获得一个层面具体的说，首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成删格状通过升降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层片，并将其与原有的层片粘接在一起，层层迭加得到一个块状物；最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体这里所说的箔材可以是涂覆纸( 涂有粘接剂覆层的纸) ，涂覆陶瓷箔，金属箔或其他材质基的箔材 ( 3 ) 选择1 ( S L S ，S e l e c t i v eL
14、 a s e rS i n t e r i n g ) S L s 工艺首先用粉末铺成一层密实 平整的薄层，然后用激光有选择的烧熔实体截面部分，形成一个层面然后在此层21j 快速成型技术的原理和发展趋势图12 ：S L A _ 丁艺示意图片上再铺一层粉末，熔结成另个层商，并与原层面粘按，由此层层迭加为一个二维实体( 4 ) 熔融沉积成形( F D M ，F u s e dD e p o s i t i o nM o d e l i n g ) F D M T 艺将热熔性材料( A B s ，尼龙或蜡) 事先加工成丝材，送到个挤出头，熔化挤压呈线状喷出，线与线之间粘结起来形成一个层面然后将第二个
15、层面用同样的方法建造出，并与前一个层面熔结在一起1 1 2快速成型工艺的应用现状和发展趋势自8 0 年代初美国3 M 公司提出快速原型制造的概念以来，短短2 0 年以内，在全球从事该项技术的开发研究的机构已经达到数百家，随着快速成型技术在实验室的研制成功，相关设备的开发研制也逐步成熟，自从1 9 8 7 年美国3 D s y s t e m 公司推出快速成型设备以来，世界各国的快速成型设备每年几乎以几何级数递增据彳j 完全统玑至2 0 0 0 年底，世界各国的R P 设备拥有量已达2 0 0 0 0 台套，l 和国大陆地区的设备拥有量也达到i 0 0 0 套左右据统汁，2 0 0 0 年美围的
16、相关产值已达1 5 亿美元1 9 9 1 年以来，国内一些高等院校和研究机构积极开展R P 研究，并取得较大的进展清华大学，西安交通大学。华中理工大学等在成形理论，工岂方法，设备，材料，软件等方面做了大量的研究，开发工作有些单位已开发出商品化，能做出复杂原型的R P 系统北京隆源公司开发的A F S3 0 0 激光快速成形机( 选择性激光烧结系统) ，华中的H R P 系统，清华大学研制的多功能快速造型系统M R P M S N I 基于F D M 的熔融挤出成形系统( M E M2 5 0 ) 等我国目前的R P 技术发展如表1 1目前快速成型技术的主要应用领域为：f 1 ) 快速模型展示快速成型技术不受复杂形状的任何限制，可迅速地将汁算机屏幕上的设计变为可迸步评估的实物原型根据原型，可对设计的正确性，造型合理性，可装配性和干涉性，进行具体的检验对形状较复杂而
