快速成形过程与三维模型的建立

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1、前面内容回顾一.快速成型原理 二.四种快速成型工艺 1.光固化成型 2.叠层实体制造工艺法 3.薄层材料选择性切割 4.粉末材料选择性烧结法第三章快速成形过程与三维模型的建立 快速成形过程 快速成形的全过程包括三个阶段：前处理、自由成形和后处理快速成形过程前处理构造 三维模型近似处理选择 成形方向三维软件 扫描机建立STL 格式文件多沿着工件 高度方向分层处理由分层软件 完成快速成形过程自由成形二维截面轮廓 的制作二维截面 的叠和快速成形过程后处理工件的 剥离、去除支撑后固化修补 打磨 抛光 表面强化处理三维模型的构造几何建模：即构造三维CAD模型，也就是 将现实物体或假想物体的几何信息用某种

2、 数据方式在计算机中表示出来的过程。三维模型的表达方法1.构造实体几何法（Constructive Solid Geometry，简称CSG）构造实体几何法又称积木块几何法，采用布 尔运算法则（并、交、减），将一些简单的体 素（如立方体、圆柱体、环、锥体）组合，变 化，得到三维模型实体。 优点：数据结构简单，无冗余的几何信息， 得到的实体真实有效，并能方便的修改。 缺点：产生和修改实体的算法有限，构成图 形的计算量很大，比较费时。三维模型的表达方法2.边界表达法（Boundary Representation, 简称Brep）根据顶点、边和面组成的表面来精确的 描述三维实体。 优点：快速绘制立

3、体或线框模型 缺点：数据以表格形式出现，因此空间 占用量大；所得到的实体不一定真实有效 ，可能出现错误的孔洞或是颠倒现象。三维模型的表达方法3.参量表达法 （Parametric Representation）采用参量化的线条、贝塞尔曲线和B样 条，把每一个X、Y、Z坐标都采用参量化 形式表达，用此方式来描述自由曲面。其 中非均匀有理B样条（NURBS：Non- Uniform Rational B-Splines ）法用的比较 广泛。三维模型的表达方法4.单元表达法（Cell Representation）用三角形、正方形或是多边形把表面 分成各个独立的小单元。三维模型的构建方式1.用于构造

4、模型的CAD 软件系统要求有较 强的三维造型功能，主要是： 实体造型（SolidModeling） 曲面造型（SurfaceModeling)功能。常用的三维软件有：Pro/E、UG、CATIA 、SolidWorks、AutoCAD 等。 2.用扫描机构造三维模型 第二种方法也称为逆向工程（重点）逆向工程与传统方法比较正向设计逆向设计费时 费力 工作量大 风险大省时 省力 投资小 风险小逆向工程逆向工程（Reverse Engineering）用扫描机对已有的产品实体进行扫描， 可得到一系列离散点的坐标（点云数据） ，再使用相关的CAD软件对点云进行处理 ，即可得到被扫描实体的三维模型，这个

5、 过程称为RE。常用的扫描机1.传统的坐标测量机（Coordinate Measurement Machine,简称CMM） 2.激光扫描机（Laser Scanner） 3.零件断层扫描机（Cross Section Scanner） 4.CT扫描机（Computer Tomography） 5.磁共振扫描机（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）。以激光扫描器为例说明逆向工程原理1.利用激光光刀对物体表面进 行扫描 ; 2.由光电耦合摄像机（Charge -coupled Device,简称CCD） 采集被测表面的光刀曲线，得 到光信号，通过光电传感器把 采集到

6、的光信号转化成电位差 信号，通过处理电路将电位差 信号转化成类比的影像信号， 最后通过取像卡，把类比的影 像信号转换成计算机像素数据 ，即点云数据；CCD被测表面的 光刀曲线光信号光电传感器电位差信号处理电路影像信号取像卡点云数据点云数据和实体造型目前最常用的逆向软件ImagewareImageware由美国 EDS 公司出品， 是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用 于汽车、航空、航天、消费家电、模具、 计算机零部件等设计与制造领域 。用扫描机构造三维模型2. Geomagic Studio：Geomagic Studio是由美国 Raindrop ( 雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软 件

7、。可轻易地从扫描所得的点云数据创建 出完美的多边形模型和网格，并可自动转 换为 NURBS 曲面。用扫描机构造三维模型3.CopyCAD CopyCAD是由英国 DELCAM 公司出品 的功能强大的逆向工程系统软件，它能允 许从已存在的零件或实体模型中产生三维 CAD模型。用扫描机构造三维模型4.RapidForm RapidForm是韩国 INUS 公司出品的全 球四大逆向工程软件之一，RapidForm 提 供了新一代运算模式，可实时将点云数据 运算出无接缝的多边形曲面，RapidForm 也将使工作效率迅速提升，使 3D 扫描设 备的运用范围扩大，改善扫描品质。 三维模型的近似处理 原因

8、：由于产品上往往有一些不规 则的自由曲面，这就要求加工前必须 对其进行近似处理。 三维模型的近似处理格式（1）IGES（International Graphics Exchange Standard ）美国标准，用处广泛，可支持不同文件格式之间的 转换。 （2）HPGL（HP Graphics Language）用矢量来描述图形。 （3）STEP（Standard for Exchange Product） （4）DXF （5）STL（Stereo Lithography）是目前在快速成形系统中使用的主流数据格式。 STL格式文件 起源：1987 年，3Dsystems 公司对任 意曲面CA

9、D 模型作小三角形平面近似，开 发了STL（Stereo Lithography interface specification）文件格式，并由此建立从 近似模型中进行切片获取截面轮廓信息的 统一方法。STL格式文件 用一系列的小三角形平面来逼近自 由曲面，每一个小三角形的由三个顶 点坐标（X，Y，Z）和一个法向矢量（ N）来表示。三角形的大小可以选则， 从而能得到不同的曲面近似精度。经 过上述近似处理的三维模型文件，就 称为STL格式文件。STL格式文件STL格式文件近似处理的意思：用无数个三角形去等效 一个三维几何实体，毕竟要有一定的偏差 ，所以只能是无限接近，近似得到实体。STL文件格式

10、的规则 1.共顶点规则任何一个三角形的顶点不能落在其它 三角形的边上。表达正确表达错误STL文件格式的规则2.取向规则三角形平面的法向量必须向外，三个 顶点连成的矢量方向按右手法则确定，而 且，相邻的三角形平面不能出现取向矛盾 。STL文件格式的规则3.取值规则每个小三角形的顶点坐标时必须是正 数，零和负数都是错误的。 4.充满规则在一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。STL格式的缺陷 1.出现违顶点规则的三角形解决方法：补线 2.出现错误的裂缝或孔洞解决方法：补面STL格式的缺陷3.三角形过多或者过少过多：文件空间量太大，超出成形系统的范 围，出现莫名其妙错误；过少

11、：精度不够，会因为无法表达细小的特 征结构而出错 解决方法：调整 4.微小特征遗漏或者出错对于CAD模型上的微小特征，往往不能布置 足够的三角形解决方法：用成形系统来自动修补或者是手 动修补STL格式的输出方式1.ASCII码，也称文本格式，所占空间大 ，但可以阅读并能直观检查； 2.二进制码，所占空间小；三维模型的切片处理 由于快速成型是按一层层截面轮廓来进 行加工的，因此，加工前必须在三维模型 上，用切片软件，沿成形的高度方向，每 隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截 面的轮廓。间隔的选定 间隔的大小根据被成形件的精度和生产 率的要求来选定。间隔越小，精度越高， 但成型时间越长；否则，间隔

12、越大，精度 越小，成型时间越短。 间隔的范围一般为0.05-0.5mm，常用的 间隔在0.lmm左右，在此取值下，能得到 相当光滑的成形曲面。 切片间隔选定之后，成形时每层叠加的 材料厚度应与其相适应。切片的定义及方法切片是几何体与一系列平行平面求交的过 程。 几何体指的是经过STL格式化的模型。 平面：垂直于成形方向的一组相互平行 的平面。切片的过程1.将三维模型转化成的STL格式文件输入 到快速成型机切片的过程 2.沿成形高度方向（一般为Z方向），自上而下 ，每间隔一定高度（如0.1mm ），逐一用与Z 轴正方向垂直的平面与STL格式化的模型相交， 求取它们的交点。分层切片的过程切片的过程

13、3.在获得交点后，可以根据一定的规则， 选取有效顶点组成边界轮廓环。 4.获得边界轮廓后，按照外轮廓逆时针、 内轮廓顺时针的方向标记，为后续扫描路 径生成中的算法处理做准备。RP中的切片 在RP中，切片的整个过程一般由快速 成型系统所附带的切片处理软件来完成， 切片处理软件能按照设计的程序自动提取 模型的截面轮廓，并对内外边界进行标定 。RP中的文件的转化 利用快速成形机中的软件将切片后得到 的二维截面信息转化成通用分层界面形式 CLI (Common Layer Interface)，即可 将命令传给成形系统进行成形。 CLI试图用一种简单、高效和准确的格 式将基于二维分层描述数据输入各种分层 制造系统。