快速成型

关键词： 选区 铸造 成型 工艺

快速成型（精选十篇）

快速成型 篇1

快速成型和快速模具制造不需要任何专门的辅助工夹具, 能够直接将CAD三维模型快速地转变为三维实体模型, 而产品造价几乎与零件的复杂性无关, 特别适合于复杂结构的零件制造。

二、应用

随着各种成型技术的进一步发展, 零件精度也不断提高。随着材料种类的增加及材料性能的不断改进, 其用途越来越广泛, 主要概括为以下几方面。

1. 使设计原型样品化

为提高产品设计质量, 缩短试制周期, 快速成型系统可在数小时或数天内将设计人员的图纸或CAD模型制造成看得见、摸得着的实体模型样品, 从而使设计者、制造者、销售人员和用户都能得到极大的好处。

(1) 从设计者受益的角度来看

在传统的设计过程中, 由于设计者自身的能力有限, 不可能在短时间内仅凭产品的使用要求就把产品各方面的问题都考虑得很周全并使结果优化。虽然在现代制造技术领域中, 提出了并行工程的方法, 即以小组协同工作为基础, 通过网络共享数据等信息资源, 来同步考虑产品设计和制造的有关上下游问题, 从而实现并行设计, 但仍然存在着设计、制造周期长、效率低下等问题。采用快速成型技术, 设计者在设计的最初阶段就能拿到实在的产品样品, 并可在不同阶段快速地修改重做样品, 甚至做出试制用工模具及少量的产品, 进行试验, 据此判断有关上下游的各种问题, 从而为设计者创造一个优良的设计环境, 尽快得到优化结果。因此, 快速成型技术是真正实现并行设计的强有力手段。

(2) 从制造者受益的角度看

制造者在产品制造工艺设计的最初阶段, 可通过这种实在的产品样品, 及早地对产品工艺设计提出意见, 做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等准备, 以减少失误和返工, 节省工时, 降低成本和提高产品质量。

2. 用于产品的性能测试

随着新型材料的开发, RP系统所制造的产品零件原型具有较好的力学性能, 可用于传热及流体力学试验。而用某些特殊光固化材料制作的模型还具有光弹特性, 可用于零件受载荷下的应力应变分析。如美国通用汽车公司在为其1997年推出的某车型开发中, 直接使用RP制作的模型进行车内空调系统, 冷却循环系统及加热取暖系统的传热学试验, 较之以往的同类试验节省花费40%以上。

3. 用作投标的手段

在国外, RP原型成为某些制造商家争夺订单的手段。例如, 位于Detroit的一家仅组建两年的制造公司, 由于装备了两台不同型号的快速成型机及采用快速精铸技术, 仅在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件, 从而在众多的竞争者中夺到了为Ford公司年总产值达3000万美元的发动机缸盖精铸件合同。

4. 快速制造模具

以RP制作的实体模型作模芯或模套, 结合精铸、粉末烧结或石墨研磨等技术可以快速制造出企业产品所需要的功能模具或工装设备, 其制造周期为传统的数控切削方法的1/5—110, 而成本却仅为其1/3—1/5。模具的几何复杂程度越高, 这种效益越显著。一家美国的模具供应商声称, 车间在接到客户CAD文件后一周内可提供制作任意复杂的注塑模具, 而实际上80%的模具则可在24—48h内完工。

模具的开发是制约新产品开发的瓶颈, 要缩短新产品的开发周期、降低成本, 必须首先缩短模具的开发周期, 降低模具的成本。快速模具制造对于新产品的开发、试制、生产有十分重要的作用, 是制造业重点推广的一种先进技术。希望有志之士共同努力, 进一步探讨新型快速模具的原理、结构、材料与制造工艺, 加大推广应用的力度, 使模具行业出现一个崭新的面貌。

三、结语

何谓快速成型 篇2

快速成型制造技术(Rapid Prototyping Manufac?turing，RPM)，就是根据零件的三维模型数据，迅速而精确地制造出该零件。它是在20世纪80年代后期发展起来的，被认为是最近来制造领域的一次重大突破，是目前先进制造领域研究的热点之一。快速成型制造技术是集CAD技术、数控技术、激光加工、新材料科学、机械电子工程等多学科、多技术为一体的新技术。传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、磨等多种机加工设备和各种夹具、刀具、模具，制造成本高，周期长，对于一个比较复杂的零件，其加工周期甚至以月计，很难适应低成本、高效率的加工要求。快速成型制造技术能够适应这种要求，是现代制造技术的一次重大变革。

快速成型产品随着CAD建模和光、机、电一体化技术的发展，快速成型技术的工艺方法发展很快。目前已有光固法(SLA)、层叠法(LOM)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三维印刷法(TDP)、喷粒法(BPM)等10余种。

1、光固化立体造型(Stereolithography，SLA)

该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光，以预定零件各分层截面的轮廓为轨迹，对液态树脂逐点扫描，由点到线到面，使被扫描区的树脂薄层产生聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在原先固化好的树脂表面再覆盖一层新的液态脂以便进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕，其工作原理如图l所示。SLA法是第一个投入商业应用的RPM技术，其方法特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100％，可以制造形状特别复杂、外观特别精细的零件。

2、层片叠加制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)

层片叠加制造工艺是将单面涂有热溶胶的箔材(涂覆纸涂有粘接剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等)通过热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓，然后新的1层箔材再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割一粘合一切割，直至整个零件模型制作完成。

3、选择性激光烧结(Selected Laser Sintering，SLS)

以激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属(或复合物)的粉末材料均匀地烧结在加工平面上旧J。激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能

快速成型制造技术 特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分，是衡量一个国家制造技术水平和能力的重要标志，在我国的许多关键制造业中发挥着不可替代的作用。采用特种加工技术可以加工特殊材料，且加工中无切削力，能够进行微细加工及复杂的空间曲面成形，所以能够解决航空航天、军工、汽车、模具、冶金、机械等工业中的关键技术难题，从而逐步形成新兴的特种加工行业。特种加工技术主要包括电加工技术、高能束流加工技术、快速成型制造技术等，其中以快速成型制造技术对现代制造业的影响最为重大。

快速成型制造技术(Rapid Prototyping Manufac?turing，RPM)，就是根据零件的三维模型数据，迅速而精确地制造出该零件。它是在20世纪80年代后期发展起来的，被认为是最近20年来制造领域的一次重大突破，是目前先进制造领域研究的热点之一。快速成型制造技术是集CAD技术、数控技术、激光加工、新材料科学、机械电子工程等多学科、多技术为一体的新技术。传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、磨等多种机加工设备和各种夹具、刀具、模具，制造成本高，周期长，对于一个比较复杂的零件，其加工周期甚至以月计，很难适应低成本、高效率的加工要求。快速成型制造技术能够适应这种要求，是现代制造技术的一次重大变革。

快速成型产品随着CAD建模和光、机、电一体化技术的发展，快速成型技术的工艺方法发展很快。目前已有光固法(SLA)、层叠法(LOM)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三维印刷法(TDP)、喷粒法(BPM)等10余种。

1、光固化立体造型(Stereolithography，SLA)

该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光，以预定零件各分层截面的轮廓为轨迹，对液态树脂逐点扫描，由点到线到面，使被扫描区的树脂薄层产生聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在原先固化好的树脂表面再覆盖一层新的液态脂以便进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕，其工作原理如图l所示。SLA法是第一个投入商业应用的RPM技术，其方法特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100％，可以制造形状特别复杂、外观特别精细的零件。

2、层片叠加制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)

层片叠加制造工艺是将单面涂有热溶胶的箔材(涂覆纸涂有粘接剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等)通过热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓，然后新的1层箔材再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割一粘合一切割，直至整个零件模型制作完成，

3、选择性激光烧结(Selected Laser Sintering，SLS)

以激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属(或复合物)的粉末材料均匀地烧结在加工平面上旧J。激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能

量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平后，开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，经打磨、烘干等处理后获得零件。

4、熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling，FDM)

将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。FDM加热头把热熔性材料(ABS、尼龙、蜡等材料)加热到临界半流动状态，在计算机控制下，喷嘴头沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹挤出半流动的材料，沉积固化成精确的零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。

上述4种RPM方法，都有一个共同几何物理基础：分层制造原理。从几何上讲，将任意复杂的三维实体沿某一确定方向用平行的截面去依次截取厚度为8的制造单元，可获得若干个层面，将这些厚度为8的单元叠加起来又可形成原来的三维实体，这样就将三维问题转化为二维问题，既降低了处理的难度，又不受零件复杂程度的限制。RPM的总体目标是在CAD技术的支持下，快速完成复杂形状零件的制造，其主要技术特征是：直接用CAD软件驱动，无需针对不同零件准备工装夹具；零件制造全过程快速完成；不受复杂三维形状所限制的工艺方法的影响。

快速成型制造流程

1、 三维CAD造型

利用各种三维CAD软件进行几何造型，得到零件的三维CAD数学模型，是快速成型技术的重要组成部分，也是制造过程的第一步。三维造型方式主要有实体造型和表面造型，目前许多CAD软件在系统中加入一些专用模块，将三维造型结果进行离散化，生成面片模型文件或层片模型文件。

2、反求工程

物理形态的零件是快速成型技术体系中零件几何信息的另一个重要来源。几何实体同样包含了零件的几何信息，但这些信息必须通过反求工程进行数字化，方可进行下一步的处理。反求工程要对零件表面进行数字化处理，提取零件的表面三维数据。主要的技术手段有三坐标测量仪、三维激光数字化仪、工业CT和自动断层扫描仪等。通过三维数字化设备得到的数据往往是一些散乱的无序点或线的集合，还必须对其三维重构得到三维CAD模型，或者层片模型等。

3、 数据转换

三维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行大量处理，才能用于控制RPM成型设备制造零件。数据处理的主要过程包括表面离散化，生成STL文件或CFL文件，分层处理生成SLC，CLI，HPGL等层片文件，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验和修正并转换为数控代码。

4、 原型制造

原型制造即利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体。材料、设备、工艺是快速原型制造中密切相关的3个基本方面。成型材料是快速成型技术发展的关键。它影响零件的成型速度、精度和性能，直接影响到零件的应用范围和成型工艺设备的选择。

5、物性转换

通过快速成型系统制造的零件，其力学、物理性能往往不能直接满足要求，仍然需要进一步的处理，即对其物理性质进行转换。该环节是RPM实际

应用的一个重要环节，包括精密铸造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电极、陶瓷型精密铸造等多项配套制造技术，这些技术与RPM技术相结合，形成快速铸造、快速模具制造等新技术。

快速成型应用RPM技术即可用于产品的概念设计、功能测试等方面，又可直接用于工件设计、模具设计和制造等领域，RPM技术在汽车、电子、家电、医疗、航空航天、工艺品制作以及玩具等行业有着广泛的应用。

1、 产品设计评估与功能测验为提高设计质量，缩短试制周期，RPM系统可在几小时或几天内将图纸或CAD 模型转变成看得见、摸得着的实体模型。根据设计原型进行设计评估和功能验证，迅速地取得用户对设计的反馈信息。同时也有利于产品制造者加深对产品的理解，合理地确定生产方式、工艺流程和费用。与传统模型制造相比，快速成型方法不仅速度快、精度高，而且能够随时通过CAD进行修改与再验证，使设计更完善。

2、快速模具制造

以RPM生成的实体模型作为模芯或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出产品所需要的功能模具，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1／5～1／10。模具的几何复杂程度越高，这种效益愈显著。

3、医学上的仿生制造

医学上的CT技术与RPM技术结合可复制人体骨骼结构或器官形状，整容、重大手术方案预演，以及进行假肢设计和制造。

4、艺术品的制造

艺术品和建筑装饰品是根据设计者的灵感，构思设计出来的，采用RPM可使艺术家的创作、制造一体化，为艺术家提供最佳的设计环境和成型条件。快速成型制造开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本，可修改性强的特点，独到的工艺过程，为提高产品的设计质量，降低成本，缩短设计、制造周期，使产品尽快地推向市场提供了方法，对于复杂形状的零件则更为有利。快速成型制造技术作为一种先进制造技术将在21世纪的制造业中占据重要的地位.

快速，快速，还是快速 篇3

快速捕获与快速传播

当我们说起快速捕获影像能力，总是会想到更高的快门速度。高速马达是为了更快的摄影，自动曝光是为了更快的摄影，自动对焦是为了更快的摄影，高感降噪也是为了更快的摄影……不过，这其实也和拍摄的心情与兴致相关。当我们想要摄影时，如果花很长时间手动调整曝光、对焦、感光度，兴致可能早已不在，好心情可能变成了坏脾气。摄影不仅是光影的游戏，也是时间的游戏，有人耐心等待“决定性瞬间”的到来，也有更多人选择记录眼下的情境，仅是出于一时或对一事的感触，带有某种随意性。而只有更快速地捕获影像，才能适应这种拍摄的随意性。就这点而言，手机摄影有它先天的优势，那就是拍摄的及时与即刻特性。相比于任何专业设备，智能拍照手机使摄影者能更轻松快捷地把握那些路上偶遇的良辰美景和精彩瞬间，免去了过多的犹豫和调整，想拍就拍。

同时，手机网络速度的提高让手机摄影者能在第一时间体会到传播的乐趣。对于照片而言，尤其是纪实记录类的照片，传播是实现和扩展其价值的方式。作为情感沟通和信息交换的介质，照片也只有被传播才能实现其社会意义。追求更快的传播速度也是摄影技术发展的动力之一，感光胶片的诞生、数码相机的出现都与此有关。如今，手机摄影让快速传播迈向了更高的台阶。通过3G或者wifi网络，拍摄者可以直接将手机照片传至微博、社交网站、云存储中，或在电子邮件中发出。拍摄者也可以选择手机摄影后期软件，在几秒钟内完成对照片的修饰拼合等，之后再上传。所有的工作仅在弹指间完成。快速传播增加了用手机玩摄影的乐趣，甚至超过了拍摄本身带来的乐趣。

快速分享

我们生活在一个“快”时代，影像因其简单直观而渐渐成为这个时代占据主导地位的文化样式，影像消费群体也愈加广泛，其中通过手机消费影像的人数正在加速膨胀。相对于手机照片的拍摄和传播，转载和分享在这个时代的社会意义显得更大。

手机与相机不同，它的最大特色在于集影像采集、制作、传播和接收工具于一身，对于所有手机用户来说，接受图片的数量总是远远大于拍摄和发布照片的数量。我们能轻松地通过微博、微信或其他应用程序参与、分享和见证他人的视觉际遇，并作出回应。有人为手机摄影带来的民主、自由、丰富的影像语境而欢呼，也有人为手机摄影给影像传播秩序带来的挑战和冲击而担忧。这正是快速分享手段的发展和普及带来的结果，这才是以手机为代表的新媒体环境变化的核心，是手机摄影最重要的特质，也是讨论手机摄影无法绕开和回避的话题。

手机改变摄影思维？

手机摄影将带给摄影和摄影人怎样的变化，是本期专题主要关注的话题。这种变化是多方面的，包括拍摄方式的改变，拍摄理念的改变，拍摄技法的改变，后期处理观念和方法的改变，最关键的是对于摄影人观看和思考方式的改变。比如，各种手机摄影修饰软件让摄影者对照片效果的追求大于对照片真实性的追求；又比如，手机摄影的拍摄距离一般较近，就要求拍摄者更努力地接近拍摄对象。这种变化的原因也是多方面的，但其离不开手机快速捕获、快速传播和快速分享照片的基本特质。

快速成型和精密铸造的结合 篇4

快速成型有多种工艺, 其中有一种激光选区烧结法 (SLS) 日趋应用广泛, 本文将研究激光选区烧结法和精密铸造的联系, 从而改进目前的精密铸造工艺, 慢慢将当下飞速发展的快速成型的技术推广到传统精密铸造领域中。

2 快速成型中的激光选区烧结法, 可用与铸造蜡模的制作

激光选区烧结法用红外激光器为动力源, 使用的造型材料多种多样, 但多为粉末材料。该法材料的选择范围广, 材料的利用率高, 成型速度比其他的快速成型速度快等优点。SLS工艺又称为选择性激光烧结, 将材料粉末泼洒到产品的的表面上, 用工具将多余的粉末去除, 用高强度的激光烧结器在铺出的粉末上烧结出产品的截面, 并和下方已成形的部分粘结在一起。然后再铺上新的一层材料粉末继续烧结, 具体如图1所示。SLS工艺的最大优点就是选材较为广泛, 尼龙、ABS、金属和陶瓷粉末、蜡、聚碳酸脂都可以选做烧结材料。

如果成型材料选择为蜡, 可以打印出用传统模具无法制作出来的蜡模, 传统的铝制蜡模模具, 本身需要数控加工而出, 尤其在批量不大的时候, 制作成本偏高。而且模具脱模对产品有极大的限制, 必须要求产品结构容易脱模, 复杂的结构就无法完成。图2为扫雪机箱体, 以此为范例, 用传统模具就无法脱模。而3d打印则不受产品结构复杂的限制, 不用考虑模具的制作, 直接成型。

有了蜡模后, 可以利用传统的熔模铸造等方法来精密铸造出各种产品, 该技术可以大量用于复杂铸件比如发动机等机械铸造领域。以六缸发动机盖为范例, 该产品外形尺寸为1072 mm X397 mm X22mm尺寸精度要求为200偏差0.2mm, 该产品结构复杂, 精度要求高, 按照传统的研发周期大约在5个月左右, 经过快速成型的介入, 该产品制作周期缩短为一周。而且由于不用进行繁琐耗人工传统的木模加工, 成本还低于传统工艺。而制作的精度也满足产品要求。完全不用二次修改 (图3) 。

3 铸造领域中的快速成型技术有很大的发展前景

快速成型技术在传统的铸造行业目前使用极少, 作为一项快速成长的技术, 在铸造行业有着较高的推广价值。

摘要：本文将新兴的快速成型技术中的分支激光选区烧结法和传统的铸造工艺结合起来, 详细的解释了该结合工艺的优点, 并举出范例分析, 该工艺在今后的精密铸造业中有很高的推广价值。

关键词：快速成型,精密铸造,激光选区烧结法

参考文献

[1]罗晋, 叶春生, 黄树槐.FDM系统的重要工艺参数及其控制技术研究[J].锻压装备与制造技术, 2005 (06) .

[2]陈鹏, 陈敏.快速成型技术的研究现状及发展趋势[J].塑料制造, 2008 (06) .

[3]孟宝全, 赵淑玉.快速自动成型技术的原理及其发展趋势[J].装备制造技术, 2008 (04) .

快速成型制造实习提纲 篇5

1、实习目的以快速成型制造实训为媒介，就是为了让我们同学在自己设计原型件，设计硅胶模及其流道，浇注树脂成型工件等一系列的过程中同时自己动手操作深刻地了解快速成型这一门学科，让我们在日后的工作实践中能有更好的经验。

2、实习要求

1.模型的设计（stl文件）；

2.原型的制造（主要是在快速成型机上完成）；

3.硅胶模的方案及其设计；

4.硅胶模的制造；

5.树脂浇注复模件的制作；

6.复模件模型的打磨与硅胶模的清理；

7.实习报告的撰写。

3、模型的设计与选择

模型是利用软件pro/E画的4、原型的制作

原型的制作主要是在快速成型机上完成，具体流程是讲做好的stl模型文件输入电脑，然后生成相应的代码命令，之后建立工作任务那快速成型机就可以自动工作了。

下图为快速成型机做出来的模型（原型）：

5、硅胶模的结构，设计及其制作过程

1.确定分型面，用油泥把原型件包裹起来，用来分模（如图）；

2.按照原型的尺寸大小每边各留出15mm的余量进行围框，确定做出来模具的大小；

3.确定排气孔的位置和浇道的形式与位置；

4.将硅胶和固化剂按照（10:1）的比例称量好，放进真空机（HARVEST）里面搅拌抽空气，然后浇注到围框的模型（浇注前要在模具表面均匀涂上凡士林和脱模剂）中；

下面是使用到的材料及其机器：

硅胶固化剂CCA7-840

凡士林脱模剂真空机（HARVEST）

5.等硅胶凝固后，把里面油泥清理干净，重新围框，重复上面的动作，称量搅拌好硅胶后，进行浇注（在浇注前要记得在模具表面均匀涂上凡士林和脱模剂））

6.树脂浇注复模件的制作流程

1.将做好的上下模具（硅胶模）分开，在分型面上面分别均匀地喷上脱模剂；

2.用透明胶捆绑好，进行固定；

3.测量原型件的体积，然后将A,B胶按照1:2比例称量好，同时把上下模和A,B胶放入真空机中进行搅拌抽真空，这个过程大概要10分钟左右；

4.把A胶倒进B胶里的同时搅拌1分钟左右之后，进行浇注到硅胶模里面（这个过程全部在真空机中进行）；

5.把硅胶模拿出来放进烤箱里面进行快速固化并清理真空机和所需的容器；

6.等A,B胶固化后，打开硅胶模，取出浇注件，浇注过程完成。

未取出浇注件前取出的浇注件（复模件）

下面为用到的A,B胶型号：

8150-A胶8150-B胶浇注时

7、试模过程中遇到的问题与解决方案；

1.浇注的过程中，复模件出现填充不足的现象；

解决方案：该现象是由于排气不足，所以只需多设排气口

8、复模件模型的打磨与上色

快速成型 篇6

一、OpenGL和绘图环境的初始化

初始化部分可分为OpenGL的初始化和绘图环境的初始化两部分，我们通常在FormCreate（）函数中完成OpenGL的初始化。

1．创建DC（设备描述表）。hDC=GetDC（Handle）；选择最佳像素格式，并保存索引号，如希望在一个Panel中输出图形，那么可以用Panel1-Handle作为此函数的参数。

2．创建RC（图形操作描述表）。定义像素格式：PIXELFORMATDESCRIPTOR pfd={ }；选择最佳像素格式，并把保存索引号：PixelFormat=ChoosePixelFormat（hdc， &pfd）；用DC创建RC ：hrc=wglCreateContext（hdc）；

3．制定当前的DC、RC。wglMakeCurrent（hDC，hRC）；把产生的图形操作描述表置为当前的程序，此后的所有OpenGL函数都通过此图形操作描述表执行，并将图形绘制在设备描述表引用的设备上。

4．设置光源。Void glLightfv（Glenum light， Glenum pname，GL_DIFFUSE，GL_AMBIENT，GL_SPECULAR，const Glfloat* params）；//指向颜色向量的指针，设置全局环境光函数：void glLightModelfv（GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT，const Glfloat* param）；//param 指向颜色向量的指针，起用光源函数：void glEnable（GL_LIGHTING）； void glEnable（GL_enum cap）；//cap：指明光源号。

5．设置材质。void glMaterialfv（ GLenum face，GL_FRONT， GL_BACK，GL_FRONT_AND_BACK，GLenum pname，const float* params）；//指向材质的颜色向量。

6．定义投影方式。void glOrtho（ GLdouble left， GLdouble right， GLdouble bottom， GLdouble top， GLdouble near，GLdouble far）；（left，bottom，near）和（right，top，far）分别给出正射投影投影范围的左下角和右上角的坐标。到此就完成了初始化工作，这些步骤基本上是固定的（像素格式的参数设置也是如此），对于一般的应用可以直接使用上述语句。

二、STL文件的读入及图形的显示和渲染

STL文件一般有二进制格式和ASCII码格式两种存贮方式，因此，要求预处理软件对这两种格式均可读入。为了正确显示模型，我们将读入的数据存入一组数组当中，在需要显示模型的时候，将数组中的数据再读出即可。数据的读入可以直接利用C语言实现。由于STL文件是对原始CAD模型进行表面三角化所得的，要实现STL文件的显示，只需将每个三角形面片显示出来即可；而要显示三角形面片，只要将三角形的每个顶点的坐标求出，然后调用OpenGL中的绘制三角形的库函数来实现显示功能。

glBegin（GL_TRIANGLES）；glNormal3f（N1，N2，N3）； // N1，N2，N3表示法向量的三维坐标， glVertex3f（X1，Y1，Z1）；//X1，Y1，Z1表示其中一个顶点的三维坐标， glVertex3f（X2，Y2，Z2）；glVertex3f（X3，Y3，Z3）；glEnd（）；

在激光快速成型系统中，利用OpenGL来实现图形的显示和渲染必须进行以下几个步骤：

1．在FormDestroy（）中作清理工作以释放资源。如果在同一个程序里对多个窗体用绘图必须严格进行清理，否则输出会出现混乱。

（1）清屏glClearColor（0.0，0.0，0.0，1.0）；设置背景色为黑色。glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT）；清屏以防止对以后窗口操作的影响。

（2）当前DC、RC设置为空。wglMakeCurrent（NULL，NULL）；使不再有当前的图形操作描述表。

（3）删除DC、RC 。wglDeleteContext（hRC）；删除该图形操作描述表。DeleteObject（hDC）；删除该设备描述表。

2.在FormPaint（）中实施绘图的相关操作。每当窗体重画时进行绘图的动作。OnPaint事件可能由系统触发例如置为当前窗口；也可以由程序触发即在需要改变绘图时调用TForm-FormPaint（Sender）。把所有绘图操作统一归入FormPaint（）事件的响应函数中使我们很容易控制绘图的时机，程序变得很有条理。

（1）绘图准备。指定DC和设置背景颜色。

（2）绘图。调用自定义的绘图函数mydraw（）；

（3）缓冲操作。glFlush（）；强制完成绘图工作。SwapBuffers（hDC）；完成两个图形缓冲区的交换，把画完的非显示缓冲图形显示出来。

（4）编写绘图函数。根据数据读入的原理，利用OpenGL显示三角形的功能，编写出绘图函数。

（5）视口变换。OpenGL中有多种图形变换，其中视口变换是比较简单而且常用的变换方式，事实上只需要使用一个函数glViewport（0，0， ClientWidth， ClientHeight）；

此函数可以指定全部图形最后投影的一个矩形区域，上句以整个窗体的客户区为例。在FormResize（）事件响应函数中调用这个函数可以使图形在窗体大小形状变化时保持相同比例的缩放。

三、STL文件的处理

在快速成型系统中，对STL文件的处理工作实际上就是对操作模型的处理工作，从处理的过程来看主要包括：

选区电化学沉积快速成型轨迹规划 篇7

数控选区电化学沉积快速成型是基于快速成型原理并结合电化学沉积技术特点研究出的一种新型加工工艺。具有电流密度大、电流效率高、金属结晶细化和制作精度高等优点。选区电化学沉积快速成型工艺原理如图1所示。首先运用CAD软件设计零件三维实体模型, 并输出STL文件, 然后用自行开发的专用控制软件根据零件模型的CAD几何信息, 进行分层切片处理, 生成阳极头的二维扫描轨迹以及控制信息, 包括X、Y、Z三轴的运动代码指令, 以及在实体处通电, 非实体处断电有选择地进行电沉积, 沉积完一层, 阳极头将提高一定的高度再沉积新层, 依次循环往复堆积成型。

各种快速成型工艺都有各自的特点, 选区电化学沉积快速成型也有其鲜明的工艺特点[1], 主要包括:

(1) 选区电化学沉积快速成型是对金属零件直接快速成型的探索, 因此其轨迹路径规划也必须是符合快速成型累积叠加的原理。

(2) 电解液具有硫酸等腐蚀性化学成分存在, 所以选区电化学沉积需要保护机床免受腐蚀, 特别是丝杠等精密部件;而且工艺要求电解液体循环以补充金属离子, 其流量大小可调, 因此循环系统设备也要耐腐蚀, 再者, 电解液需要维持一定的温度和p H值。

(3) 选区电化学沉积快速成型单次沉积上升的高度很小, 只有几个微米。而机床的运动精度并不能达到几个微米, 所以对切片层需要进行特殊处理。

(4) 选区电化学沉积快速成型阳极头具有一定的直径, 但是工艺的补偿量并不是阳极头的直径大小。沉积补偿量受到电流密度、阴阳两极间距、阳极头运动速度等因素影响, 需要大量的实验来确定。

(5) 圆形阳极头运动时受速度影响, 在线宽方向上的沉积金属分布不均匀, 存在中间多两边少的特点。由此可以通过调节运动速度以及补偿量来减小边缘效应。

为保证数控选区电化学沉积快速成型的零件精度, 本文依据该工艺的特点提出了一种基于电化学沉积技术的快速成型工艺的路径生成算法。

2 选区电化学沉积快速成型轨迹规划方案设计

选区电化学沉积快速成型与传统的去除材料加工技术不同, 它是通过逐层增加材料来制造零件的。因此工艺的相应规划必须保持快速成型的思想。依据工艺的特点, 设计的轨迹路径成型的基本方案可以表示为获取三维数据源、分层切片处理、填充轮廓线、数控代码生成四个过程。轨迹规划的总体方案如图2所示。

3 选区电化学沉积快速成型轨迹规划实现

3.1 轨迹轮廓线生成方法

零件的CAD数据文件是由CAD软件生成, 然后直接转化为快速成型软件可以处理的STL文件。三维CAD软件都提供STL等数据转化接口, 通过这些接口即可得到快速成型数据源 (STL文件) 。

STL文件用三角面片来表示零件实体, 每一个三角形面片都用三角形三个顶点的坐标及三角形面片的法向量来描述, 法向量区别内外实体, 由实体内部指向外部, 三个顶点的次序与法向量满足右手规则。为便于求轮廓线, 本文对STL数据文件进行了优化处理, 建立了由一个点表、边表和面表组成的数据结构。

对模型的切片求轮廓过程实际上就是一个平面和平面求交的过程, 也就是由平行于XOY的一系列平行平面和组成模型的三角面片求交的过程。实际上这个过程也可以认为是直线和平面的求交, 即组成三角形面片的三条边和平行于XOY平面的求交[2]。依次连接求出的交点便得到轮廓线。

3.2 轮廓偏置处理

STL模型切片后得到的是理论截面轮廓线。由于电化学沉积电场的作用, 生成的铸斑有一定的尺寸大小, 为保证成型零件的尺寸精度, 必须将切片理论轮廓线偏移一定的距离得到实际的加工轨迹线。这与一般的数控加工系统的刀具半径补偿相似, 但也有明显的差别, 数控加工的轮廓多数为曲线, 刀补后的轨迹也是曲线。而STL切片后的截面轮廓为一系列的切片交点组合的多边形, 因此补偿主要针对多边形, 其算法与数控补偿算法有相似之处, 但也有许多不同。

工程图学上约定:对于实体的外轮廓逆时针方向为正方向, 实体内轮廓顺时针方向为正方向。沿着轮廓正方向前进, 实体部分总是在左手侧, 因此对电化学沉积偏置补偿只需考虑左侧补偿。截面轮廓是由封闭的多边形组成, 因此偏置补偿后的轮廓也是封闭多边形。也就是将截面轮廓的各个顶点偏移一定的距离得到偏置轮廓。计算方法如下:如图1, P点为截面轮廓的顶点, L1、L2分别为与P点相连的两条边矢量, P′点为偏置后的顶点, L1′、L2′为偏置以后的边矢量, R为补偿半径, 截面轮廓环为实体外环凸顶点和内环凹顶点时R值为正, 反之为负。偏置轮廓顶点P′的坐标就是截面轮廓顶点P坐标值加上PP′的矢量。

PP′的矢量表示为xi+yj

L1、L2的单位矢量方程为:

L1′、L2′的等距线方程为:x1y-y1x=R, x2y-y2x=R

解方程得到:x= (x2-x1) R/ (x1y2-x2y1)

y= (y2-y1) R/ (x1y2-x2y1)

其中 (x1y2-x2y1) ≠0其为零的情况已经在轮廓前置处理中将其滤除。

3.3 工艺填充补偿量分析

偏置轮廓中使用的R值必须是适应选区电化学沉积快速成型工艺, R值直接影响了成型零件的尺寸精度、表面粗糙度、机械性能等。影响工艺补偿量R值大小的因素较复杂。图4为电力线在电解液中分布的示意图, 阳极头面积内为平行电力线, 边缘为衍射分布。阴极上的电力线分布面积可以大致表示为金属析出的范围。但具体的补偿量仍受到阳极头面积、阴阳极间距、电流大小、沉积时间等的影响[3,4]。

阳极头面积越大, 其平行电力线分布的面积越大, 故而金属在阴极沉积的范围也越大。但大直径的阳极头其补偿量太大, 并不适用于小尺寸零件, 其使用有一定的局限性。

阳极头大小一定, 阴阳两极之间的间隙是影响沉积面域的主要因素。间隙越小, 阴极金属沉积范围越接近阳极头面积。

电流大小反应在阴阳极间就表现为电流密度。电流密度越大, 两极间电阻基本不变, 那么加载在两极间的电压就越大, 使得在阴极表面上其电位越负, 极化越强, 金属析出越容易。而由于电力线分布存在边缘效应, 电压越负边缘效应越明显。

当阳极头按照轨迹运动时, 其补偿量还受到运动速度的影响。如图5圆形阳极头以速度v从实线位置运动到虚线位置处, 经历时间T。由于阳极头是圆形的, 故而在线宽方向上各点的沉积时间是不相同的。其沉积时间分布如图6。

沉积厚度直接与沉积时间相关, 可以表示为[4]:

L为沉积宽度, x为沉积宽度线上某点, R为阳极头半径, v为运动速度, H为沉积厚度, u为铜分子量, t为沉积时间, D为电流密度, ρ为金属密度, N为金属原子价数, NA为阿伏加德罗常数。式 (3) 表明, 沉积厚度与有效沉积时间成正比。根据式 (1) 、 (2) 、 (3) , 在宽度L的范围内, 可以计算出线上各点的沉积量, 计算结果表明沉积金属呈现中间沉积量最多、边缘最少的分布。进而得到运动速度过快, 线上各点处沉积金属的时间越短, 一旦沉积金属需要的时间不足, 那么金属将无法在指定点处沉积下来。在保证表面质量的要求下, 轨迹规划可以利用该特性, 采用合适的速度来控制补偿量的值。

3.4 轨迹填充规划

目前快速成型领域常用的扫描方式主要有简单平行直线扫描、内轮廓等距偏置扫描、螺旋扫描、分区变向扫描、分形扫光栅扫描、基于Voronoi图扫描等[5,6,7,8]。适合选区电化学沉积快速成型的填充方式有:

(1) 内轮廓等距偏置扫描:如图7 (a) 所示, 由内轮廓依次向外偏移等距进行顺 (或逆) 时针扫描, 扫描路径是一条完整封闭线, 易于使成型零件表面光滑, 数据量大, 实现难度大。

(2) 简单平行直线扫描:可分为长 (短) 边反向和长 (短) 边同向共四种方式, 如图7 (c) 、7 (b) 所示。所生成的填充路径等距平行, 数据处理简单, 易于实现, 但加工效率低。

基于上述分析以及补偿量的特点, 数控选区电化学成型采用了结合变化速度策略的平行交错往复间隙填充的方式。图7 (d) 描述了平行交错往复间隙填充加工零件的实现方法, 青色和红色点划线分别为奇数层和偶数层填充路径。红色实线为阳极头轨迹路线, 图中圆内划虚线的地方是阳极头断电状态下的路径, 此时不进行电沉积, 点划线与实线的地方表示阳极头进行电沉积工作。每沉积完一层, 提高一定的层高度, 改变间隙值和变换路径继续下一层的沉积, 而无须回到起点再电化学沉积。这样层层叠加电沉积至制得目标零件。

4 轨迹规划实验结果分析

通过VC++平台开发了选择性电沉积快速成型控制软件, 实现了STL实体文件的调入及准确显示。从图8可以看出, 前述的切片算法、偏置算法、填充算法能够实现三维零件的正确分层、内外轮廓的正确偏置以及交叉间隙的正确填充。在进行上述零件 (长40mm, 宽30mm, 高2mm) 处理时, 层厚为0.01mm情况下共200层。数据处理用时大约9s (分层处理大约4s, 偏置以及填充约5s) , 主机配置 (CPU为P4 2.4G, 内存256M) , 说明算法效率较高。从图9实验所得零件图可知, 零件成型采用了平行往复交错间隙填充加工, 表面较平整, 成型零件尺寸 (除尖角处) 与设计零件基本吻合, 验证了轨迹路径生成算法的正确, 数控加工路径的合理。

5 结语

(1) 选区电化学沉积快速成型轨迹规划遵循切片层累积思想, STL数据文件经切片软件处理, 直接完成轮廓线提取。

(2) 偏置补偿量是决定加工工艺精度的主导因素, 在一定范围内, 阳极头直径越小、阴阳极间距离越小、电流密度越大, 运动速度越快, 则补偿量越接近于阳极头面积。

(3) 平行往复填充适合选区电化学沉积快速成型工艺, 而且软件实现难度较小。

参考文献

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快速成型技术的特性分析及应用研究 篇8

快速成型技术是20世纪80年代兴起的一门新兴成型技术, 是21世纪制造业最具影响的技术之一, 目前正成为一种迅猛发展的潮流。快速成型技术是由CAD模型直接驱动, 快速完成复杂形状三维实体制造的过程[1,2]。该技术突破了制造业的传统模式, 是机械工程、CAD技术、数控技术、激光技术、材料科学技术等多学科相互渗透与交叉的产物。如今, 这一技术在多领域得到应用, 可用于医疗行业、产品模型、建筑设计、科学研究、制造业等多方面, 前景广泛。

1 快速成型技术的简介

1.1 快速成型技术的概念

快速成型技术是基于材料堆积法的一种高新制造技术, 运用塑料或粉末状金属等可粘合材料, 通过逐层增加材料打印的方式, 将数字模型制造成三维实体物件[3]。近年来, 快速成型技术在民用市场逐渐流行, 通俗叫法为“3D打印”。

它无需任何传统的机械加工, 直接根据计算机中零件或物体的三维模型数据就能生成任何形状的实物, 从而极大地缩短产品的研制周期, 被认为是近年来制造领域的一个重大成果[3]。

1.2 快速成型技术的基本原理

快速成型技术的基本原理是“分层制造, 逐层叠加”, 其过程是:先得到所需零件或物体的计算机三维模型;根据工艺要求, 将其按一定厚度进行分层, 将三维实体模型变为二维平面信息, 加入加工参数, 生成数控代码;数控系统以平面加工方式有序地加工每个薄层, 并使他们粘接成型, 从而制造出所需产品的实物。快速成型技术的过程包括建立产品CAD模型、生成STL文件格式、模型分层切片、3D打印制作及产品后置处理五个步骤。

1.3 快速成型技术的材料

目前快速成型技术的可用材料有200余种, 可将其归类为金属材料、工程塑料、彩色石膏材料、橡胶类材料、陶瓷材料、人造骨粉、光敏树脂、细胞生物原料等几大类, 目前最为流行的PLA线材就是一种由聚乳酸制成的相当绿色环保的高分子材料。对于现在广泛使用的要求相对较低的快速成型技术应用中, 低成本的工程塑料应用较多, 包括ABS、PC、尼龙玻纤等。随着快速成型技术在消费级领域的转变, 金属材料及细胞生物原料等也将得到越普通的应用。

2 快速成型技术的特性分析

目前比较成熟的快速成型方法有FDM、SLS、SLA、SLM、3DP等。

(1) FDM (溶融沉积成型技术) :利用电加热方式将石蜡、金属、尼龙等丝材加热至略高于熔化温度, 计算机控制喷头在二维平面内将熔融的材料沿预设轨迹涂覆在工作台上, 冷却成形后, 喷头上移一层高度, 进行下一层涂覆, 逐层堆积形成三维工件。

(2) SLS (选择性激光烧结成型技术) :SLS技术快速成型技术机的整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成, 加工前先将充有氮气的工作室升温, 并保持在粉末的熔点下, 工作时送粉活塞上升, 铺粉辊在工作活塞上均匀铺上一层粉末, 计算机控制激光束按截面轮廓进行二维扫描, 扫描轨迹处粉末被烧结, 形成零件的一个层面。之后工作活塞下降一层高度, 再铺一层粉末, 再次扫描烧结。如此循环, 固化层层层叠加, 直到三维零件成型[4]。

(3) SLA (立体光固化成型技术) :用激光聚焦照射到光固化材料表面, 激光照射处分子量急剧增大, 从而进行固化, 完成一个层面的绘图, 层层叠加完成三维实体制作。

(4) SLM (选择性激光熔化成型技术) :采用光纤激光作为能源, 将金属粉末有选择的熔化, 凝固成型[5]。

(5) 3DP (三维印刷) :打印头在粉末层上移动时, 按CAD数据用液体黏结粉选择性逐层沉积, 制作结束后将未使用的粉末清除。

快速成型技术各种技术的特点、材料使用及关键瓶颈问题如表1所示。

3 快速成型技术技术的应用领域

观察医疗、科研等领域不难发现一个共同点, 在新产品的研发过程中, 先制造出样机, 再生产产品, 样机的设计耗时耗力。而且如果产品研制出现问题, 又必然造成资源的巨大浪费, 同时导致产品研发周期加长。快速成型技术使科研工作者的创意和设计以低的成本快速实现。即便产品设计出现问题, 也不会造成较大损失, 极大地缩减了产品开发成本与时间;另一方面, 快速成型技术解决了传统铸造加工困难的瓶颈问题, 以整体打印优势极大地减轻了工件的质量, 缩减了零部件数量, 提高了机械稳定性及生产效率。快速成型技术以诸多优势迅速火爆全球, 以较快的速度进入医疗、航空、工艺品等各大行业领域。

3.1 快速成型技术应用于医疗

快速成型技术在医疗行业的应用具备很大的潜力, 应用最多的为辅助医疗, 例如制造人体器官模型和辅助医疗工具等。3D打印牙齿、骨骼修复技术已经成熟, 并在许多骨科医院、口腔医院快速普及。骨骼打印材料主要使用磷酸钙, 其中还额外添加了硅等元素。当它被植入人体内之后除了起到骨骼原有作用外, 并起到修复组织生长作用, 最后相关材料自然进行溶解。随着生物高分子打印材料的不断发现, 未来将会在打印细胞、软组织、器官等方面实现技术突破。

3.2 快速成型技术应用于航空航天

快速成型技术能够生产传统制造方式难以实现的高复杂度的零部件, 还可以使用高温高强度的合金材料, 提高部件的机械性能。另外, 通过部件整合打印, 极大减少了部分固件的零部件数量及总质量。打印的航空发动机的一些复杂零部件, 突破了其设计受加工水平制约的瓶颈, 让高性能部件, 尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短。

3.3 快速成型技术应用于饰品及工艺品行业

快速成型技术应用于珠宝像戒指、吊坠、耳环、耳钉等多类珠首饰的制作, 需求方面用户可以根据自己的喜好去设计款式, 使产品满足个性化设计, 真正实现将需求转化为产品, 实现消费者转变为制造者的变革。技术实现上可以让首饰 (任何材质) 可以不需要热处理, 在切割机中, 放入一块板料即以极高的精度一次切割成型, 全电脑自动操作。

3.4 快速成型技术应用于其他行业

由于快速成型技术具有快速打印等绝对优势, 现已逐步渗透到各个行业。从教学模具到现实的建筑模型, 从仅供观赏的艺术品到消费级的食品3D打印机。快速成型技术正改变着传统制造的理念和模式, 让产品设计提速, 极大地缩短设计到样品的时间与成本。

4 快速成型技术产业的未来发展前景

2015年8月国务院专题讲座中指出, 推动中国制造由大变强, 要紧紧依靠深化改革和创新驱动, 努力克服创新能力弱等问题, 通过创业创新助推产业和技术变革, 在转变发展方式中培育中国制造竞争新优势, 促进经济中高速增长, 迈向中高端水平。

在政策支持及技术不断创新下, 未来的快速成型技术将在民用和工业应用两方面获得不可思议的进展, 生产出复杂、特殊、个性化产品, 形成新的经济增长点。长远来看, 快速成型技术技术有巨大的潜在优势。快速成型技术机生产的产品将无孔不入, 应用范围之广将超乎想象, 最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变。

目前, 快速成型技术仍存在人才匮乏、缺乏一定的行业规范和准则、打印的材料限制及产品安全等难题, 亟待政策和技术创新合力解决。

参考文献

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快速成型 篇9

快速成型是20世纪80年代后期发展起来的一项快速设计及成型技术[1]。快速成型加工的核心思想是离散堆积成型[2,3]。激光固化快速成型设备是利用特定波长紫外光按照特定路径照射光敏树脂表面,使其快速固化形成所需工件的设备。一般包括紫外线光源、光束聚焦镜、振镜(光束扫描装置)、工作台装置和液面涂覆装置。

激光固化快速成型的工件是通过重复多次的分层固化堆积而成。如何将粘稠度高的光敏树脂快速地在工件已固化层的表面形成一层厚度均匀的待固化树脂层,在工件的制作中至关重要,它直接影响工件成型的尺寸精度。将光敏树脂适当加热可以降低其粘稠度[4],增加流动性,当完成一层固化后,工件下移到一个合适高度,工件已固化层浸没在经加热的光敏树脂中,再辅以负压吸附装置的刮平动作帮助,就可以在工件已固化层的表面上快速地涂覆一层厚度均匀的待固化光敏树脂层。所以树脂的加热直接影响成型工件的加工效率、尺寸精度,甚至影响整个工件的机械性能,有必要对树脂的加热工艺进行研究,以更好地保证工件的成型精度和机械性能。

1 树脂现有加热工艺

树脂的现有加热工艺主要有直接加热法和间接加热法,直接加热法主要是加热板直接加热法。间接加热法主要是通过加热导热介质,利用导热介质传热达到加热光敏树脂的目的,目前导热介质主要有导热油和空气。

1.1 加热板直接加热法

该方法是将电加热板直接贴在树脂槽的底部和四周对树脂槽加热,示意图如图1所示。温度传感器布置在树脂的液面,温控器分别与温度传感器和加热板连接,当树脂的温度达到温控器设定的温度时,加热板停止加热,当树脂的温度低于温控器设定的温度时,加热板开始加热,如此反复。

该方法结构简单,容易操作。但加热不均且恒温控制也不精确,有延迟性,树脂温度呈现区域性的梯度变化,在制作工件过程中由于温度的变化可直接影响成型精度。另外,加热板温升快,而树脂的传热效率不高,要使整槽树脂达到设定的温度需一段时间,跟加热板距离较近的树脂温度长时间偏高,容易造成树脂热分解或出现热固化现象,严重者导致整槽树脂报废。由于此方案的树脂槽的强度不高,如果长时间使用,容易发生变形,甚至出现裂缝。

1.2 导热油加热法

在此工艺中,树脂槽设计为内槽和外槽,内外槽之间是密闭的夹层,在夹层中注入导热油作为导热介质,在夹层中有加热器用于加热导热油,从而加热树脂。温度传感器布置在树脂底部,靠近加热器,温控器分别与温度传感器和加热器连接,方案如图2所示[5]。

导热油选用导热系数大、比热高、热效率高、热稳定性好的,可以在较宽的温度范围内满足不同温度加热工艺的要求,也可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求。使用导热油作为导热介质,可使树脂较为均匀地加热,温度传感器布置在靠近加热器处,可即时监测树脂槽底部温度较高处树脂的温度,防止树脂由于过热产生老化,但树脂也会呈现上低下高、内低外高的梯度变化,这种梯度变化比加热板直接加热的要小。

树脂槽为夹层结构,可使树脂槽具有较高的强度,长期使用也不易发生变形,但对树脂槽的制作工艺和焊缝的强度要求较高,需保证夹层的密封性。导热油与明火相遇可能发生燃烧,对工作环境有一定要求。导热油还会对树脂槽产生一定的腐蚀,夹层也不易清洗,在更换导热油时也易造成环境污染。

1.3 空气加热法

该工艺示意图如图3所示[6],树脂槽放置在保温箱中,保温箱底部设置一个和其相通的加温箱,加温箱中布置一个风机和一个加热器,风机冷却加热器使热量快速均匀地扩散到整个保温箱中用于加热树脂,在树脂表面布置第一传感器和第一温控器,在加热器下风口布置第二传感器和第二温控器。第一温控器分别与第一传感器和加热器电连,第二温控器与第二传感器和加热器电连。两个传感器中的任何一个感应到的温度达到相应温控器设定的温度时,加热器停止加热,两个传感器中感应到的温度都低于相应温控器设定的温度时,加热器开始加热。

该方案采用空气加热的方式,能源干净,不会对环境造成污染。在加热器下风口和树脂液面两处设置温度传感器,更好地监控了树脂的温度和热风的温度。可较好地使树脂温度达到均衡,树脂内部温度梯度变化更小。但第二传感器布置在加热器的下风口,所检测到的温度有一定的误差,不能反映真实的热风温度,并且这种方法需要较长的时间才可使树脂温度达到均匀,效率低。该方案的结构较为复杂,对保温箱的强度和保温效果也有一定要求,更换树脂较为困难。另外,风机安装在温度较高的环境下,容易损坏,增加了维护的难度。

2 新型加热工艺的设计

2.1 新型加热工艺的必要性

光固化快速成型设备在制作过程中,树脂液面是紫外线固化的工作面,其温度的恒定就显得尤为重要。上述的三种加热方法最多也仅能从树脂槽的底部和四周共五个面对树脂进行加热,由于光敏树脂的热传导系数较低,上述方法都无法很好地保证紫外线固化工作面上的树脂温度维持在一个理想的设定值,工作面上的树脂由于温度不均匀会导致固化后工件尺寸变形和内应力增大,甚至导致工件报废。

树脂加热出现的树脂小分子溶剂蒸发导致激光器、振镜系统受到污染,影响到扫描镜片的使用寿命,直接造成维护成本升高与工件的制作精度达不到要求,甚至造成设备的损坏和工件的报废。光敏树脂有一定的毒性[7],可对操作者和环境造成伤害。另外,光敏树脂长期暴露在空气中极易吸收环境中水分导致树脂的性能发生改变,在南方潮湿环境中尤甚,树脂吸水后导致制作的工件发软、变形而无法使用。上述工艺均没有吸收环境中的水分子和清除树脂小分子的功能,所以需研究新的工艺,以保证树脂温度更加均匀,特别是工作面温度的稳定,同时也满足树脂固化环境的干燥,并能够清除有害的树脂小分子。

2.2 新型加热工艺的结构

针对上述方法和技术存在的问题,本文提出一种树脂的全方位空气加热和干燥控制系统。树脂槽设计为夹层结构,夹层在下方和四周共五个方向支撑、包围着树脂槽的内腔,在夹层靠底部位置设置两个进气孔,夹层上方设置均匀的排气孔,和夹层相通,如图4所示,图4(a)为三维图,图4(b)为截面图。

新型工艺的示意图如图5所示。树脂槽上方设置密封工作室,密封工作室在靠顶部设置一个出气孔,出气孔通过保温管和过滤装置连接,过滤装置通过保温管和空气加热控制装置的进风口连接,加热控制装置包括离心风机、发热装置、第一传感器、第一温控器、第二传感器、第二温控器。发热装置布置在风机的出风口处,通过保温管和树脂槽的进气孔连接,第一温控器分别与第一传感器和发热装置连接,第一传感器直接监控发热管的温度。第二温控器分别与第二传感器和发热装置连接,第二传感器监控树脂液面的温度。

过滤装置用来过滤空气中的水汽和蒸发的树脂小分子,可以使用压缩机制冷或半导体制冷方式进行除湿的除湿机,也可以使用填充吸潮材料的除湿吸附装置。

2.3 新型加热工艺的实施方式

参看图4和图5,由进气孔注入的净化的高温热风从底部和四周对树脂进行加热并由排气孔排出,进入树脂槽上方的密封工作室内,进入工作室的净化的高温热风维持工作室的环境温度在设定的范围内,对树脂槽树脂液面进行加热,实现了树脂的六个面同时加热,工作室内温度稍低的热风夹杂着水汽和蒸发的树脂小分子由出气孔抽出,经过过滤装置过滤为净化的低温空气,然后通过保温管进入离心风机,风机将净化的低温空气送至加热装置中进行加热,加热后的净化高温空气通过树脂槽的进气孔注入到树脂槽的夹层中,至此形成对树脂的干燥加热循环。

发热装置需由一个大散热面积的加热器构成,才可保证净化的低温空气得到充分的加热,发热装置上放置第一温度传感器用于直接监测加热器的发热温度,而不监测热风的温度,这样监控的更为精确。第一温控器与第一温度传感器和加热装置连接,实现发热装置的恒温发热。第二温控器分别与第二传感器和发热装置连接,当树脂温度达到某一设定值时,加热装置停止工作使树脂温度维持在设定的工作范围内。第一温控器和第二温控器实现对加热装置联动控制,使树脂槽工作面上的树脂温度维持在设定的工作范围内,精度可达±0.1℃。

在此加热工艺下成型的工件如图6所示。成型精度、机械性能都较好地达到了要求。

3 结论

本加热工艺实现了树脂六个方向的全方位均匀加热和精确的恒温控制,克服了现有技术加热不均匀的缺点,在热空气的循环回路中接入了空气过滤装置,在对树脂进行加热的同时也降低了工作室的湿度并维持在合适的范围内,也吸收了工作室内蒸发的树脂小分子,保证了光学部件的安全和性能,从而使光束扫描工作面上树脂的每一层固化时成型精度都不受温度、湿度和光学部件的影响,提高了工件的成型精度。本工艺结构紧凑合理,热风的干燥净化和加热在一个闭合的循环回路内完成,提高了热量的利用率,在实际应用中证明了此工艺更好地满足了树脂成型的需要,成型的工件在精度和性能方面都较好达到了要求。

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快速成型 篇10

工业产品的表面多为自由曲面, 自由曲面由于其复杂性难以直接造型, 而快速成型要求曲面必须保证一定的制作精度和光顺性, 因为它直接影响以后的加工质量。如果要是在数据采集及曲面构建前处理阶段出了问题, 那么最终结果就是导致制造出废件, 会造成资金、时间的浪费。而?Magics软件的主要工作就是在曲面构建。本文从逆向工程下游应用的要求出发, 就曲面的构建和曲面拼接质量等进行深入的阐述。本文基于Magics软件, 结合具体的案例, 就曲面构建方法和曲面间的拼接质量影响因素进行了探讨, 提出了较为完整的曲面逆向构建及快速成型的技术途径。

2 逆向工程曲面构建

2.1 曲面构建的研究内容

数据采集后具有这样一些特点:

(1) 测量点数据是密集的“点云”数据, 数据量极大; (2) 曲面测量点数据散乱, 曲面边界和形状常常非常复杂, 难以直接应用常规的曲面构造方法。

因此, 曲面构建研究的内容主要有2个方面: (1) 数据预处理:激光扫描采集数据之后对测量数据进行测量数据处理、多视拼合等内容。 (2) 数据分块:实际型面往往是由多个不同类型的表面共同构成, 采用一个曲面表示不可能, 因此要进行边界检测, 提取曲面特征线, 据此将型面分成多片曲面分别进行拟合, 最后再拼结在一起。

2.2 构建的方法

Magics软件提供了二种基于三角区域曲面构建的方法:

一种是三角区域拟合曲面, 其中包含自动三角区域拟合和手动三角区域拟合。自动三角区域拟合得益于智能算法的应用, 可以自动缝合坏的边缘, 只须指出要求公差和迭代次数, 通过反复的缝合, 可以保证即使设计的最小的细节也能在缝合过程中保存。将大大缩短重构时间, 并且有很好的重合度, 由于这种方法只适用于破面较小或者错误较小的三角区域, 所以适用范围相对比较小, 但是还可以对已经修复的区域再做进一步自动拟合, 重合度更高。而手动三角区域拟合是手工三角区域拟合曲面, 对于破面比较大的区域可进行多次三角区域拟合重构。较前者而言, 这种方法工作量大而且拟合度不高。而两种方法结合则可以大大提高拟合度。

另一种是布尔运算, 这是一种采用逻辑运算 (并集、交集和差集) 将三维模型组合成新的模型。

以鼠标为例, 验证了Magics软件曲面构建方法的可行性。

Magics提供四种不同的视图, 可以直观的显示三维模型并且有助于三角区域曲面重构。在Triangle模式下可以方便的对各个曲面进行修复。

(1) 由于扫描的不全面性与缺陷, 采用两次不同角度扫描得到如图1所示的三维模型。可见, 两者都缺失一部分数据, 但是都是互补的, 可以通过相应的构造方法将之复现。

(2) 用定义多段线可以将一个零件分割成两个零件, 将其相对完整的曲面互补到另一个曲面上去;用切割和布尔运算把所需的曲面从原三维图形中分离出来, 如图2所示。 (3) 可以看到分割下来的一小部分零件曲面中存在有各种错误, 如图3所示。可采用以上所述三角区域曲面构建方法, 拟合、重构各个三角区域。其中绿色三角区域部分为自动拟合所得, 而白色部分为手工修复所得。 (4) 采用重构方法将其它曲面中破损或者存在错误的区域都加以修复, 得到较为完整的曲面。

2.3 曲面的拼接

把两个曲面放在三维坐标的正确相对位置中, 再次运用布尔运算中的并集方法, 将两个单独的三维模型拼接在一起, 成为一个整体。

进行拼接时, 可以对两个或两个以上的零件进行布尔运算, 在进行布尔运算前, 必须有两个或两个以上的零件被激活。选择了布尔运算命令后, 再根据实际三维模型的需要选择不同的运算方法, 就可以得到一个完整的三维模型。由此完成了整个逆向工程中曲面构建的过程。如图4所示。

3 快速成型

本文研究采用的是三维打印成形 (3DP) 技术。3DP快速成形技术除了与其他R P技术一样, 可以用于产品的概念原型与功能原型件制造外, 3 D P快速成形技术还因其独特的成形特点, 使其在生物医学工程、制药工程和微型机电制造等领域有着广阔的应用前景。利用3DP技术进行产品的概念原型件制造是建立从概念信息到物理实现的最直接方式。

(1) 三维打印成形原理。三维打印成形技术是采用精密喷头按照零件截面形状, 将溶液喷射在预先铺好的粉末层上, 使部分粉末粘接在一起, 形成截面轮廓。一层粉末成形完成后, 再铺上一层粉末, 进行下一层粉末的粘接, 如此循环直至工件完成, 再经过后处理得到成形制件。 (2) 鼠标快速成型。鼠标曲面构建完成后, 以“STL”格式保存。打开LTY型立体打印式快速成形机控制软件, 进行参数的设置, 主要有加工零件的比例、层厚的确定 (即每次铺粉的厚度, 一般为0.05-1mm) , 最后还可进行过程摸拟, 并估算成型时间, 点击“auto”按钮进行快速成型。 (3) 成形件的后处理。成形件后的鼠标还需要固化、后烧结以及打磨、抛光、修补和表面强化处理。

4 结语

本文基于Magics软件探讨了曲面构建过程中曲面构建技术, 提出了一种可行的技术途径, 立足软件功能, 兼顾精度与光顺性。快速成型对曲面的拼接质量提出了较高的要求, 在曲面构建的同时如何保证曲面的精度与光顺性是一个制作难点, 文中结合具体的案例数据, 为曲面的逆向构建提供了有价值的参考。

参考文献

[1]王运赣.快速成形技术, 湖北:华中理工大学出版社, 1999.9.

[2]邹金兰.逆向工程中CAD模型构建技术及应用[J].机电工程技术, 2008 (9) :110～114.

[3]于东玖.逆向工程在产品曲面重建中的应用研究.机械设计与制造, 2009.97～99.