三维模型_快速成型技术核心_许勇静

文章编号:1001-1684(2001)02-16-03
收稿日期:2001-01-09
作者简介:许勇静(1966-),女,本科,实验师
三维模型 快速成型技术核心
许勇静 陈 俐
(武汉理工大学,武汉430063)
摘 要:就三维模型制造的原理与特点,三维模型制造工艺及其在快速成型制造体系中的重要性进行了阐述,探讨了三维模型制造在快速成型技术等方面的应用。

关键词:快速成型技术(RP);三维模型;工艺中图分类号:U662.9 文献标识码:A
Abstract:Rapid prototyping technology is an integration progeny of new technology ,and the kernel of i t is the 3-d-i mensional model.This paper surveys the principle,features,importance of technology,as well as the application of making the 3dimensional model in the rapid prototyping system.
Key words:Rapid prototyping technology;3di mensional model;T echnology
1 前言
最近几年,快速成型技术(RP-Rapid Proto -typing)在我国得到迅速发展和推广。

它是为了快速响应市场的需求变化、缩短产品开发周期而产生的。

在实际生产中为了跟踪国外先进技术等诸多原因,经常需要对样件进行仿制。

然而对于一些复杂的样件,如果采用传统的数据采集方法对实物进行测量建模是非常困难的,需要花费很长一段时间,失去了快速的意义。

因此,快速成型技术的发展,使得产品设计、制造的周期大大缩短,提高了产品设计、制造的一次成品率,降低产品开发成本,从而给制造业带来了根本性的变化。

而快速成型技术的核心是三维模型的制造。

2 三维模型制造原理及特点
快速成型技术的基本特点为:CAD 模型直接驱动,可实现设计制造一体化;可以制造任意复杂状的三维实体,不存在三维加工中刀具干涉问题;成型设备是无需专用夹具或刀具的通用设备,具有极高的柔性;是完全自动的成型过程,无人工干预或较少干预。

快速成型技术已经成为包括一切由C AD 直接驱动的成型过程,其材料的转移方式可以是自由添加、去除、添加和去除相结合等形式,构成三
维物理实体的每一片层一般是侧壁为直壁的柱状2.5维层片。

对于一个由计算机辅助设计系统建立的三维几何模型,应用数字方法将其分割成一系列的水平的截面片层,对于每一个片层,生成一个固化(或捆绑)路径,这些供固化用的路径可直接用来指导快速成型设备,通过固化材料生成一个片层,当生成一层材料后,再利用相同的方法在这层材料上建造新的一层材料,这样从底到顶,一层一层地构造出工件模型。

利用计算机和三维造型软件生成一个三维计算机图形以及对应的数据,然后利用切片软件将三维图形切割成一系列的两维图形及数据;模型生成,即制造模型或原形,快速成型与制造设备从计算机中获取一系列的两维层状图形数据,以添加或堆积的方式快速生成一个三维实体模型。

三维模型制造有以下特点:
1)制造模型所用的材料不限,各种金属和非金属材料均可使用;
2)模型的复制性、互换性高;
3)制造工艺与制造模型的几何形状无关,在加工复杂曲面时更显优越;
4)加工周期短,成本低,成本与产品复杂程度无关,一般制造费用降低50%,加工周期缩短70%以上。

5)高度技术集成,可实现设计制造一体化。

3 三维模型的工艺制造
快速成型的工艺方法都是基于计算机三维实体造型。

在对三维模型进行处理后,形成截面轮
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三维模型 快速成型技术核心 许勇静 陈 俐
廓信息,随后将各种材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描。

使材料粘结、固化、烧结、逐层堆积成为快速原型,这就是所谓的分层制造技术。

经过十来年的研究和发展,推出了数十种快速成型加工方法和工艺,就基于分层制造的加工工艺而言就有30种之多,目前比较成熟并流行使用的分层制造工艺有如下几种:
1)激光立体制模法 液态光敏树脂选择性固化法(SLA)。

用激光束对液态光敏树脂进行逐层扫描固化,最后形成三维实体。

2)纸层叠法 薄形材料选择性切割法(LOM)。

用加热辊和激光束对背面涂有粘结剂的纸、塑料带、甚至金属带进行逐层粘结和切割,以形成产品各层轮廓,经各层叠加以形成产品原型。

3)熔化沉积法 丝状材料选择性熔覆法(FDM)。

用逐步送进热融塑料丝的方法来堆积产品的各层轮廓。

4)烧结法 粉末材料选择性激光烧结法(SLS)。

用激光束对塑料粉或金属粉进行扫描熔化,从而构成产品的各层轮廓。

除了分层制造的各种方法之外,有关文献还推出一种将材料去除成型与材料添加成型进行集成的快速成型技术制造工艺。

它利用激光束将熔融材料堆结成型并进行切削加工制造零件。

4 三维模型在快速成型制造技术体
系中的重要性
快速成型技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成型技术(MPR)、材料增加成型技术(MAP)等诸多技术为一体的一项综合技术。

也就是说,快速成型技术就是利用三维C AD 的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。

图1表
示快速成型技术系统的工作流程。

4.1 三维CAD 造型
利用各种三维C AD 软件进行几何造型,得到零件的三维CAD 数字模型,是获得初始信息的最常用方法。

目前许多CAD 软件在系统中加入了一些专用模块,将三维造型结果进行离散化,生成面片模型文件(STL 文件,CFL 文件等)或层片模型文件(LE AF 文件,C LI 文件,HPGL 文件等)。

4.2 反求工程
就是对现有实物进行三维测量,利用测量数据求出三维CAD 模型。

在快速成型技术中引入反求工程,可形成包括设计,制造,检测的快速设计制造闭环反馈系统,如图1所示,这样可以充分挖掘快速成型技术的潜能,拓宽快速成型技术的应用范围。

主要的测量方法可采用三坐标测量仪进行接触式测量,也可利用投影光栅和激光进行无接触测量,现有少数公司推出了自动断层扫描方法,可用于对物体内部结构形状直接进行测量。

4.3 集成的快速成型技术
当今快速成型技术发展的一个重要特点,就是它与其它制造技术的结合越来越紧密。

从设计到零件的快速制造过程可以通过材料去除法和材料添加法来实现。

所谓材料去除法即由三维CAD/C AM 软件进行产品造型,生成数控代码,然后通过CNC 数控设备加工出所需的零件来,这种方法可用于批量较大,形状规格的零件。

而对于形状不规格且带有内部复杂结构的零件,用材料去除法加工起来很困难,有时甚至不可能,这种情况下可采用材料添加法进行加工制造,它通过快速成型工艺可以制造各种形状复杂的零件和模型,可以直接或间接地制造各种生产模具和EDM 电极。

将快速自动成型系统与传统制造方法进行有机结合的集成快速制造系统将使复杂零件的生产周期大大缩短,生产成本大幅度降低。

由此可见,在快速成型系统的工作流程中三
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武汉造船 2001年第2期(总第137期)
维模型的制造是很关键的,在整个流程中占重要地位。

5 三维模型的制造在快速成型技术
中的应用
三维模型在新产品开发中具有重要的作用,例如,研究二维设计转化为三维实体的可行性、产品形态和其内部结构的协调性、产品造型与人机的适应性和操作性,作为产品的投标模型和市场模型进行展示与宣传等。

可有效进行产品评估、缩短设计反馈周期、提高产品开发成功率、降低开发成本。

这种模型可按其功能分为概念模型、功能模型和技术模型。

概念模型用于展示设计的整体概念、立体形态和布局安排,进行多种设计方案比较分析。

功能模型供研究产品造型与结构关系,表达结构尺寸特点和连接方式等,研究产品的一些物理性能、机械性能,进行分析检查和检验。

例如:飞机、汽车、火车、建筑物及结构框架都需要进行风洞实验,快速成型方法制造出的模型,可以很好地用于这种实验,并且根据实验结果及时修正设计,降低成本与时间。

新开发的树脂材料可直接用于光弹应力分析。

技术模型与实际产品几乎相同,由功能模型发展而来,采用真实材料制造,具有严格的尺寸关系和相同的性能,可直接作为零件使用。

快速成型技术有两个显著的特点,就是用它加工的产品造价:几乎与生产批量和产品的复杂性无关。

由于这两个特点,快速成型技术已在电器、汽车、医学、航天航空、轻工产品、工业造型等领域得到广泛的应用。

利用快速成型技术制造新产品样品,通过样品可对新产品形状及尺寸设计进行直观的评价,可进行新产品性能测试分析;在医学上利用CT扫描和MRI核磁共振所得的人体器官数据,在快速成型技术上制造模型,以便策划头颅、面部和牙齿等外科手术;在宇航领域,可用快速成型技术制造复杂的宇航制品以及太空服、手套等。

由此可见,快速成型技术的应用都是基于快速的三维模型的制造。

6 结束语
快速成型技术是高、新技术的集成,它的突出优点是:具有高度的柔性化,有高的制造精度和快速制造能力,具有多种功能,能够制造多品种小批量的产品,在经济上具有无可比拟的优越性,同时又能满足产品的个性要求,以适应多种经营的需求,它极大地满足了日益激烈的竞争的需求,为企业赢得了市场。

因此,快速成型技术能够飞速发展,应用领域迅速扩大。

参考文献
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日本拟建造超级生态船
日本运输省计划从明年开始,在5年内开发出一种生态船。

这种船将使用高效率的燃气轮机作为动力系统,它不仅能够燃烧劣质重油,而且可大大减少氮氧化物等废气的排放量。

据 日刊工业新闻 报道,运输省要开发的是500t级的内河航运船,目的在于减少船舶发动机排放的废气对环境的污染。

该省船舶技术研究所已经从1997年开始研制生态船的推进系统 高效率燃气轮机,并计划在2001年拿出样机来,预定在2005年安装到船上。

这种动力系统除了能把氮氧化物排放量减少到同功率动力系统的1/10外,还能将硫化物的排放量减少2/5、二氧化碳排放量减少1/4,噪音减少为原来的1%。

由于发动机舱的面积缩小, 超级生态船 的货物载量将比同等普通船只增加20%。

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