快速设计及成型技术-总结

快速成型概念部分：

快速成型：简称RP,即将计算机辅助设计CAD\计算机辅助制造CAM\计算机数字控制CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，快速成型机的成形头按照这些轮廓信息在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成形材料，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。

快速成形的基本原理：是叠层制造，快速成形机在X—Y 平面内通过扫描形成原型件的截面轮廓形状，而在Z 坐标作间断的层厚位移，最终形成三维的原型件。

快速成形机：包括扫描路径及成形运动机构、能源部件(激光器、加热头)、材料供应机构和控制系统4 大部分。

快速成形与传统制造方法的区别？

传统方法根据零件成形过程分为两大类：一类是以成型过程中材料减少为特征，通过各种方法将零件毛胚上多余材料去除，即材料去除法，二类是材料的质量在成型过程中基本保持不变，成型过程主要是材料的转移和毛胚形状的改变即材料转移法，但此类方法生产周期长速度慢。快速成型技术可以以最快的速度、最低的成本和最好的品质将新产品迅速投放市场。

快速成型制造技术是由CAD数字模型驱动的通过特定材料采用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术。快速原型的用途：快速成型技术制作的原型（模型）可用于新产品的外观评估、装配检验及功能检验等，作为样件可直接替代机加工或者其他成形工艺制造的单件或小批量的产品，也可用于硅橡胶模具的母模或熔模铸造的消失型等，从而批量地翻制塑料及金属零件。

快速原型的优势：（1）可按用户要求快速的进行产品外形设计。（2）便于产品进行功能测试和评价。（3）将设计与装配方面出现的问题消灭在开模之前。（4）缩短产品的研制开发周期。（5）大大提高新产品的一次成功率。（6）降低产品复杂程度对制造的限制。（7）制造周期大大缩短，成本大大降低。

快速成型的发展：1、快速成型向着多种材料复合成型方向发展，无需装配一次制造。2、快速成型向低成本、提高效率、简化工艺的方向发展。3、提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能。

快速成型技术发展到目前阶段，主要存在两大局限：（1）由于成型材料种类和成本的限制，原型多为模型而非实际需要的工作零件；（2）因数据处理及制作工艺等限制，快速成型系统制作的原型很难达到与CAD设计相同的尺寸精度和实际使用要求的表面质量。

快速成形技术的发展：1988年，第1台光固化（商业用途），1982年，非商业用途。

快速成型的特点: (1) 快速性(2) 设计制造一体化(3) 自由成型制造(4) 高度柔性(5) 材料的广泛性(6) 技术的高度集成(7)与反求工程、cad技术、网络技术、虚拟现实技术等相结合，成为产品快速开发的有力工具。

快速成型技术的分类: 基于激光或其它光源的成型技术，如：光固化成型法（SLA）、叠成分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）等；基于喷射的成型技术，如：熔融沉积制造（FDM）。

快速成形技术常用的文件格式：有STL、IGES、HPGL 和STEP 四种。(文件格式有ASCII码和二进制码两种输出形式，二进制码形式所占用的文件空间比ASCII码形式的小得多，一般是1／6。但是，ASCII可以阅读，并能进行直观检查。)

快速成型的数据来源：来源类型：（直接，转化，反求）

1)三维CAD模型：三角网格模型（STL）2)逆向工程数据：三角化生成STL 3)数学几何数据：数学公式和几何数据4)医学/体素数据：人体断层扫描和核磁共振5)分层数据：直接获得分层活截面轮廓

快速成型的工艺过程: 1）产品三维模型的构建2）三维模型的近似处理3）三维模型的切片处理4）成型加工5）成型零件的后处理

快速成型材料的分类

1、按材料的物理状态分类：液体、薄片、粉末和丝状

2、按材料化学性能分类：树脂类、石蜡类、金属、陶瓷和其它复合材料

3、按材料成型方法分类：SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料

4、那材料成型步骤分类：直接成型（反映型聚合物、非反应型聚合物、纸、金属、砂、陶瓷）；间接复制用材料（硅橡胶、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、反应成型塑料）

快速成型工艺对材料性能的总体要求1、有利于快速精确地加工原型零件。2、用快速成型系统直接制造功能件的材料要接近最终用途对强度、刚度、耐潮性、热稳定性等要求。3、当原型间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺4、当原型间接使用时，要有利于后续处理工艺。

主要快速成形系统选用原则：A：成形件的用途（a检查并核实形状、尺寸用的样品b性能考核用的样品c模具d 小批量和特殊复杂零件的直接生产e新材料的研究）B：成形件的形状C：成形件的尺寸大小D成本（a设备购置成本b设备运行成本c人工成本）E技术服务（a保修期b软件的升级换代c技术研发力量）F用户环境

快速成形技术全过程步骤：a.前处理b.分层叠加成型c.后处理

快速成形制造流程：CAD模型→面型化处理→分层→层信息处理→层准备→层制造→层粘接→实体模型

快速成形的全处理主要包括：CAD三维模型的构建、CAD三维模型STL格式化以及三维模型的切片处理等

构造三维模型的主要方法：a应用计算机三维设计软件，根据产品的要求设计三维模型，b应用计算机三维设计软件，将已有产品的二维三视图转换为三维模型，c仿制产品时，应用反求设备和反求软件，得到产品的三维模型，d 利用网络将用户设计好的三维模型直接传输到快速成形工作站

在快速成型的前处理阶段为什么要把三维模型转化为STL文件格式？STL格式文件的规则和常见错误有哪些？

由于产品上有一些不规则的自由曲面，为方便的获得曲面每部分的坐标信息，加工前必须对其进行近似处理，此近似处理的三维模型文件即为STL格式文件规则：(1)共顶点规则（一点公共）。(2)取向规则(同矢量方向)。

(3)取值规则（坐标值为正）。(4)合法实体规则（布满无遗漏）。

快速成形中工件前处理环节选择零件的成形方向应注意哪些问题？

将STL格式文件所表达的三维模型加以旋转，然后再切片，可获得不同的成形方向。成形方向对工件的品质(尺寸精度、表面粗糙度、强度等)、材料消耗(成本)和制作时间都有很大的影响。

快速成形中的主要切片形式有哪些？其中那种切片形式精度最高？为什么？

a STL切片

b 容错切片c适应性切片d直接适应性切片e直接切片。

直接切片形式精度最高。因为a能减少快速成形的前处理时间b可避免STL格式文件的检查和纠错过程c可降低模型文件的规模d能直接采用RP数控系统的曲线插补功能，从而可提高工件的表面质量e能提高制件的精度

快速成形的后处理主要有哪些工序：a剥离b修补、打磨、抛光c表面涂覆

快速成型技术中采用的数据文件:

三维CAD模型数据文件，比如IGES、DXF、VDA-FS等等；

三维面片格式文件，比如STL、CFL等；

层片格式文件，比如SLC、CLI以及HPGL等。

快速成型主要工艺方法根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有如下四种：

光固化成型法（Stereolithography Apparatus，SLA）：采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化而成型

叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）：采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割而成型选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）：采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型

熔融沉积制造法（Fused Deposition Manufacturing，FDM）：采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型

快速成形表面涂覆：喷刷涂料；电化学沉积；无电化学沉积；物理蒸发沉积；电化学沉积和物理蒸发沉积的综合

快速成形精度包括软件和硬件两部分。软件部分指模型数据的处理精度；硬件部分指成型设备的各项精度。成形件的精度：尺寸精度、形位精度、表面质量。

STL文件部分：

STL文件:是三维实体模型经过三角化处理之后得到的数据文件。它将实体表面离散化为大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三维实体模型。

精度不同，三角形网格的划分也不同。精度越高，网格的划分越细密，三角形面片形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。其格式有二进制格式与ASCⅡ格式两种（精度不能无限提高：受制于机器精度，结果文件过大）STL文件特点：1、生成简单2、数据文件广泛3、具有简单的分层算法4、模型易于分割

缺点：1、近似性2、数据的冗余3、信息缺乏4、精度损失5、错误和缺陷

STL文件的精度：从CAD/CAM软件输出STL文件时，选取的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原型精度要求的高低进行综合考虑。

常见的STL文件错误（1）遗漏（2）退化面（3）模型错误（4）错误法矢面

注：（点、边、面和构成的实体数量必须满足如下的欧拉公式：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。）（①点共线。或者是，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。或者是，在数据转换运算时造成这种结果。）

STL文件分割与拼接的意义：在实际快速原型制作过程中，如果所要制作的原型尺寸相对于快速成型系统台面尺寸过大或过小，就必须对STL模型进行剖切处理或者有必要进行拼接处理。

分割基本算法的V分割过程有以下四个基本模块：1) 分割过程前置处理2) 轮廓截面的形成3) 轮廓三角形网格化4）一个三角形转化为多个三角形