飞机模型设计与快速成型制造
飞机模型设计与快速成型制造
快速成型作为一种先进的加工技术正逐渐走进人们的视野，得到越来越广泛的应用。本文介绍了快速成型技术的概念、基本原理及工艺特点，分析了常见快速成型技术的工艺流程及具体应用。重点介绍了熔融沉积制造这一快速成型技术。从Pro/E三维绘图，Auto CAD 二维绘图及Insight软件模拟分析入手，展示了一个完整的飞机模型设计与快速成型制造过程。这一具体的设计与制造过程集中体现了快速成型技术加工适应性强，制造精度好，成型速度快，生产周期短，技术集成度高的优点。
关键词 快速成型，基本原理，具体应用，熔融沉积制造，飞机模型，优点
1 绪论 1
1.1 快速成型技术概述 1
1.2 快速成型技术的原理 1
1.3 快速成型的技术特点 1
1.4 快速成型技术的工艺流程 2
1.5 目前常见快速成型工艺方法 3
1.6 快速成型制造技术的应用 6
1.7 本章小结 6
2 模型设计 7
2.1 三维造型概述 7
2.2 Pro/E WildFire 5.0特点与应用 7
2.3 Auto CAD 2011特点与应用 8
2.4 本章小结 9
3 飞机模型的三维设计 9
3.1 飞机模型的分析 9
3.2 飞机模型Pro/E软件绘制 9
3.3 本章小结 14
4. 飞机模型出工程图 14
4.1 Pro/E软件导出工程图 14
4.2 修改与完善工程图 14
4.3 本章小结 17
5 飞机模型快速成型流程与制造过程 17
5.1 快速成型设备简介 17
5.2 飞机模型零件Insight软件分层 19
5.3 飞机模型零件Insight软件支撑 23
5.4 飞机模型零件Insight软件扫描制作路径 26
5.5 本章小结 31
结 论 32
致 谢 34
参 考 文 献 35
1 绪论
1.1 快速成型技术概述
快速成型，中文全称快速原型制造技术，( 英文名为Rapid Prototyping, 简称RP) 是20世纪80年代发展起来的一种高新制造技术。它集激光加工技术、CAD/ CAM 技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体快速生成模型或者零件。快速成型不同于传统的减材制造方式制造零件，它属于增材制造。即在计算机的管理与控制下，依靠已有的CAD模型数据，采用材料逐层精确堆积的方式，即由点堆积成面，再由面堆积成三维，最终生成实体，类似于数学上的积分过程。运用此技术可以制作非常复杂的模型实体，而且成型制造的过程中无需模具的辅助。因为该技术不需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天，甚至是几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本，这对于技术研发至关重要。时至今日，快速成形技术已广泛应用于航空、航天、汽车、玩具、医疗、电子、家电、军事装备、建筑模型等领域。
1.2 快速成型技术的原理
近年来比较热门的3D打印概念，其实质就是快速成型技术。尽管快速成型有多种不同工艺技术，但基本原理都和三维打印相同，即将一定厚度的材料反复打印在平台上，循环往复，直到生成整个成型件。按照不同的实现工艺，材料可以是纸张、塑料、金属、陶瓷等各种材料。一个浅显的事例为，尽管纸张看似是二维的，但是由于具有一定厚度，将纸张一层层叠加起来，就能组成三维实体。不管零件的外形和内腔有多么复杂，都可以用一组平行平面去截该零件，得到一系列足够薄的薄切片，这些薄切片可以近似的看作二维零件模型，用不同扫描方法得到薄切片内轮廓和外轮廓后，再把这些薄切片按一定的规则堆积起来又可以得到整个零件。根据这个原理可以通过零件的三维模型得到一系列平行薄切片，对于某一特定层片，可以在某种制造材料上用不同的扫描方法得到该截面形状，一层截面制成后另一层又在它上面累加，反复如此，直到整个零件由底向上逐层构造而成，这就是快速成型技术。因此快速成型方法又叫增材制造、逐层制造等。
1.3 快速成型的技术特点
1）制造速度快。RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。
2）CAD/CAM技术的集成。设计制造一体化一直来说是一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。
3）完全再现三维数据。经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。
4）材料种类繁多。各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。
5）创造显著的经济效益。与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。
6）应用行业领域广。RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。
1.4 快速成型技术的工艺流程
首先利用三维造型软件创建三维实体造型，再将设计出的实体造型通过快速成型设备的处理软件进行离散与分层，然后将处理过的数据输入设备进行制造，最后还需要进行一定的后处理以得到最终的成品。
快速成型技术的工艺过程有以下特点：
1）对于实体造型的构建过程，使用快速成型技术的前提是拥有相应模型的CAD数据，这可以利用计算机辅助设计软件如Pro/E、SolidWorks、Unigraphics、AutoCAD等创建，或者通过其他方式如激光扫描、电脑断层扫描，得到点云数据后，也得创建相应的三维实体造型。
2）对于实体造型的离散处理过程，由于实体造型往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，比如曲线是无法完全实现的，实际制造时需要近似为极细小的直线段来模拟，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单实用，目前已经成为快速成型领域的最常用的文件标准，用以和设备进行对接。它将复杂的模型用一系列的微小三角形平面来近似模拟，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法矢量来描述，三角形的大小的选择则决定了这种模拟的精度。
3）对于实体造型的分层处理过程，需要依据被加工模型的特征选择合适的加工方向，比如应当将较大面积的部分放在下方。随后成型高度方向上用一系列固定间隔的平面切割被离散过的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔可以小至亚毫米级，间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长。对于成型加工与零件后处理过程，根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（根据设备的不同，分别为激光头或喷头等）进行扫描，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层粘结（根据工艺不同，有各自的物理或者化学过程），最终得到原型产品。对于实体中上大下小的部分，一般会设计多余的部分去支撑，把这些废料去除是必须的。另外还可能需要进行打磨、抛光、涂上油漆，或在高温炉中烧结以提高强度。
1.5 目前常见快速成型工艺方法
快速成型制造技术综合了材料，机械，控制及软件等多学科知识。属于一种多学科交叉的先进制造技术。目前常见的快速成型工艺方法有：光固化成型法(SLA)、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化(SLM) 、熔融沉积制造( FDM)、激光近净成型（LNSF）、电子束选区熔化（EBSM）、电子束熔丝沉积（EBSF）、分层实体制造（LOM）等制造方法。
1）光固化成形（SLA）：其原理是利用紫外激光固化对紫外光非常敏感的液态树脂材料予以成形。树脂槽中盛满液态光敏树脂，在计算机控制下经过聚焦的紫外激光束按照零件各分层的界面信息，对液态树脂表面进行逐点扫描。被扫描区域的树脂产生光聚合反应而瞬间固化，形成零件的一个薄层。当一层固化后，工作平台下移一个层厚，液体树脂自动在已固化的零件表面覆盖一个工作层厚的液体树脂，紧接着进行下一层扫描固化，新的固化层与前面已固化层粘合为一体。如此反复直至整个零件制作完成。该工艺的优点是制件精度高，表面质量好，能制造特别精细的零件（如戒指模型、需要配合的手机盖等），原材料利用率接近100%，且不产生环境污染。其最大的不足是设备和材料成本较为高昂，复杂制件往往需要添加辅助结构，加工完成后需要去除。该技术多应用于航空航天、工业制造、大众消费、艺术等领域的精密复杂结构零件快速制作。
2）激光选区烧结(SLS)：也叫选择性激光烧结、选区激光烧结等。利用高能激光束的热效应使粉末材料软化或熔化，粘接成形一系列薄层，并逐层叠加获得三维实体零件。具体操作时，首先在工作台上铺一层粉末材料，高能激光束在计算机控制下根据制件各层截面的CAD数据，有选择地对粉末进行扫描，被扫描区域的粉末材料由于烧结或者熔化粘接在一起，而未被扫描的区域粉末仍然呈现出松软状，可以重复利用。一层加工完成以后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和扫描，新加工层与前一层粘接为一体，重复上述过程直到整个零件加工完成为止。最后将初始成形件从工作缸中取出，进行适当后处理（如清粉和打磨等）即可。如需要进一步提高零件强度，可采取后烧结或者浸渗树脂等强化工艺。该工艺的特点是成形材料广泛，包括高分子、金属、陶瓷等多种粉末材料；应用范围广，涉及航空航天、汽车、生物医学等领域；材料利用率高，粉末可以重复利用；成形过程中无需特意添加支撑辅助结构。最大的不足是无法直接成形高性能的金属和陶瓷零件，成形大尺寸零件时容易发生翘曲变形，精度较难控制。
3）激光选区熔化(SLM)：该快速成型技术的工作方式与激光选区烧结类似。该工艺利用光斑直径仅为100微米以内的高能激光束，直接熔化金属或者合金粉末，层层选区熔化与堆积，最终成形具有冶金结合，组织致密的金属零件。该工艺的具体操作过程首先是将三维CAD模型进行切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息。其次，计算机逐层调入切片信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍然呈现出松散的状态。一层加工完成以后，粉料缸上升几十微米，成形缸降低几十微米，铺粉装置将粉末从粉料缸刮到成形平台上，激光扫描该层粉末，并与上一层融为一体。重复上述过程，直至成形过程完成。获得的零件经过简单的喷砂处理即可。如需要特殊性的要求，可进行相应的热处理。该工艺相比于激光选区烧结，最大的优势是直接制造高性能金属零件。甚至是模具，在难加工复杂结构和难加工材料、复杂模具、个性化医学零件、航空航天、汽车等领域异形零部件的制造方面具有突出的技术优势；成形材料广泛，包括不锈钢、镍基高温合钛合金、铝合金等多种类型金属及其合金材料。其最大的问题在于熔化金属粉末时，零件内容易产生较大的应力，复杂结构需要添加支撑以抑制变形的产生。
4）熔融沉积制造（FMD）：又成为熔丝沉积制造,该方法利用电加热方式熔化丝状材料，由三轴控制系统移动熔丝材料，逐层堆积成形三维实体。使用的材料通常为低熔点塑料（如ABS等）先制成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化；喷头在计算机控制下沿零件界面轮廓和填充轨迹运动，将熔化的材料挤出，材料挤出后迅速固化，并与周围材料粘接；通过层层堆积成形，最终完成零件制造。初始零件表面较为粗糙，需要配合后抛光等处理。该工艺的特点是成形所用的为丝状材料，可将零件内壁做成网状结构，也可以做成实体结构，当零件内壁是网络结构时可以节约大量材料；由于原材料为ABS等塑料，其密度小，1KG材料可以制作较大体积的模型；熔融成形，零件强度好，可以作为功能零件使用；无需激光器等贵重元器件，系统成本低。其最大的不足是成形材料种类少，且精度略低。在产品设计、产品研发、测试与评估等方面得到广泛应用，涉及汽车、工艺品、仿古、建筑、医学、动漫和教学等领域。精度约为0.2mm。
5）电子束选区熔化（EBSM）：该快速成型技术是利用高能电子束，在真空保护下告诉扫描加热预置的金属粉末，通过逐层熔化叠加，成形多孔、致密或多孔-致密复合结构的三维零件。该工艺的工艺过程首先是在工作台上铺一层金属粉末，电子束在计算机控制下根据零件各层截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描熔化；一层加工完成以后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，新加工层与前一层融合为一体；重复上述过程直到整个零件加工完成为止。将零件从真空箱中取出，用高压空气吹出松散粉末，配合喷砂和抛光等后处理工艺即可获得最终三维零件。该工艺特点是电子束的能量利用率高，可形成难熔材料；高真空保护使产品成分更加纯净，性能有保证；电磁扫描偏转无惯性，可通过高速扫描预热，零件热应力小；可实现多束加工，成形效率高。最大的不足是装备需要严格的真空环境，电子束成本较高。另外，电子束聚斑效果较激光略差，导致零件的加工精度和表面质量略低。该快速成型技术适用于多类型金属材料以及金属间化合物；可精确成形多孔-致密复合结构；在航空航天、医疗、石油化工及汽车领域有巨大的需求。制造精度约为0.2mm。
6）立体喷印（3DP）：该快速成型技术是一种利用微滴喷射技术的增材制造方法，过程类似于打印机。其工艺过程为喷头在计算机的控制下，按照分层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择地喷射粘接剂，形成一层截面薄层；一层完成后，工作台下降一个层厚，进行下层铺粉，继而选区喷射粘接剂，成形薄层并与已经成形的零件黏为一体；不断循环，直至零件加工完成为止。还有另一种工艺，利用喷头喷印成形材料，主要是光敏树脂，利用紫外灯照射实现固化。与光固化工艺相比，无需高能束紫外激光，成本更低，且效率更高。
1.6 快速成型制造技术的应用
快速成型制造技术（RPM）是现代制造技术的一次重大变革。它开创了一个崭新的设计与制造的时代。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,缩短设计、制造周期, 降低成本,使产品尽快地推向市场提供了方法。尤其对于具有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。
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、机械、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。
在产品设计评估与功能测验方面：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。
在模具制造方面：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。
在医学上的仿生制造方面：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。
在艺术品的制造方面：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。
总之，这是一种“年轻”的制造方式。随着时间的推移，它必将会对人类的生产生活方式产生相当深远的影响。
1.7 本章小结
了解快速成型技术的概念,学习了快速成型技术的原理，制造工艺与技术特点以及现在常见的一些快速成型技术方法，重点关注了熔融沉积制造（FDM）快速成型技术。深刻感受到了快速成型制造技术的优势，并且从其相关应用领域中认识到这一技术必将为人类的生产生活带来巨大而深远的影响。结合该技术研究的最新进展,提出了快速成型技术未来的发展趋势和研究重点。
2 模型设计
2.1 三维造型概述
三维造型: CAD的三维造型有三种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，也就是分别对应于用一维的线，二维的面和三维的体来构造形体。
通过计算机辅助设计建立的立体的、有光的、有色的生动画面，虚拟逼真地表达大脑中的产品设计效果，比传统的二维设计更符合人的思维习惯与视觉习惯。三维造型技术从最初的三维CAD已发展到目前专用的基于特征造型的三维软件，常用软件有UG、SolidWorks、MDT、Pro/E、3DS max等。
三维模型制造具有以下特点：
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。
快速成型作为一种先进的加工技术正逐渐走进人们的视野，得到越来越广泛的应用。本文介绍了快速成型技术的概念、基本原理及工艺特点，分析了常见快速成型技术的工艺流程及具体应用。重点介绍了熔融沉积制造这一快速成型技术。从Pro/E三维绘图，Auto CAD 二维绘图及Insight软件模拟分析入手，展示了一个完整的飞机模型设计与快速成型制造过程。这一具体的设计与制造过程集中体现了快速成型技术加工适应性强，制造精度好，成型速度快，生产周期短，技术集成度高的优点。
关键词 快速成型，基本原理，具体应用，熔融沉积制造，飞机模型，优点
1 绪论 1
1.1 快速成型技术概述 1
1.2 快速成型技术的原理 1
1.3 快速成型的技术特点 1
1.4 快速成型技术的工艺流程 2
1.5 目前常见快速成型工艺方法 3
1.6 快速成型制造技术的应用 6
1.7 本章小结 6
2 模型设计 7
2.1 三维造型概述 7
2.2 Pro/E WildFire 5.0特点与应用 7
2.3 Auto CAD 2011特点与应用 8
2.4 本章小结 9
3 飞机模型的三维设计 9
3.1 飞机模型的分析 9
3.2 飞机模型Pro/E软件绘制 9
3.3 本章小结 14
4. 飞机模型出工程图 14
4.1 Pro/E软件导出工程图 14
4.2 修改与完善工程图 14
4.3 本章小结 17
5 飞机模型快速成型流程与制造过程 17
5.1 快速成型设备简介 17
5.2 飞机模型零件Insight软件分层 19
5.3 飞机模型零件Insight软件支撑 23
5.4 飞机模型零件Insight软件扫描制作路径 26
5.5 本章小结 31
结 论 32
致 谢 34
参 考 文 献 35
1 绪论
1.1 快速成型技术概述
快速成型，中文全称快速原型制造技术，( 英文名为Rapid Prototyping, 简称RP) 是20世纪80年代发展起来的一种高新制造技术。它集激光加工技术、CAD/ CAM 技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体快速生成模型或者零件。快速成型不同于传统的减材制造方式制造零件，它属于增材制造。即在计算机的管理与控制下，依靠已有的CAD模型数据，采用材料逐层精确堆积的方式，即由点堆积成面，再由面堆积成三维，最终生成实体，类似于数学上的积分过程。运用此技术可以制作非常复杂的模型实体，而且成型制造的过程中无需模具的辅助。因为该技术不需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天，甚至是几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本，这对于技术研发至关重要。时至今日，快速成形技术已广泛应用于航空、航天、汽车、玩具、医疗、电子、家电、军事装备、建筑模型等领域。
1.2 快速成型技术的原理
近年来比较热门的3D打印概念，其实质就是快速成型技术。尽管快速成型有多种不同工艺技术，但基本原理都和三维打印相同，即将一定厚度的材料反复打印在平台上，循环往复，直到生成整个成型件。按照不同的实现工艺，材料可以是纸张、塑料、金属、陶瓷等各种材料。一个浅显的事例为，尽管纸张看似是二维的，但是由于具有一定厚度，将纸张一层层叠加起来，就能组成三维实体。不管零件的外形和内腔有多么复杂，都可以用一组平行平面去截该零件，得到一系列足够薄的薄切片，这些薄切片可以近似的看作二维零件模型，用不同扫描方法得到薄切片内轮廓和外轮廓后，再把这些薄切片按一定的规则堆积起来又可以得到整个零件。根据这个原理可以通过零件的三维模型得到一系列平行薄切片，对于某一特定层片，可以在某种制造材料上用不同的扫描方法得到该截面形状，一层截面制成后另一层又在它上面累加，反复如此，直到整个零件由底向上逐层构造而成，这就是快速成型技术。因此快速成型方法又叫增材制造、逐层制造等。
1.3 快速成型的技术特点
1）制造速度快。RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。
2）CAD/CAM技术的集成。设计制造一体化一直来说是一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。
3）完全再现三维数据。经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。
4）材料种类繁多。各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。
5）创造显著的经济效益。与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。
6）应用行业领域广。RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。
1.4 快速成型技术的工艺流程
首先利用三维造型软件创建三维实体造型，再将设计出的实体造型通过快速成型设备的处理软件进行离散与分层，然后将处理过的数据输入设备进行制造，最后还需要进行一定的后处理以得到最终的成品。
快速成型技术的工艺过程有以下特点：
1）对于实体造型的构建过程，使用快速成型技术的前提是拥有相应模型的CAD数据，这可以利用计算机辅助设计软件如Pro/E、SolidWorks、Unigraphics、AutoCAD等创建，或者通过其他方式如激光扫描、电脑断层扫描，得到点云数据后，也得创建相应的三维实体造型。
2）对于实体造型的离散处理过程，由于实体造型往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，比如曲线是无法完全实现的，实际制造时需要近似为极细小的直线段来模拟，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单实用，目前已经成为快速成型领域的最常用的文件标准，用以和设备进行对接。它将复杂的模型用一系列的微小三角形平面来近似模拟，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法矢量来描述，三角形的大小的选择则决定了这种模拟的精度。
3）对于实体造型的分层处理过程，需要依据被加工模型的特征选择合适的加工方向，比如应当将较大面积的部分放在下方。随后成型高度方向上用一系列固定间隔的平面切割被离散过的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔可以小至亚毫米级，间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长。对于成型加工与零件后处理过程，根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（根据设备的不同，分别为激光头或喷头等）进行扫描，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层粘结（根据工艺不同，有各自的物理或者化学过程），最终得到原型产品。对于实体中上大下小的部分，一般会设计多余的部分去支撑，把这些废料去除是必须的。另外还可能需要进行打磨、抛光、涂上油漆，或在高温炉中烧结以提高强度。
1.5 目前常见快速成型工艺方法
快速成型制造技术综合了材料，机械，控制及软件等多学科知识。属于一种多学科交叉的先进制造技术。目前常见的快速成型工艺方法有：光固化成型法(SLA)、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化(SLM) 、熔融沉积制造( FDM)、激光近净成型（LNSF）、电子束选区熔化（EBSM）、电子束熔丝沉积（EBSF）、分层实体制造（LOM）等制造方法。
1）光固化成形（SLA）：其原理是利用紫外激光固化对紫外光非常敏感的液态树脂材料予以成形。树脂槽中盛满液态光敏树脂，在计算机控制下经过聚焦的紫外激光束按照零件各分层的界面信息，对液态树脂表面进行逐点扫描。被扫描区域的树脂产生光聚合反应而瞬间固化，形成零件的一个薄层。当一层固化后，工作平台下移一个层厚，液体树脂自动在已固化的零件表面覆盖一个工作层厚的液体树脂，紧接着进行下一层扫描固化，新的固化层与前面已固化层粘合为一体。如此反复直至整个零件制作完成。该工艺的优点是制件精度高，表面质量好，能制造特别精细的零件（如戒指模型、需要配合的手机盖等），原材料利用率接近100%，且不产生环境污染。其最大的不足是设备和材料成本较为高昂，复杂制件往往需要添加辅助结构，加工完成后需要去除。该技术多应用于航空航天、工业制造、大众消费、艺术等领域的精密复杂结构零件快速制作。
2）激光选区烧结(SLS)：也叫选择性激光烧结、选区激光烧结等。利用高能激光束的热效应使粉末材料软化或熔化，粘接成形一系列薄层，并逐层叠加获得三维实体零件。具体操作时，首先在工作台上铺一层粉末材料，高能激光束在计算机控制下根据制件各层截面的CAD数据，有选择地对粉末进行扫描，被扫描区域的粉末材料由于烧结或者熔化粘接在一起，而未被扫描的区域粉末仍然呈现出松软状，可以重复利用。一层加工完成以后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和扫描，新加工层与前一层粘接为一体，重复上述过程直到整个零件加工完成为止。最后将初始成形件从工作缸中取出，进行适当后处理（如清粉和打磨等）即可。如需要进一步提高零件强度，可采取后烧结或者浸渗树脂等强化工艺。该工艺的特点是成形材料广泛，包括高分子、金属、陶瓷等多种粉末材料；应用范围广，涉及航空航天、汽车、生物医学等领域；材料利用率高，粉末可以重复利用；成形过程中无需特意添加支撑辅助结构。最大的不足是无法直接成形高性能的金属和陶瓷零件，成形大尺寸零件时容易发生翘曲变形，精度较难控制。
3）激光选区熔化(SLM)：该快速成型技术的工作方式与激光选区烧结类似。该工艺利用光斑直径仅为100微米以内的高能激光束，直接熔化金属或者合金粉末，层层选区熔化与堆积，最终成形具有冶金结合，组织致密的金属零件。该工艺的具体操作过程首先是将三维CAD模型进行切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息。其次，计算机逐层调入切片信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍然呈现出松散的状态。一层加工完成以后，粉料缸上升几十微米，成形缸降低几十微米，铺粉装置将粉末从粉料缸刮到成形平台上，激光扫描该层粉末，并与上一层融为一体。重复上述过程，直至成形过程完成。获得的零件经过简单的喷砂处理即可。如需要特殊性的要求，可进行相应的热处理。该工艺相比于激光选区烧结，最大的优势是直接制造高性能金属零件。甚至是模具，在难加工复杂结构和难加工材料、复杂模具、个性化医学零件、航空航天、汽车等领域异形零部件的制造方面具有突出的技术优势；成形材料广泛，包括不锈钢、镍基高温合钛合金、铝合金等多种类型金属及其合金材料。其最大的问题在于熔化金属粉末时，零件内容易产生较大的应力，复杂结构需要添加支撑以抑制变形的产生。
4）熔融沉积制造（FMD）：又成为熔丝沉积制造,该方法利用电加热方式熔化丝状材料，由三轴控制系统移动熔丝材料，逐层堆积成形三维实体。使用的材料通常为低熔点塑料（如ABS等）先制成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化；喷头在计算机控制下沿零件界面轮廓和填充轨迹运动，将熔化的材料挤出，材料挤出后迅速固化，并与周围材料粘接；通过层层堆积成形，最终完成零件制造。初始零件表面较为粗糙，需要配合后抛光等处理。该工艺的特点是成形所用的为丝状材料，可将零件内壁做成网状结构，也可以做成实体结构，当零件内壁是网络结构时可以节约大量材料；由于原材料为ABS等塑料，其密度小，1KG材料可以制作较大体积的模型；熔融成形，零件强度好，可以作为功能零件使用；无需激光器等贵重元器件，系统成本低。其最大的不足是成形材料种类少，且精度略低。在产品设计、产品研发、测试与评估等方面得到广泛应用，涉及汽车、工艺品、仿古、建筑、医学、动漫和教学等领域。精度约为0.2mm。
5）电子束选区熔化（EBSM）：该快速成型技术是利用高能电子束，在真空保护下告诉扫描加热预置的金属粉末，通过逐层熔化叠加，成形多孔、致密或多孔-致密复合结构的三维零件。该工艺的工艺过程首先是在工作台上铺一层金属粉末，电子束在计算机控制下根据零件各层截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描熔化；一层加工完成以后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，新加工层与前一层融合为一体；重复上述过程直到整个零件加工完成为止。将零件从真空箱中取出，用高压空气吹出松散粉末，配合喷砂和抛光等后处理工艺即可获得最终三维零件。该工艺特点是电子束的能量利用率高，可形成难熔材料；高真空保护使产品成分更加纯净，性能有保证；电磁扫描偏转无惯性，可通过高速扫描预热，零件热应力小；可实现多束加工，成形效率高。最大的不足是装备需要严格的真空环境，电子束成本较高。另外，电子束聚斑效果较激光略差，导致零件的加工精度和表面质量略低。该快速成型技术适用于多类型金属材料以及金属间化合物；可精确成形多孔-致密复合结构；在航空航天、医疗、石油化工及汽车领域有巨大的需求。制造精度约为0.2mm。
6）立体喷印（3DP）：该快速成型技术是一种利用微滴喷射技术的增材制造方法，过程类似于打印机。其工艺过程为喷头在计算机的控制下，按照分层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择地喷射粘接剂，形成一层截面薄层；一层完成后，工作台下降一个层厚，进行下层铺粉，继而选区喷射粘接剂，成形薄层并与已经成形的零件黏为一体；不断循环，直至零件加工完成为止。还有另一种工艺，利用喷头喷印成形材料，主要是光敏树脂，利用紫外灯照射实现固化。与光固化工艺相比，无需高能束紫外激光，成本更低，且效率更高。
1.6 快速成型制造技术的应用
快速成型制造技术（RPM）是现代制造技术的一次重大变革。它开创了一个崭新的设计与制造的时代。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,缩短设计、制造周期, 降低成本,使产品尽快地推向市场提供了方法。尤其对于具有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。
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、机械、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。
在产品设计评估与功能测验方面：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。
在模具制造方面：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。
在医学上的仿生制造方面：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。
在艺术品的制造方面：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。
总之，这是一种“年轻”的制造方式。随着时间的推移，它必将会对人类的生产生活方式产生相当深远的影响。
1.7 本章小结
了解快速成型技术的概念,学习了快速成型技术的原理，制造工艺与技术特点以及现在常见的一些快速成型技术方法，重点关注了熔融沉积制造（FDM）快速成型技术。深刻感受到了快速成型制造技术的优势，并且从其相关应用领域中认识到这一技术必将为人类的生产生活带来巨大而深远的影响。结合该技术研究的最新进展,提出了快速成型技术未来的发展趋势和研究重点。
2 模型设计
2.1 三维造型概述
三维造型: CAD的三维造型有三种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，也就是分别对应于用一维的线，二维的面和三维的体来构造形体。
通过计算机辅助设计建立的立体的、有光的、有色的生动画面，虚拟逼真地表达大脑中的产品设计效果，比传统的二维设计更符合人的思维习惯与视觉习惯。三维造型技术从最初的三维CAD已发展到目前专用的基于特征造型的三维软件，常用软件有UG、SolidWorks、MDT、Pro/E、3DS max等。
三维模型制造具有以下特点：
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。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1943.html
