逆向工程及快速原型制造课件

逆向工程及快速原型制逆向工程及快速原型制造造2024/2/15逆向工程及快速原型制造 反求工程出现反求工程出现反求工程出现反求工程出现n反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的年代初出现的n日本在日本在60年代初提出科技立国方针：一代引进、二代年代初提出科技立国方针：一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场国产化、三代改进出口、四代占领国际市场 nReverse Engineering 逆向工程及快速原型制造 反求工程定义反求工程定义反求工程定义反求工程定义n广广义义定定义义：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以先进产品设备的应用技术的组合。它是以先进产品设备的实实物、物、软软件件（图纸、程序、技术文件等）或（图纸、程序、技术文件等）或影像影像（图片、照片等）（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索其关键技术，进而索其关键技术，进而开开发发出同出同类类的先的先进产进产品品。n包括：包括：设计设计反求（几何、材料）、反求（几何、材料）、工工艺艺反求等反求等 n狭狭义义定定义义：根据实物模型的坐标：根据实物模型的坐标测测量数据量数据，构造实物的，构造实物的数字化模型数字化模型（CAD模型），使得能利用模型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及及CIMS等先进技术对其进行处理或管理。等先进技术对其进行处理或管理。n包括：几何形状的反求包括：几何形状的反求 逆向工程及快速原型制造 反求工程目标反求工程目标反求工程目标反求工程目标n反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进行行分析、修改分析、修改等等。逆向工程及快速原型制造 反求工程与正向工程反求工程与正向工程反求工程与正向工程反求工程与正向工程 n正正向向工工程程：（正正向向设设计计）是是根根据据市市场场需需求求，提提出出目目标标和和技技术术要求，进行功能设计，变为产品要求，进行功能设计，变为产品n市场需求，设计要求市场需求，设计要求设计师的创造性活动设计师的创造性活动产品产品n怎么做怎么做n反反求求工工程程：从从已已知知事事物物的的有有关关信信息息，去去寻寻求求这这些些信信息息的的科科学学性性、技技术术性性、先先进进性性、经经济济性性、合合理理性性、国国产产化化的的可可能能性性等等等等，再再回回溯溯这这些些信信息息的的科科学学依依据据，即即充充分分消消化化与与吸吸收收，更更重重要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造n已知事物已知事物消化、再创造消化、再创造市场竞争的新产品市场竞争的新产品n为什么这样做为什么这样做 逆向工程及快速原型制造 反求工程步骤反求工程步骤反求工程步骤反求工程步骤n数据获取数据获取 Data Capturen数据预处理数据预处理 Preprocessingn数据分块与曲面拟合数据分块与曲面拟合 Segmentation and Surface fittingnCAD模型生成模型生成 CAD model creation逆向工程及快速原型制造 测量机分类测量机分类测量机分类测量机分类n接触式接触式n三坐标测量机（三坐标测量机（CMM coordinate measure machine）n机械手机械手 n非接触式非接触式 n光学测量光学测量 n声学测量声学测量 n磁学磁学测测量量 n破坏式破坏式自动断层扫描自动断层扫描 逆向工程及快速原型制造 接触式测量机接触式测量机接触式测量机接触式测量机 n工作方式工作方式：点触发，连续或间断式数据采集：点触发，连续或间断式数据采集n特特点点：不不受受物物体体表表面面颜颜色色及及光光照照的的限限制制，对对物物体体边边界界也能产生准确的测量结果也能产生准确的测量结果n缺缺点点：由由于于测测头头的的限限制制，可可能能丢丢失失某某些些测测头头不不可可到到达达的细节数据的细节数据n不能测量软材料不能测量软材料n测量速度受到机构运动的限制测量速度受到机构运动的限制逆向工程及快速原型制造3D Coordinate Measuring Machine逆向工程及快速原型制造三坐标测量机（CMM）一般工作台面是花一般工作台面是花岗岩，测头为宝石岗岩，测头为宝石意大利意大利COORD3公司公司半桥式半桥式CMM测量机测量机逆向工程及快速原型制造龙门式CMM逆向工程及快速原型制造 CMMCMM系统组成系统组成系统组成系统组成n计算机计算机控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设的控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设的通讯通讯n数控设备数控设备计算机和测量机的接口，控制测量机运动计算机和测量机的接口，控制测量机运动n测量机机体测量机机体底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机逆向工程及快速原型制造高精度三维测量高精度三维测量仪仪n花岗岩导轨花岗岩导轨n气压轴承气压轴承n光学尺感应光学尺感应n无牙螺杆无牙螺杆n自动触发探头自动触发探头逆向工程及快速原型制造机械手式测量机 n测量方法测量方法：操作者手：操作者手持测量手臂，末端探持测量手臂，末端探针接触被测量物体表针接触被测量物体表面时按下按钮，记录面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种通过串口线传到各种软件包软件包上上FaroARM手动式手动式 精度低，范围大精度低，范围大逆向工程及快速原型制造Cimcore手动式手动式逆向工程及快速原型制造接触式测量数据逆向工程及快速原型制造光学测量机n激光三角形法 n激光测距法 n投影光栅法 n图像分析法 特点特点：高速测量，短时间内测量大量的点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点缺点：对：对表面粗糙表面粗糙和和表面漫反射率表面漫反射率敏感（如透明、高光）敏感（如透明、高光）逆向工程及快速原型制造激光三角形法激光三角形法n原理原理：激光带投射到被测物体表面，反射光在图：激光带投射到被测物体表面，反射光在图象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得轴可控机械运动辅助获得 laser stripe triangulation 逆向工程及快速原型制造原理图23,000 points per second.逆向工程及快速原型制造3D Scanners三维激光扫描仪（3D laser scanners）Scantech三维激光三维激光扫描仪非常便于安装扫描仪非常便于安装在所有在所有CNC机床上，机床上，无论其大小。可以安无论其大小。可以安装于任何装于任何3轴、轴、5轴铣轴铣床或床或3轴车床，激光轴车床，激光扫描仪比探针扫描仪扫描仪比探针扫描仪快快10倍，还可以扫描倍，还可以扫描柔软和易碎的物体。柔软和易碎的物体。逆向工程及快速原型制造3D Scanner逆向工程及快速原型制造CyberWare测量机 Cyberware公司的三维扫描仪，在公司的三维扫描仪，在80年代就被迪年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于斯尼等动画和特技公司采用，用于终结者终结者II，侏罗纪侏罗纪公园公园，蝙蝠侠蝙蝠侠II，机械战警机械战警等影片。还用于等影片。还用于快速雕快速雕塑塑系统。系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、的多边形、NURBS曲面、点、曲面、点、Spline曲线方式描述，曲线方式描述，可进行彩色扫描。扫描速率可达可进行彩色扫描。扫描速率可达1.4万点万点/秒。秒。3030RGB型扫描物体的尺寸在型扫描物体的尺寸在30cm，深度方向测量精，深度方向测量精度度100-400m，用于，用于动画、人类学研究、服装设计动画、人类学研究、服装设计等等方面。方面。逆向工程及快速原型制造CyberWare测量机构成：构成：平台平台传感器（光学系统）传感器（光学系统）计算机计算机处理软件处理软件 逆向工程及快速原型制造Cyberware逆向工程及快速原型制造激光测距法激光测距法 n激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离 投影光栅法投影光栅法 n采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标 逆向工程及快速原型制造ATOS流动光学三坐标测量系统 逆向工程及快速原型制造atos逆向工程及快速原型制造贴标签定位逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造Atos测量数据逆向工程及快速原型制造光照图逆向工程及快速原型制造图像分析法图像分析法 n利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标的空间坐标。自动断层扫描自动断层扫描 n逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法1)1)将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完全封装，全封装，2)2)待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，得到包含零件和树脂材料的截面，得到包含零件和树脂材料的截面，3)3)移到移到CCDCCD摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。提取，得到各轮廓的坐标值。4)4)重复步骤重复步骤2 2、3 3，再到铣床上切削，再分析。，再到铣床上切削，再分析。逆向工程及快速原型制造自动断层扫描数据逆向工程及快速原型制造测量中的问题测量中的问题 n精度标定精度标定n透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差n不可测量性不可测量性n阴影、障碍物，夹具阴影、障碍物，夹具n多个视点测量，再进行多视拼合多个视点测量，再进行多视拼合n测量噪声测量噪声 n被测物体表面特征的影响被测物体表面特征的影响n光洁度、表面涂层对光线的反射率光洁度、表面涂层对光线的反射率n头发测量，粗糙表面的典型实例头发测量，粗糙表面的典型实例逆向工程及快速原型制造测量数据类型测量数据类型 n散乱点云（散乱点云（Point Cloud）n扫描线点云扫描线点云n网格化点云网格化点云 n三角网格点云三角网格点云 n多边形点云多边形点云 逆向工程及快速原型制造散乱点云数据散乱点云数据 n测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态n随机扫描下的随机扫描下的CMMCMM，光学测量系统多张数据拼合后，光学测量系统多张数据拼合后逆向工程及快速原型制造扫描线点云扫描线点云 n点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内nCMMCMM、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量 逆向工程及快速原型制造网格化点云网格化点云 n点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应n网格化插值网格化插值 网格数据表示网格数据表示逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造三角网格点云三角网格点云 n点点云云中中的的点点与与邻邻点点构构成成三三角角网网格格拓扑关系拓扑关系nATOSATOS流流动动光光学学三三坐标测量机坐标测量机 逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造多边形点云多边形点云 n测测量量点点分分布布在在一一系系列列平平行行平平面面内内，用用一一小小线线段段将将同同一一平平面面内内距距离离最最小小的的若若干干相相邻邻点点依依次次连连接接，可可形形成成有有嵌嵌套套的的平平行行多边形多边形n层切法、核磁共振、工业层切法、核磁共振、工业CTCT 逆向工程及快速原型制造数据预处理内容数据预处理内容n数据拼合数据拼合n数据光滑数据光滑n数据简化数据简化n数据修复数据修复n数据分块数据分块逆向工程及快速原型制造数据拼合数据拼合 也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体件的数字化也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体件的数字化是很困难的是很困难的 nCMMCMM中多次装夹中多次装夹n光学测量仪中，多视角测量光学测量仪中，多视角测量 可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结束后输入到反求工程软件中拼合束后输入到反求工程软件中拼合逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造数据光滑数据光滑 实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对数据进行平滑滤波。影响，有必要对数据进行平滑滤波。n人机交互人机交互 n程序滤波程序滤波n变形光顺变形光顺 逆向工程及快速原型制造人工交互逆向工程及快速原型制造程序滤波逆向工程及快速原型制造局部特征去除逆向工程及快速原型制造光顺效果逆向工程及快速原型制造光顺效果逆向工程及快速原型制造数据修复数据修复n测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量不完整测量不完整n重新测量重新测量n软件中修补软件中修补逆向工程及快速原型制造数据修复逆向工程及快速原型制造修复逆向工程及快速原型制造数据简化数据简化n按数据点间的距离按数据点间的距离 指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临界距离，则删除其中的一个。界距离，则删除其中的一个。n按给定的法向精度按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据。测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离删除的依据。测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲率大或尖锐棱边保留较多的点。率大或尖锐棱边保留较多的点。逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造给定距离简化逆向工程及快速原型制造全站仪n 激光免棱镜激光免棱镜 激光相位式测距技术，一定距激光相位式测距技术，一定距离内不需任何协作目标就可以测量离内不需任何协作目标就可以测量 激光束细、激光束细、亮亮，使得测量免受栅栏、树枝等物体的影响，使得测量免受栅栏、树枝等物体的影响，也可迅速定位于细小的定位点：墙角、物体尖也可迅速定位于细小的定位点：墙角、物体尖端等，极大方便了测量工作端等，极大方便了测量工作 键盘操作快捷键盘操作快捷 采采用了软键和数字键盘相结合的方式适用于建筑用了软键和数字键盘相结合的方式适用于建筑放样、道路放样、地形地籍测量及控制点测量放样、道路放样、地形地籍测量及控制点测量等测量工作。等测量工作。逆向工程及快速原型制造LDT50激光电子经纬仪 n光束在多云白天条件下，工作范围光束在多云白天条件下，工作范围达达400米，在管道，地下等黑暗环境米，在管道，地下等黑暗环境下，工作范围更远。下，工作范围更远。激光束可以在聚焦模式和平行模式激光束可以在聚焦模式和平行模式下切换。下切换。激光光斑非常逼近圆型。判断光斑激光光斑非常逼近圆型。判断光斑中心非常简单精确。中心非常简单精确。逆向工程及快速原型制造 一、一、一、一、简介简介简介简介 在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。快速成型制造技术快速成型制造技术快速成型制造技术快速成型制造技术 一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。件用传统方法加工非常困难。逆向工程及快速原型制造快速原型制造技术产生的背景快速原型制造技术产生的背景市场变化市场变化 客户要求客户要求计算机技术计算机技术材料科学材料科学CAD/CAM 能源科学能源科学RP逆向工程及快速原型制造 快速成型快速成型(Rapid Prototyping)(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来技术是近年来发展起来的直接根据的直接根据CADCAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了它集成了CADCAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的与传统制造方法不同，快速成型从零件的CADCAD几何模几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。效率和制造柔性。逆向工程及快速原型制造 一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关心销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力使高的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力使高质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。快速成型技术问世这些年，已实现了相当大的市场，快速成型技术问世这些年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。发展非常迅速。逆向工程及快速原型制造快速原型技术的优点：快速原型技术的优点：1.1.快快速速原原型型作作为为一一种种使使设设计计概概念念可可视视化化的的重重要要手手段段，计计算算机机辅辅助助设设计计的的零零件件的的实实物物模模型型可可以以在在很很短短时时间间内内被被加加工工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。2.2.由由于于它它是是将将复复杂杂的的三三维维型型体体转转化化为为两两维维截截面面来来解解决决，因因此此，它它能能制制造造任任意意复复杂杂型型体体的的高高精精度度零零件件，而而无无须须任任何何工装模具。工装模具。逆向工程及快速原型制造3.3.快快速速原原型型作作为为一一种种重重要要的的制制造造技技术术，采采用用适适当当的的材材料料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。4.4.快快速速原原型型操操作作可可以以应应用用于于模模具具制制造造，可可以以快快速速、经经济济地地获得模具。获得模具。5.5.产产品品制制造造过过程程几几乎乎与与零零件件的的复复杂杂性性无无关关，可可实实现现自自由由制制造造(Free(Free Form Form Fabrication)Fabrication)，这这是是传传统统制制造造方方法法无无法法比拟的。比拟的。逆向工程及快速原型制造二、二、二、二、快速成型的基本原理快速成型的基本原理快速成型的基本原理快速成型的基本原理 基基于于材材料料累累加加原原理理的的快快速速成成型型的的操操作作过过程程实实际际上上是是一一层层一一层层地地离离散散制制造造零零件件。快快速速成成型型有有很很多多种种工工艺艺方方法法，但但所所有有的的快快速速成成型型工工艺艺方方法法都都是是一一层层一一层层地地制制造造零零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。逆向工程及快速原型制造快速成型的一般工艺过程原理如下快速成型的一般工艺过程原理如下快速成型的一般工艺过程原理如下快速成型的一般工艺过程原理如下：1.1.三维模型三维模型的构造。的构造。在在 三三 维维 CADCAD设设 计计 软软 件件（如如 Pro/EPro/E、UGUG、SolidWorksSolidWorks、SolidEdgeSolidEdge等等）中中获获得得描描述述该该零零件件的的CADCAD文件。文件。目目前前一一般般快快速速成成型型支支持持的的文文件件输输出出格格式式为为STLSTL模模型型，即即对对实实体体曲曲面面近近似似处处理理,即即所所谓谓面面型型化化(Tessallation)(Tessallation)处处理理,是是用用平平面面三三角角面面片片近近似似模模型型表表面面。这这样样处处理理的的优优点点是是大大大大地地简简化化了了CADCAD模模型型的的数数据据格格式式,从从而而便便于于后后续续的的分层处理。分层处理。逆向工程及快速原型制造 在三维在三维CADCAD设计软件对设计软件对CADCAD模型进行面型化处模型进行面型化处理时理时,一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/EPro/E软件是通软件是通过选定弦高值过选定弦高值(ch-chord height)(ch-chord height)作为逼近的精度参数，作为逼近的精度参数，如图为一球体如图为一球体,给定的两种给定的两种chch值所转化的情况。值所转化的情况。不同不同chch值时的效果值时的效果(a)ch=0.05(a)ch=0.05 (b)ch=0.2(b)ch=0.2逆向工程及快速原型制造2.2.三维模型的离散处三维模型的离散处理。理。通过专用的分层通过专用的分层程序将三维实体程序将三维实体模型分层，通过模型分层，通过一簇平行平面沿一簇平行平面沿制作方向与制作方向与CADCAD模型相截模型相截,所得到所得到的截面交线就是的截面交线就是薄层的轮廓信息薄层的轮廓信息,而实体信息是通而实体信息是通过一些判别准则过一些判别准则来获取的。来获取的。快速成型原理图快速成型原理图(a)(a)零零件件的的三三维模型维模型(b)(b)零零件件被被分分层离散层离散(c)(c)支撑材料支撑材料(d)(d)采用熔积法对图采用熔积法对图(e)A-A(e)A-A截面加工的挤压路径截面加工的挤压路径逆向工程及快速原型制造 分层切片分层切片是在选定了制作是在选定了制作(堆积堆积)方向后方向后,需对需对CADCAD模型进行一维离散模型进行一维离散,获取每一薄层片截面轮廓获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。及实体信息。平行平面之间的距离就是分层的厚度平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型也就是成型时堆积的单层厚度。时堆积的单层厚度。轮廓轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。构成。由于分层，破坏了切片方向由于分层，破坏了切片方向CADCAD模型表面的连续模型表面的连续性性,不可避免地丢失了模型的一些信息不可避免地丢失了模型的一些信息,导致零件尺导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度。的表面粗糙度和整个零件的型面精度。逆向工程及快速原型制造 分层后所得到的模型轮廓是近似的分层后所得到的模型轮廓是近似的,而层层之间的轮廓而层层之间的轮廓信息已经丢失信息已经丢失,层厚大层厚大,丢失的信息多丢失的信息多,导致在成型过程中产导致在成型过程中产生了型面误差。为提高零件精度生了型面误差。为提高零件精度,应该考虑更小的切片层应该考虑更小的切片层厚度。厚度。3.3.层截面的制造与累加层截面的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-YX-Y平面平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。合在一起，形成三维零件。逆向工程及快速原型制造RP技术的基本原理图技术的基本原理图逆向工程及快速原型制造快速原型制造技术发展历史快速原型制造技术发展历史n18921892年年 美国美国 层合方法制作三维地层合方法制作三维地图模型图模型n19791979年年 日本日本 东京大学中川威雄发东京大学中川威雄发明叠层模型造型法明叠层模型造型法n19801980年年 日本日本 名古屋工业大学小玉名古屋工业大学小玉秀男提出光造型法秀男提出光造型法(立体印刷成型立体印刷成型)n19841984年年 美国美国 UVP UVP公司完成了公司完成了Stereo Lithography ApparatusStereo Lithography Apparatus系系统统SLA-1SLA-1（3D System 3D System）n 1984 1984年年 美国美国 M Feygin M Feygin提出层合实提出层合实体制造（体制造（Helisys Helisys）n19861986年年 美国美国 得克萨斯大学得克萨斯大学C.DeckardC.Deckard提出选区激光烧结（提出选区激光烧结（DTM DTM）n19881988年年 美国美国 S.Crump S.Crump提出熔融沉积提出熔融沉积造型造型逆向工程及快速原型制造 液体材料液体材料SLALTPBISHISRP RP 工艺方法及其分类工艺方法及其分类粉状材料粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料片状材料LOMSFPSGCES目前快速成型主要工艺方法及其分类目前快速成型主要工艺方法及其分类液体树液体树脂固化脂固化熔融材熔融材料固化料固化激光熔激光熔合材料合材料粘结剂粘结剂粘结材料粘结材料粘性片材粘性片材的粘结的粘结UVUV粘结粘结片状材料片状材料 三、快速成型的工艺方法三、快速成型的工艺方法三、快速成型的工艺方法三、快速成型的工艺方法逆向工程及快速原型制造1.1.熔积成型法（熔积成型法（Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling）在在熔熔积积成成型型法法（FDM）的的过过程程中中龙龙门门架架式式的的机机械械控控制制喷喷头头可可以以在在工工作作台台的的两两个个主主要要方方向向移移动动，工工作作台台可可以以根根据据需需要要向向上上或或向向下下移移动动。热热塑塑性性塑塑料料或或蜡蜡制制的的熔熔丝丝从从加加热热小小口口处处挤挤出出。最最初初的的一一层层是是按按照照预预定定的的轨轨迹迹以以固固定定的的速速率率将将熔熔丝丝挤挤出出在在泡泡沫沫塑塑料料基基体体上上形形成成的的。当当第第一一层层完完成成后后，工工作作台台下降一个层厚并开始迭加制造一层。下降一个层厚并开始迭加制造一层。逆向工程及快速原型制造(b)(b)熔熔积积成成型型50005000，熔熔积积成成型设备。型设备。(a)(a)熔积法成型的示意图熔积法成型的示意图熔积成型法原理图逆向工程及快速原型制造 FDM 制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图所示制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图所示(b)(b)在快速原型机器中在快速原型机器中 常用的支撑结构常用的支撑结构(a)(a)有一个突出截面需要有一个突出截面需要(b)(b)支撑材料的零件支撑材料的零件快速原型支撑结构图快速原型支撑结构图逆向工程及快速原型制造 FDM的优点是材料的利用率高；材料的成本低；可选的优点是材料的利用率高；材料的成本低；可选用的材料种类多；工艺干净、简单、易于操作且对环境的用的材料种类多；工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；表面影响小。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；表面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型。特别适合薄壁零件。中等复杂程度的中小原型。特别适合薄壁零件。逆向工程及快速原型制造2.2.光敏液相固化法（光敏液相固化法（Stereolithography ApparatusStereolithography Apparatus）光敏液相固化法光敏液相固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。原理如图所示制造工艺。原理如图所示 光固化成型原理图光固化成型原理图逆向工程及快速原型制造 光光固固化化采采用用的的是是将将液液态态光光敏敏树树脂脂固固化化到到特特定定形形状状的的原原理理。以以光光敏敏树树脂脂为为原原料料，在在计计算算机机控控制制下下的的紫紫外外激激光光按按预预定定零零件件各各分分层层截截面面的的轮轮廓廓为为轨轨迹迹对对液液态态树树脂脂逐逐点点扫扫描描，使使被被扫扫描描区区的的树树脂脂薄薄层层产产生生光光聚聚合合反反应应，从从而而形形成成零零件件的的一一个薄层截面。个薄层截面。光光固固化化成成形形所所能能达达到到的的最最小小公公差差取取决决于于激激光光的的聚聚焦焦程程度度；通常是通常是0.0125mm0.0125mm。逆向工程及快速原型制造 SLA工工艺艺优优点点是是精精度度较较高高，一一般般尺尺寸寸精精度度控控制制在在0.1mm0.1mm；表表面面质质量量好好；原原材材料料的的利利用用率率接接近近100100；能能制制造造形形状状特特别别复复杂杂、特特别别精精细细的的零零件件；设设备备的的市市场场占占有有率率很很高。高。缺缺点点是是需需要要设设计计支支撑撑；可可以以选选择择的的材材料料种种类类有有限限；容容易易发发生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中小件。生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中小件。逆向工程及快速原型制造3.3.激光选区烧结（激光选区烧结（Selective Laser SineringSelective Laser Sinering）激光选区烧结激光选区烧结（SLS）是一种将非金属（或普通金属）粉）是一种将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO2CO2激光器作激光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。逆向工程及快速原型制造 SLS工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。逆向工程及快速原型制造b)b)由由选选区区片片层层粘粘结结法法制制造的机轴零件图造的机轴零件图选区片层粘结法原理图选区片层粘结法原理图a)选区片层粘结法工艺原理图逆向工程及快速原型制造 LOM工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。的内应力和翘曲变形小；制造成本低。缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料类是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。LOM工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。接制作砂型铸造模。逆向工程及快速原型制造 快快速速模模具具及及快快速速复复制制技技术术是是近近几几年年在在国国内内外外发发展展起起来来的的一一种种快快速速制制造造技技术术。该该项项技技术术融融合合了了高高分分子子复复合合材材料料应应用用、快快速速成成型型技技术术、快快速速翻翻制制工工艺艺以以及及CNC加加工工等等新新技技术术、新新工工艺艺，可可快快速速、低低成成本本地地制制造造非非金金属属模模具具，用用于于10-10-10001000件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。四、基于快速成型的快速模具技术（四、基于快速成型的快速模具技术（四、基于快速成型的快速模具技术（四、基于快速成型的快速模具技术（Rapid Tooling,Rapid Tooling,Rapid Tooling,Rapid Tooling,简称简称简称简称RTRTRTRT）适适用用于于产产品品开开发发过过程程中中的的小小批批量量试试制制，以以及及小小批批量量生产的、结构较简单的覆盖件生产。生产的、结构较简单的覆盖件生产。按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。逆向工程及快速原型制造1.1.直接制模法直接制模法(Direct Tooling(Direct ToolingDT)直接制模法直接制模法是指将模具是指将模具CAD的结果由的结果由RP系统直接制造系统直接制造成型。即在成型。即在RP系统上直接制造出模具供生产使用。系统上直接制造出模具供生产使用。这种方法不需要这种方法不需要RP原型作样件，也不依赖传统的模具原型作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法前景的快速模具制造方法。制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机械强度和制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机械强度和稳定性，故用稳定性，故用RP技术直接制造的模具经表面处理后可直技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生产中。但由于接用于生产中。但由于RP成型工艺和成型材料等原因，成型工艺和成型材料等原因，直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。逆向工程及快速原型制造2.2.间接制模法间接制模法 间接间接RT法法是以是以RP原型作样件间接制造模具的方法。原型作样件间接制造模具的方法。RPM技术克服了传统样件技术克服了传统样件(模样模样)制作的缺点，能够更快、制作的缺点，能够更快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型(样件样件)。一。一般可使模具制造周期和制造成本降低般可使模具制造周期和制造成本降低1/21/2，大大提高了，大大提高了生产效率和产品质量。生产效率和产品质量。逆向工程及快速原型制造 间间接接RT法法已已日日臻臻成成熟熟。其其方方法法则则根根据据零零件件的的生生产产批批量量的大小而不同。常用的有：的大小而不同。常用的有：用用RP原型制作简易模具原型制作简易模具 1)1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（批量在当制造的零件件数较少（批量在20205050件）时，一般采件）时，一般采用这种硅橡胶模。用这种硅橡胶模。工工艺艺过过程程为为：以以RP原原型型作作样样件件，采采用用室室温温硫硫化化的的有有机机硅硅橡胶浇注制作硅橡胶模。橡胶浇注制作硅橡胶模。独独特特之之处处：由由于于硅硅橡橡胶胶良良好好的的柔柔性性和和弹弹性性，对对于于结结构构复复杂杂、花花纹纹精精细细、无无拔拔模模斜斜度度以以及及具具有有深深凹凹槽槽的的零零件件来来说说，制件浇注完成后均可直接取出。制件浇注完成后均可直接取出。制作周期为制作周期为1 1周左右。周左右。逆向工程及快速原型制造2)2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模 以以液液态态的的环环氧氧树树脂脂与与有有机机或或无无机机材材料料复复合合为为基基体体材材料料，以以RP原型为基准浇铸模具的一种制模方法。原型为基准浇铸模具的一种制模方法。制制造造的的模模具具寿寿命命为为10010010001000件件。为为延延长长模模具具寿寿命命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂通常在环氧树脂中添加各种添加剂。具具有有工工艺艺简简单单、模模具具传传导导率率高高、强强度度高高及及型型面面不不加加工工的的特特点点，适适于于塑塑料料注注射射模模、薄薄板板拉拉伸伸模模及及吸吸塑塑模模和和聚聚氨氨酯发泡成型模。酯发泡成型模。制作周期为制作周期为1 12 2周。周。逆向工程及快速原型制造3)3)金属喷涂（金属喷涂（Metal SprayingMetal Spraying）制模法）制模法 以以RP原原型型作作样样件件，将将低低熔熔点点的的熔熔化化金金属属充充分分雾雾化化后后以以一一定定的的速速度度喷喷射射到到样样件件的的表表面面，形形成成模模具具型型腔腔表表面面，充充填背衬复合材料的制模技术。填背衬复合材料的制模技术。这种模具用于这种模具用于30003000件以下的注塑件生产。件以下的注塑件生产。特特点点：工工艺艺简简单单，周周期期短短；型型腔腔表表面面及及其其精精细细花花纹纹一一次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。制作周期为制作周期为3 34 4周。周。逆向工程及快速原型制造 通通常常将将硅硅橡橡胶胶模模、环环氧氧树树脂脂模模、金金属属喷喷涂涂模模等等称称为为软软模模具具（Soft Soft Tooling Tooling）或或叫叫经经济济模模具具（Economical Economical ToolingTooling）。一一般般用用于于批批量量小小的的零零件件生生产产或或者者用用于于产产品品试试制制阶段，并非一定用钢铁材料制作的成本较低的模具。阶段，并非一定用钢铁材料制作的成本较低的模具。逆向工程及快速原型制造用用RP原型快速制作钢模原型快速制作钢模1)1)陶瓷型精密铸造法制造钢陶瓷型精密铸造法制造钢/铁型腔铁型腔 过过程程：制制作作钢钢/铁铁型型腔腔，将将RP原原型型置置于于陶陶瓷瓷沙沙浆浆中中，形形成成模模壳壳在在炉炉中中固固化化模模壳壳，烧烧去去RP原原型型在在炉炉中中预预热热模模壳壳在在模模壳壳浇浇铸铸钢钢/铁铁型型腔腔型型腔腔表表面面抛抛光光加加入入浇浇注注系系统和冷却系统等统和冷却系统等批量生产用注塑模。批量生产用注塑模。逆向工程及快速原型制造2)2)消失模铸消失模铸生产模具生产模具 利用利用RP原型或由原型翻制的硅橡胶模原型或由原型翻制的硅橡胶模/金属树脂复金属树脂复合模合模/聚氨酯材料制成的蜡模的成形模，然后用成形模聚氨酯材料制成的蜡模的成形模，然后用成形模生产蜡模，用于失蜡铸造工艺制造钢生产蜡模，用于失蜡铸造工艺制造钢/铁型腔模具。另铁型腔模具。另外在单件生产复杂模具时，也可直接用外在单件生产复杂模具时，也可直接用RP原型代替蜡模。原型代替蜡模。消失模铸造具有工艺简单和尺寸精度高的特点，广消失模铸造具有工艺简单和尺寸精度高的特点，广泛应用于生产汽车覆盖件模具。泛应用于生产汽车覆盖件模具。这种制模方法可用于大型、复杂的模具。这种制模方法可用于大型、复杂的模具。逆向工程及快速原型制造模型实例1 轿车车灯逆向工程及快速原型制造模型实例2 电话机外壳逆向工程及快速原型制造模型实例3 皮鞋底逆向工程及快速原型制造模具实例4 手机外壳橡胶模 逆向工程及快速原型制造模具实例5 拐头树脂型复合模逆向工程及快速原型制造模具实例6 电子产品注射模逆向工程及快速原型制造快速原型在产品开发上的重要性快速原型在产品开发上的重要性nCAIDCAID应用应用:工业设计师在短时间内得到精准的原型与业者作工业设计师在短时间内得到精准的原型与业者作造形检讨；造形检讨；n机构设计应用机构设计应用:进行干涉检讨，及提早发现设计错误以减少后面进行干涉检讨，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作；模具修改工作；nCAECAE功效功效:快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产品功能性测试与检讨；进行产品功能性测试与检讨；五、五、五、五、RPRPRPRP展望展望展望展望逆向工程及快速原型制造nRapid Tooling(快速模具快速模具)应用应用:快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产；产；n视觉效果视觉效果(visualization)设计人员能在短时间之内便能看到设计的雏型，设计人员能在短时间之内便能看到设计的雏型，可作为进一步研发的基石；可作为进一步研发的基石；n设计确认设计确认(verification):可在短时间内即可完成原型的制作，使设计人员可在短时间内即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检讨；有充分的时间对于设计的产品做详细的检讨；逆向工程及快速原型制造n复制与最佳化设计复制与最佳化设计(iteration&optimization)可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间内完成设计的最要求同时进行测试的工作，以在最短时间内完成设计的最佳化；佳化；n直接生产直接生产(fabrication):直接生产小型工具，或作为翻模工具。直接生产小型工具，或作为翻模工具。逆向工程及快速原型制造快速原型的经济效益快速原型的经济效益n缩短产品加工时间缩短产品加工时间n增加使构想具体化能力增加使构想具体化能力n降低原型生产周期降低原型生产周期n降低设计错误的发生及所花費成本降低设计错误的发生及所花費成本n增加在设计过程中了解产品机械特性的能力增加在设计过程中了解产品机械特性的能力逆向工程及快速原型制造快速原型制造技术发展趋势快速原型制造技术发展趋势n概念创新和技术改进概念创新和技术改进 精度、时间、成本、最终用途零件、复杂结构、精度、时间、成本、最终用途零件、复杂结构、材料组织；材料组织；n寻求适合集成制造的新材料寻求适合集成制造的新材料 快速、精确加工成型、强度、方便后处理、最终快速、精确加工成型、强度、方便后处理、最终零部件、生物材料；零部件、生物材料；n开发功能强大的数据采集、处理和监控软件开发功能强大的数据采集、处理和监控软件 快速原型数据与快速原型数据与CAD/CAM、三维制造系统数据交、三维制造系统数据交换、接口新技术及控制技术；换、接口新技术及控制技术；曲面切片、不等厚分层；曲面切片、不等厚分层；逆向工程及快速原型制造n拓展新的应用领域拓展新的应用领域 快速模具、医学领域快速模具、医学领域 、古陶瓷器、古陶瓷器 n研制经济、精密、可靠、高效的制造设备研制经济、精密、可靠、高效的制造设备 精度高、可靠性好、效率高且价廉精度高、可靠性好、效率高且价廉 n实现智能化加工实现智能化加工 经验因素、支撑结构经验因素、支撑结构逆向工程及快速原型制造n制造设备和技术集成化制造设备和技术集成化 三维三维CADCAD建模系统、数据逆向系统、快速成型与建模系统、数据逆向系统、快速成型与制造系统和数控加工系统集成制造系统和数控加工系统集成 原型制造技术与传统制造技术集成原型制造技术与传统制造技术集成 n网络加工网络加工 远程制造、桌面化远程制造、桌面化 n生长成型生长成型 生物工程、活性材料、基因工程生物工程、活性材料、基因工程 、仿生成型、仿生成型逆向工程及快速原型制造RP Usage逆向工程及快速原型制造Use of RP models by branches逆向工程及快速原型制造工程应用工程应用n概念模型概念模型n视觉造型视觉造型n组装组装n验证与最佳化验证与最佳化n功能测试功能测试n小批量制造小批量制造n快速模具快速模具逆向工程及快速原型制造科学应用科学应用n古生物学模型古生物学模型n生物模型生物模型n考古研究模型考古研究模型逆向工程及快速原型制造医学应用医学应用n人工骨头制作人工骨头制作n手术规划手术规划n齿模制作齿模制作n义耳制作义耳制作逆向工程及快速原型制造CT扫描股骨模型扫描股骨模型逆向工程及快速原型制造逆向工程及快速原型制造演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew3rew2024/2/15逆向工程及快速原型制造