快速成形前处理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 快速成形过程及其前处理,1,快速成形的全过程可以归纳为以下三个步骤：,2.1 快速成形的过程,1)前处理 它包括,工件的三维模型的构造,三维模型的近似处理,模型成形方向的选择,三维模型的切片处理,2)分层叠加成形：它是快速成形的核心。包括模型截面轮廓,的制作与截面轮廓的叠合。,3)后处理：它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光,和表面强化处理等。,2,3,2.2 三维模型的构造,首先应在计算机上，用三维计算机辅助设计软件，根据产品的要求设计三维模型；,或将已有产品的二维三视图转换成三维模型；,或在仿制产品时，用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型(图23)。,4,5,在计算机或工作站上，用三维计算机辅助设计(CAD)软件，根据产品的要求、可以设计其三维模型，或将已有的产品的二维三视图转换成三维模型。,2.2.1 用计算机辅助设计软件构造三维模型,形体表达方法，其中常见的有以下几种：,(1)构造实体几何法,(Constructive Solid Geometry，简称CSG法),构造实体几何法又称为,积木块几何法,(Building-Block Geometry),这种方法用布尔(Boolean)运算法则(并、交、减)，将一些较简单的体素(如立方体、圆柱体、环、锥体)进行组合、变化成复杂形状的三维模型实体。,6,它的优点是：,数据结构比较简单，无冗余的几何信息，所得到的实体真实有效、并且能方便地进行修改；,其缺点是：,可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时。,(2)边界表达法,(Boundary Representation,简称 B-rep法),边界表达法根据,顶点、边和面,构成的表面来精确地描述三维模型实体。,这种方法的优点是:,能快速地绘制立体或线框模型。,它的缺点是:,数据是以表格形式出现的，空间占用量大；修改设计不如CSG简单。,7,对于自由曲面,难于用传统的体素来进行描述，可用参量表达法。,其中较好的一种是非均匀有理B样条法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率,能准确地描述体素。,(3)参量表达法,(Parametric Representation),单元表达法起源于分析(如有限元分析)软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成形技术中采用的三角形近似(将三维模型转化成STL格式文件)，就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。,(4)单元表达法,(GellRepresentation),8,用于构造模型的计算机辅助设计软件应有较强的三维造型功能，这主要是：,实体造型(S0lid Modelling),表面造型(Surface Modelling)功能,目前快速成形行业中常用的计算机辅助设计软件系统如表2.1所示。,9,上述计算机辅助设计软件产生的模型文件输出格式有多种，其中常见的有IGES、HPGL、STEP、DXF和STL等。,(1)IGES(International Graphics Exchange Standard),IGES是大多数CAD系统采用的一种美国标准，可支持不同,文件格式间的转化。,(2)HPGL(HP GraPhics Language),HPGL是HP公司开发的一种用来控制自动绘图机的语言格,式，它已被广泛地接受，成为一项事实标准。这种表达格式的基本构成是描述图形的矢量，用X相y坐标来表示矢量的起点与终点,以及绘图笔相应的拾起和放下。,一些快速成形系统也用HPGL来驱动它们的成形头。,10,STEP是一种正在逐步国际标准化的产品数据交换标准。目,前，典型的CAD系统都能输出STEP格式文件。,有些快速成形技术的研究工作者正试图借助STEP 格式，不经STL格式的转化，直接对三维CAD模型进行切片处理，以便提高快速成形的精度。,(3)STEP(Standard for The Excharge of Product),(4)DXF,DXF是用于AutoCAD输出的一种格式，它以广泛的为其他PC系统所采用。,(5)STL,STL格式 是快速成形机普遍采用的一种格式。,11,软件是 RP的灵魂。,因为RP是一种由CAD模型,直接,驱动、计算机控制下的全自动加工技术，从CAD模型到生成最终数控代码的全过程都是由计算机软件完成的，因此软件在RP制造中占据了,极其重要的地位,，软件的好坏对RP加工的效率与制件质量有很大影响。,STL（,STereo Lithography interface specification,）文件：是一种在CAD与RP系统之间交换数据的格式化文件。,该文件的特点：,格式简单，对三维模型建模无特定要求。是快速成形系统中标准数据输入格式。,2.3 三维模型的近似处理,12,一、,STL,模型的表示方法,STL格式文件,是存放在CAD模型表面的离散化三角形面片数据。且对三角形面片的存储顺序无任何要求。,13,STL文件有两种格式：,即,二进制,和,文本格式,。,1、二进制,STL文件格式是：,将三角形面片数据的3个顶点的坐标(X，Y、Z)和1个法向量(N)来描述(如图所示)。三角形的大小是可以选择的、从而能得到不同的曲面近似精度。,经过上述近似处理的三维模型文件称为,STL格式文件。每个单片占用50B的存储空间。,三角形的表示,2、文本,STL文件是将数据以数字字符窜的形式存储，平均一个单片占用150B的存储空间。,二、,STL,文件的存储格式,14,二进制,STL文件格式示例,15,近似精度要求愈高，选取的三角形应该愈多，但是过高的要求也是不必要的，以免所需三用形的数目和计算机的存储容量过大，数据处理州日过长。,16,17,（一）,STL格式的规则,三、,STL,文件的,一致性规则,及,错误,（1）共顶点规则：,每一个小三角形平面必须与每个相邻的小三角形平面共用两个顶点。也就是说，一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何一个小三角形平面的边上。,18,（2）取向规则：,用小三角形平面中的顶点排序来确定表面是,内表面,或,外表面,，,反时针,的顶点排序表示该表面为外表面（图a），,顺时针的顶点排序,表示该表面为内表面(图b)。按照右手法则来判断。,19,(3)取值规则,每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错误的。,(4)合法实体规则,STL格式文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面。,不得有任何遗漏(即不能有裂缝或孔洞)；,不能有厚度为零的区域；,外表面不能从其本身穿过。,相邻两个三角形之间只有一个公共边,，,即必须共享两个顶点,组成三角形的每一条有且只有两个三角形面片之相连,。,三角形面片的法向矢量要求指向实体外部，三顶点排列顺序与外法矢之间的关系要符合右手法则。,总之,20,（二）,STL文件的,错误：,无效法矢,重叠面片,裂缝,漏洞,非正则形体,21,(1)出现了违反共顶点规则的三角形,(2)出现了违反取向规则的三角形,进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法向量的方向相反。,为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。,22,(3)出现错误的裂缝或孔洞,进行STL格式转换时，由于数据舍入的误差会造成一个点同时处于多个位置，因此，在显示的STL格式模型上。会有错误的孔洞或裂缝，违反充满规则。,此时，应在这些孔洞或裂缝中增补若干小三角形平面，从而消除错误。,23,进行STL格式转换时，若转换精度选择不当，会出现三角形过多或过少的现象。,当转换精度选挥过高时，使产生的三角形过多，所占用的文件空间量太大，可能超出快速成形系统所能接受的范围，并出现一些莫名其妙的错误，导致成形困难；,当转换精度选挥过低时，使产生的三角形过少，造成成形件的形状、尺寸精度不满足要求；,遇到有上述情况时，应适当调整STL格式的转换精度。,(4)三角形过多或过少,24,当三维CAD模型上有非常小的特征结构(如很窄的缝隙、肋条或很小的凸起等)时，可能难于在其上布置足够数目的三角形小平面，致使这些特征结构遗漏或形状出错，或者在后续的切片处理时出现错误、混乱。,(5)微小特征遗漏或出错,对于这类问题，比较难于解决。因为如果要想用更高的转换精度(即更小尺寸和更多数目的三角形小平面)，以及更小的切片间隔，来克服这类缺陷，必然会使占用的文件空间量更大，造成快速成形系统的困难。,25,用于观察和编辑(修改)STL格式文件的专用软件(表2-4)。,26,27,下面以Magics为例来说明这类软件的功能：,(1)观察(Visualisation),借助观察这个功能，可以对显示的模型立体阴影图，进行如同摄像机控制方式的随意旋转、观察；还可用剖视得到截面，从而观察模型的内部。,(2)测量(Measuring),在STL格式文件所表达的模型上，进行点与点、线与线、弧与弧之间的三维测量，并且打印出测量结果。,(4)修改Reparation),对STL格式文件中的错误进行修改，例如缝合、填充裂缝、调整法线等。,(3)变换(Manipu1ation),不必返回CAD系统，就可对STL格式文件所表达的模型进行变换，如布尔(逻辑)运算、分割、减少三角形的数量、复制、镜射和缩放。,28,5)为成形作准备(WorkPreparation),为了按照要求的方位在快速成形机上制作工件，Magics能对STL格式文件所表达的模型,进行移动、旋转、套做和切片，并且估计制作时间和报价。,(6)生成文撑结构(Support Generation),提供多种不同的文撑结构及其组合。下图所示为生成的一种脚手架式支撑结构，这种结构具有节省制作时间、节省材料和易于剥离的待点。,29,2.4 STL格式的优缺点及其改进格式,1、STL格式的优点,1）格式简单,2）与CAD建模方法无关；,2、 STL格式的缺点,1）数据冗余，文件庞大，网络传输效率很低；,2）使用小三角形平面来近视三维曲面，存在曲面误差；,3）缺乏拓扑信息，容易产生错误，切片算法复杂；,4)针对以上缺点，在快速成形机上，出现了多种代替STL文件接口形,式，如SLC、CLl、HP/GL、IGES、STEP、RPI、RIJI、LtAF相SIF等几,种。其中PowerRP软件能支持改进的接口格式CS。,3、改进格式应具备的条件：,1）与STL文件兼容；,2）与STL文件相比，能显著减少文件尺寸，且具有模型,拓扑信息，易,于RP软件重构模型拓扑结构；,3）格式要求简单，并于CAD建模无关,。,30,4、 RP软件介绍,RP软件从功能侧重点上主要分为两种：,第三方,和,专用,RP软件。,(1),独立第三方RP软件输入的数据文件格式有STL、IGES、DXF、HPGL，CT层片文件等。,国外主要第三方RP软件有：,1) Bridge Works 是美国Solid Concept公司于1992年推出；,2) SolidView,是美国Solid Concept公司于1994年推出；,3) STL Manager，是美国POGO公司于1994年推出；,4) STLView,是美国工程师在业余时间所写的软件；,5) Surfacer-RPM，这是美国Imageware公司于1994年为其,Surfacer软件增加的数据处理模块;,31,6)Magics软件是比利时推出的基于STL文件的通用RP数据处理软件，使当今最具影响力的软件，应用极广。,其主要功能有：,1、STL文件的显示、测量、编辑、纠错和切片；,2、切片轮廓的正确性验证，模型各部件间的冲突检测；,3、布尔运算（包括模型的拼接和任意划分，添加导流管等,功能）,4、模型加工时间预测、报价（依耐特定的RP设备）；,5、模型的镂空，三位偏置；,6、对STL模型添加FDM，SLA工艺要求的支撑结构。,32,33,(2)RP系统制造商开发的专用软件,RP系统专用软件，使针对设备操作人员而开发的软件，操作简单。,1、3D Systems公司的ACES和Quickast；,2、Hellisys公司的LOMSlice；,3、DTM Rapid公司的TONNL；,4、Stratasys公司的QuickSlice，SupportWorks和AutoGen；,5、Cubital公司的SoliderDFE;,6、Sander Prototype公司的ProtoBuild和ProtoSupport等。,国外的主要专用软件有：,34,(3)PowerRP简介,PowerRP是华中科技大学独立开发的基于HRP系列快速成形机的RP数据处理及NC加工软件。,2）独有“容错”切片功能；,3）功能完备；如图2-21。,4）操作简单，可用性强，,易于学习，如图2-22。,它具有以下特点：,1）采用“虚拟机”机制，可支持HRP全系列快速成形设备，包括LOM，SLS，SLA和FDM等十余种硬件型号。,35,36,图2-22 PowerRP的用户界面,37,2.5 模型成形方向的选择,将工件的三维STL格式文输入快速成形机后，可以用机器中的STL格式文件的显示软件，使模型旋转，从而得到不同的成形方向。成形方向会对工件品质(尺寸精度、表面粗糙度、强度等)、材料成本和制作时间产生很大的影响。,2.5.1 成形方向对工件品质的影响,一般而言，应该将精度要求较高的轮廓(例如，有较高配合精度要求的圆柱、圆孔)，尽可能放置在xy平面。,影响其精度的主要因素是,台阶效应,和,基底的卷曲,，应避免成形大截面的其底。,38,不同的成形方向会导致不同的材料消耗量。,对于需要外支撑结构的快速成形，如SLA和FDM，材料的消耗量应包括制作支撑结构的可观的材料需求。总材料消耗量还取决于原材料的回收和再使用；,对于SLS成形，由于工件的体积是恒定的。成形时未烧结的原材料可再使用，因此、无论什么成形方向所需的材料几乎都相同；,对于LOM成形,，由于其废料部分不能再用于成形，因此材料消耗量与不同成形方向时产生的废料量有很大的关系。,2.5.2 成形方向对材构成本的影响,39,工件的成形时间由,前处理时间,、,分层叠加成形时间,和,后处理时间,等三部分构成。,其中：,前处理是成形数据的准备过程，通常只占总制作时间的很小部分因此，可以不考虑因成形方向的改变所导致前处理的时间变化。,后处理时间取决于工件的复杂程度和所采用的成形方法。,2.5.3 成形方向对制作时间的影响,对于无需支撑结构的成形，后处理时间可以看作与成形,方向无关,。,当需要支撑结构时，后处理时间与支撑的体积有关，因,此与成形方向有关。,40,成形时间等于,层成形时间,及,层与层之间的中间处理时间,之和，它随成形方向而变化。,Tint,w,+(V/z)t,u,式中，Ti总成形时间；,n层数；,t,w,层与居之间的中间处理时间；,V一需成形的材料体积；,z一层厚；,tu单位材料面积所需的固化时间。,对于需要支撑结构的成形，不同的工件成形方向可能导致不同的文撑结构的体积，因此会影响成形时间。,对于SLA、SLS和FDM成形，成形时间可以用下面的公式表达；,41,例：图2.25(a)所示工件，可有图(b)、(c)和(d)三种成形方向。当采用不同的成形工艺时，对成形各种指标的影响分析如下：,42,对于SLA成形，优化成形方向如图225(b)所示。采取这种成形方向时，由于支撑结构少，因此材料成本低。,对于FDM成形优化成形方向也如图(b)所示。,对于LOM成形，优化成形方向如图(c)所示。采取这种,成形方向时。工件的成形高度小，材料成本低。,对于SLS成形，优化成形方向如图(,c,)所示。这是因为，虽然图b)和图(,c,)所示方向的材料成本相同，但是，图(c)所示方向的成形时间短、工件精度较高。,43,2.6,三维模型的切片处理,RP软件遵循一个基本一致的信息处理流程（见图2-7）,包括两个部分：,二维层面数据生成,加工路径的生成,三维设计,实物,反求工程,C,A,D,模,型,STL文件,切片,二维层面数据,加工路径生成,快速成形制造,直接切片,44,由于快速成形是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此，加工前必须在三维模型上，用切片软件，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截面的轮廓。,间隔的大小，根据被成形件精度和生产率的要求来选定。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长；否则反之。间隔的范围为0.010.5mm，常用0.1mm左右，在此取值，能得到相当光滑的成形曲面。,切片间隔选定之后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。显然，刀片间隔不得小于每层叠加的最小材料厚度。,45,切片处理的实质是：,将几何模型变成轮廓线表述，这些轮,廓线代表模型在切片层上的边界，它由一个个以Z轴正方向为法向的平面与lTL格式化的模型相交计算而得到，其过程如下：,1)将三维模型如图(a)所示转化成的STL格式,文件如图(b)输入到快速成形机。,2) 沿Z方向，自下而上，每间隔一定高度(如0.1mm)，逐一用以Z轴正方向为法向的平面与STL格式化的模型相交，求取它们的交点如图(c)。,46,3) 将交点按右手法则排序并连成环路(Loop)，即外环按反时针排序，内环按顺时针排序(如图2-27)，用关键词指明其开始和结束。,4) 由相应的环路构成各层的轮廓线如图2-26(d)和图2-27。,47,图2.28所示为一种切片程序框图。,首先，读入STL格式文件，并将所有三角形面的顶点坐标乘以一个较大的数(如5000)，使其变为整数，以利于提高运算速度。,48,将所有平行于xy平面的三角形面选作表层(如工件的底面或顶面)，剩下的三角形面都用来计算是否与Z,0,+nZ相交。,其中，Z,0,为模型的最底层的Z面;,Z为切片层厚度;,n为层数.,如果相交，则交线为轮廓线，使交线彼此顺序头、尾相接，组成环。最后，确定x、y方向的网格线。,49,切片的分层方法,，可根据有、无反馈实际成形高度而分为以下两类：,(1)开环分层,开环分层是根据所选定的层厚进行分层及预切片。并将各层的数据存储于相应的数据文件中，成形时顺序调用各层的数据，控制快速成形机完成工件的制作。,特点：,这种分层方法比较简单，它能保证总的叠加层数，但无法保证成形件每一高度处的截面轮廓精确符合模型相应高度处的截面轮廓。,当工件的高度方向有圆轮廓时，用开环分层成形往往会造成工件有较明显的椭圆度。,50,闭环分层是：根据正在成形的工件的每层实测高度，实时对STL模型进行切片，获取相应截面层的数据，并控制快速成形机进行工件的制作。,特点：,这种分层方法能保证成形件每一高度处的截面轮廓较精确符合模型相应高度处的截面轮廓，但需采用精密的高度测量传感器和实时切片计算。,(2)闭环分层,51,根据,层厚,是否为定值，分层方法又可以分为以下两类：,（1）等厚度分层,采用等厚度分层时，不论工件在不同高度部位的形状复杂程度差别，自下而上均按相等的层厚进行切片。,特点：,这种分层方法比较简单，但是当选定的层厚较大时，容易造成工件较大的误差；当选定的层厚较小时，虽然可较好地保证工件精度，却会使成形效率降低。,52,适应(adaPtive)性分层的基本思想是：,根据成形件的特征(如表面曲率和斜率)，自动调整切片层厚、从而在高生产率下得到较精确的成形表面。,即：在重要的变截面区段作精细切片，而在不重要的恒定截面区段作较极厚的切片；,(2) 适应性分层,当某一高度处的截面与前一个截面具有相同的几何特征时，忽略此截面，继续寻求最大厚度的切片截面，如果这个厚度层的切片截面仍与前一个截面相等，将在另一个更高的高度处进行切片、如果不相等，则在起初截面与最大厚度处截面中间选择一个中间截面。,53,直接切片（,direct slicing,）该方法是绕开STL文件，直接从CAD模型上得到二维层面，可减少X-Y平面误差。,进行直接切片的优点是：,1)能提高工件的精度；,2)能减少快速成形的前处理时间；,3)可避免STL格式文件的检查和修改过程；,4)可降低模型文件的规模；,5)能直接采用快速成形机数控系统的曲线插补功能提高,工件的表面质量。,54,直接切片的方法有多种，下面介绍几种：,1基于ACIS的直接切片法,基于,ACIS,直接切片法的流程图如图230所示,55,2基干ARX SDK的直接切片法,可以,针对AutoCAD的模型直接进行切片，其流程图如图231所示。,56,3.三维CAD表面模型的直接切片方法其切片过程如图232所示。,(1)预处理,(2)直接切片,封闭盒是,：,一个包含整个实体的盒子，此盒规定实体的边界。,57,本章玩 谢谢同学们欣赏,58,59,60,