快速成型技术的数据处理

单击此处编辑母版标题样式,Edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2018/4/16,#,本章目标,掌握快速成型技术的数据处理流程,熟悉快速成型技术的数据接口形式,了解快速成型技术的数据处理软件,掌握数据处理软件分层处理的原理,第四章 快速成型技术的数据处理,1,快速成型产品的制作需要,有,三维模型支持，但来源于,CAD,软件或逆向工程的三维,模型数据必须,保存为,快速成型系统所能接受的数据格式，并在,快速成型,前进行叠层方向,上,的,分层,处理，,可见，大量的数据准备与处理工作对快速成型来说是必不可少且十分重要的。,4.1,数据处理流程,快速成型,技术,的一般数据处理流程为：,将通过,CAD,系统,或,逆向工程获得的,三维模型,以快速成型分层软件能接受的数据格式保存，,然后使用,分层软件对模型,进行：,STL,文件的处理、,工艺处理、分层,处理等操作，生成,模型的,各层面扫描信息，,最,后以快速成型设备能接受的数据格式输出到相应的快速成型机,设备中。,快速成型数据处理是以三维,CAD,模型,或其他数据模型为基础，使用分层处理软件将模型离散成截面数据，然后输送到快速成型系统的过程，其基本流程：,2,4.2,待处理数据来源,1.,三维模型直接构建,对于直接构建的三维模型，最常用的数据处理方法就是将构建的,CAD,实体模型先转换为三角网格模型（,STL,文件），然后再进行分层，从而获得加工路径。当前主流的快速成型系统是基于,STL,文件进行加工，因此商用,CAD,软件一般都自带输出,STL,文件的功能模块。,2.,逆向工程建模,是对已有的实物数字化，即使用逆向工程测量设备采集实物表面信息，形成物体表面的点云数据，并且在这些数据的基础上，构建实物的三维模型。,对于逆向工程建模的数据处理方法主要有两种：一种是对数据点进行三角化，生成,STL,文件，然后进行分层处理；另一种是对数据点进行直接分层处理。,3,4.3,数据接口格式,快速成型系统本身并不具备三维,建模,功能，为得到物体的三维数据，快速成型系统一般都会,借,助于商用,CAD,软件，但是，不同的,CAD,软件,用来,描述几何,模型的,数据格式,并,不相同，快速成型系统无法一一适应，,导致,数据交换和信息共享,出现,障碍。因此，,必须要有,一种中间数据格式，作为,CAD,软件与快速成型系统之间的,标准,接口，,该格式应该既能被,快速成型系统接受和处理，,也能由市面上的大多数,CAD,软件生成。,目前，快速成型业界最常用的三种数据接口格式为,：三维面片模型格式，,CAD,三维数据格式，二维层片数据格式。,4,4.3.1,三维面片模型格式,三维面片模型,格式的原理,是,使,用大量,的,小三角面片近似,表示,自由曲面。,常用的三维面片模型格式主要有两种：,STL,格式和,CFL,格式，其中，由美国,3D Systems,公司开发的,STL,文件格式是专为快速成型技术而开发的数据格式，被大多数快速成型系统所接受，是快速成型业内应用最多的数据格式，亦被公认为目前快速成型的标准数据接口形式。,STL,格式的文件是对三维,CAD,模型进行表面三角形网格化而得到的：,普通三维模型,STL,三维面片模型,5,1. STL,文件的构成,STL,是一种用许多小三角形平面来近似表示源,CAD,模型曲面的数据模型，此种文件格式将,CAD,模型表面离散化为若干个三角形面片，不同精度时有不同的三角形网格划分方式。,STL,文件是多个三角形面片的集合，数据结构非常简单，而且与,CAD,系统无关。,STL,文件中的每个三角形面片,都是由,三角形的,顶点坐标,和,三角形面片的外法线矢量,来表示。,6,2. STL,文件的格式,STL,文件有,文本（,ASCII,）,和,二进制（,BINARY,）,两种格式。,（,1,）文本（,ASCII,）格式,该格式使用四个数据项表示一个三角形面片信息单元,facet,，即三角形三个顶点坐标，以及三角形面片指向实体外部的法向量坐标。改格式的特点是易于人工识别及修改，但因该格式的文件占用空间太大，目前仅用来调试程序。,ASCII,格式的语法如下：,solid name_of_object (,整个,STL,文件的首行，给出了文件路径及文件名,),facet normal x y z,（,facet normal,是三角面片指向实体外部的法矢量坐标）,outer loop,（,outer loop,说明随后的,3,行数据分别是三角面片的,3,个顶点坐标）,vertex x y z,（,3,个顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列）,vertex x y z,vertex x y z,endloop,endfacet,（在一个,STL,文件中，每一个,facet,由以上,7,行数据组成）,facet normal x y z,outer loop,vertex x y z,vertex x y z,vertex x y z,endloop,endfacet,endsolid name of object,7,（,2,）二进制（,BINARY,）格式,BINARY,格式用,固定的字节数,记录,三角面片的几何信息，文件起始的,84,个字节是头文件，用于,记录,文件名；后面逐个,记录,每个三角面片的几何信息，每个三角,形,面片占用固定的,50,字节,。,BINARY,格式的语法如下所示：,# of bytes description,80,有关文件、作者姓名和注释信息,4,小三角形平面的数目,facet 1,4 float normal x,4 float normal y,4 float normal z,（以上,3,个,4,字节的浮点数表示角面片法矢量）,4 float vertex1 x,4 float vertex1 y,4 float vertex1 z,（以上,3,个,4,字节浮点数表示顶点,1,的坐标）,4 float vertex2 x,4 float vertex2 y,4 float vertex2 z,（以上,3,个,4,字节浮点数表示顶点,2,的坐标）,4 float vertex3 x,4 float vertex3 y,4 float vertex3 z,（以上,3,个,4,字节浮点数表示顶点,3,的坐标）,2,未用（构成,50,个字节,用来描述三角面片的属性信息）,8,STL,文件格式比较简单，只能描述物体的几何信息，而不能描述颜色材质等信息。,三维模型进行,表面三角形网格化之后会呈现多面体状，,因此,需要合理设置输出,STL,格式时的参数值,，,以改善成型的质量，,一般而言,，从,CAD,软件输出,STL,文件时，,建议将,弦高（,chord height,）、误差（,deviation,）、角度公差（,angle tolerance,）等,参数的值设置,为,0.01,或是,0.02,。,9,3.STL,文件的规范,为保证三角形面片,所,表示的模型实体,的唯一性,，,STL,文件必须遵循一定的规范，否则,这个,STL,文件就是错误的，具体规范如下,：,1,）取向原则,STL,文件中的每个三角形面片都是由三条边组成的，且具有方向性：三条边按逆时针顺序由右手定则,可以,确定面的法向量,，且该法向量应,指向所描述实体表面的外侧,，相邻的三角形的取向不应出现矛盾,。,正确,错误,10,2,）共顶点规则,相邻的两个三角形面片只能共享两个顶点，即面片的顶点不能落在相邻的任何一个三角形面片的边上。,正确,错误,11,3,）取值规则,STL,文件的所有顶点坐标都必须是正的，,即,STL,模型必须落在第一象限,。虽然,目前几乎所有的,CAD/CAM,软件都已允许在任意的空间位置生成,STL,文件，,但使用,AutoCAD,时还需要,遵守这个规则。,4,）充满规则,STL,模型的所有表面,都,必须布满三角,形,面片，不得有任何遗漏，即不能有裂纹或孔。,12,4,、STL文件的精度,自由曲面的三角形面片逼近,STL,文件是三维实体模型经过三角网络化处理之后得到的数据文件，它将实体表面离散化成大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三维实体模型。逼近的精度通常由曲面到三角形平面的距离误差或是曲面到三角形边的弦高差控制。,误差越小，所需的三角形面片数量越多，形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。但精度的提高会使,STL,文件变大，同时分层处理的时间将显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小直线段，不利于轮廓的扫描运动，导致表面不光滑且成型效率降低。,所以，从,CAD,软件输出,STL,文件时，选取的精度指标和控制参数应根据,CAD,模型的复杂程度以及快速成型精度要求的高低进行综合考虑。,5. STL,文件的优势,（,1,）,文件生成简单,。,几乎所有的,CAD,软件,皆,具有输出,STL,文件的功能，同时还可以控制输出的精度。,（,2,）适用对象,广泛,。,几乎,所有,三维模型都可以通过表面三角,网格,化生成,STL,文件。,（,3,）,分层算法简单,。,STL,文件数据,结构,简单，分层算法,也,相对简单得多。,（,4,）,模型易于分割,。,当零件很大,，,难,以,在成型机上一次成型时，,就需要,将,零件,模型分割成多个,较,小的部分，,进行,分别制造，,而,分割,STL,模型,相对简单得多。,（,5,）接口通用性好。,能,被,几乎所有的快速成型设备所接受，已成为行业公认的,快速成型,数据,接口,标准。,15,6. STL,文件的局限,（,1,）,近似性,。,STL,模型只是三维,CAD,模型的一个近似描述，,并不能十分精确地还原模型的曲面,。,（,2,）,信息缺乏,。,STL,文件只,能,无序的列出构成,模型,表面的所有三角形,面片,的几何信息，,其中并,不包含,面片,之间的拓扑邻接信息，而,这些,信息的缺乏常会,导致,信息处理,与,分层的低效。同时，,将三维,CAD,模型,转换为,STL,模型,之后，还会,丢失公差、零件颜色和材料等的信息。,（,3,）,数据的冗余,。,STL,文件含有大量的冗余数据，因为,每个,三角形,面片的,顶点都分属于不同的三角形，所以同一个顶点,会,在,STL,文件中重复存储多次。,（,4,）,精度损失,。,在,STL,文件中，顶点坐标都是单精度浮点型，而,在三维,CAD,模型中，顶点坐标一般都是双精度浮点型,，,会造成一定,程度,的,数据,误差。,（,5,）,错误和缺陷,。,STL,文件还,易,出现很多错误和缺陷，例如重叠面、孔洞、法向量和交叉面等；,16,4.3.2 CAD,三维数据格式,与三维面片模型格式相比，,CAD,三维数据格式可以精确的描述,CAD,模型。目前,，,常用,CAD,三维数据,格式,主要,有,三种，分别为,STEP,标准接口,、,实体模型格式,IGES,和,表面模型格式,DXF,。,1. STEP,标准接口,STEP(Standard for The Exchange of Product,产品数据交换标准,),是一种产品模型数据交换标准格式，该标准已经成为国际公认的,CAD,数据文件交换全球统一标准。,STEP,格式可以完整描述所交换的产品数据，其信息量完全可以满足从,CAD,软件到快速成型系统的数据转换需要，,但,是，,STEP,格式,也包含了许多,快速成型,系统,并,不需要的冗余信息，,要,基于,STEP,格式,实现,快速成型,的数据转换，,还,需,在,算法、文件内容的提取等方面,进行,大量,研究,工作。,17,4.3.2 CAD,三维数据格式,常用,CAD,三维数据,格式,主要,有,三种，分别为,STEP,标准接口,、,实体模型格式,IGES,和,表面模型格式,DXF,。,2.,实体模型格式,IGES,IGES,（,Initial Graphic Exchange Specification,，初始图形交换规范）是一种商用,CAD,系统的图形信息交换标准。,IGES,的优点在于它是,一个通用,的,标准,，几乎可以应用在所有的商用,CAD,系统上，并能使用各种点、线、曲面、体等实体信息来精确地描述,CAD,模型。但,IGES,文件往往会包含大量的冗余信息，而且基于,IGES,格式的切片算法也比基于,STL,格式的切片算法更为复杂。,3.,表面模型格式,DXF,DXF,（,Drawing eXchange File,，绘图交换文件）是,Autodesk,公司制定的一种图形交换文件格式，,AutoCAD,一直使用,DXF,格式文件,来进行,不同应用程序之间,的,图形数据交换。,DXF,文件可读性好、易于被其他程序处理，,但是，,DXF,格式文件数据量大，结构较复杂，在描述复杂的产品信息时,很容,易出现信息丢失问题。,18,4.3.3,二维层片数据格式,常用的,二维层片数据格式主要有,两种：,SLC,格式和,CLI,格式,。只是,STL,文件的补充，是一种中性文件，与,RP,设备和工艺无关，它的出现使三维模型与,RP,设备之间的联系更丰富，对逆向工程与,RP,技术的集成具有重要的意义。,与,STL,文件相比的优点：,1,）大大降低了文件数据量,2,）由于直接在,CAD,系统内分层模型精度大大提高,3,）省略了,STL,分层，降低了,RP,系统的前处理时间,4,）因是二维文件，错误较少、无需复杂的检验和修复程序。,19,4.3.3,二维层片数据格式,1.SLC,格式,SLC,格式是,Materialise,公司为获取快速成型三维模型分层切片后的数据而制定的一种存储格式。是,CAD,模型的,2.5,维的轮廓描述，它由,Z,方向上的一系列逐步上升的横截面组成，这些横截面由内、外边界的轮廓线围合成实体。,SLC,格式的截面轮廓依旧只是对实体截面的一种近似，因此精度不高，此外，该格式的计算较为复杂、文件庞大、生成也比较费时。,20,4.3.3,二维层片数据格式,常用的,二维层片数据格式主要有,两种：,SLC,格式和,CLI,格式,。,2. CLI,格式,CLI,文件是目前快速成型设备普遍接受的一种数据接口文件，它是三维模型分层后加工路径的数据文件存储格式，也可以分为,ASCII,码和二进制码两种格式。,CLI,文件主要由头文件和几何数据两部分组成。头文件主要记录计量单位、文件创建日期、总层数及用户数据。几何数据部分主要记录用于描述二维截面的层、描述多边形轮廓线的多线段、填充线等数据单元。,与,SLC,格式不同，,CLI,格式直接对二维层片信息进行描述，因此文件中的错误较少且类型单一，而且文件规模较,STL,文件小的多。但是,CLI,格式把直线段作为基本描述单元，因而降低了轮廓精度，且零件无法重新定向。,21,4.4,数据处理软件模块,在快速成型系统中，需要不同的软件来完成不同阶段的特定功能。基于,CAD,模型的快速成型软件系统一般由以下三部分组成：,CAD,造型软件,、,数据处理软件,和,监控软件,。,CAD,造型软件负责构建模型、设计支撑结构并输出中间格式文件；,数据处理软件负责读入与检验文件、将数据转换为几何模型、选择成型方向、排样合并、模型实体分层、扫描路径规划等；,监控软件负责输入分层信息、设定加工参数、生成数控代码、控制实时加工等。,快速成型软件系统中的,CAD,软件可借助商用,CAD,造型系统，数据处理与监控软件则一般由快速成型系统厂商自行研发，其中,数据处理软件是整个快速成型软件系统的关键,，其效率直接影响到制件的尺寸精度、表面粗糙度、零件强度以及加工时间。,22,1.STL,文件诊断和修复模块,该模块主要是检查和分析,STL,模型文件中存在的错误并进行修复，基于,CAD,模型直接分层的数据处理软件不需要此模块。,快速成型工艺对,STL,文件的正确性和合理性有较高的要求，主要是要保证,STL,模型无裂缝、空洞、悬面、重叠面和交叉面，如果不纠正这些错误，会造成分层后出现不封闭的环和歧义现象。,错误原因的查找和自动修复一直是快速造型软件领域研究的一个重要方向。,数据处理各模块基本功能简述如下：,23,数据处理软件一般包含五个主要模块：,STL,文件诊断和修复模块、加工取向模块、分层模块、层片路径规划模块、显示模块。,2.,加工取向模块,零件加工时的成型方向对零件制造的精度有很大影响，因此，在选择成型方向时，要综合考虑加工设备的空间要求、成型效率、添加支撑以及排样合并等因素。,3.,分层模块,分层模块的数据处理中的关键模块，按照来源数据的格式，可分为,CAD,模型直接分层与,STL,模型分层；按照分层方式，还可分为等厚度分层及自适应分层。,4.,层片路径规划模块,该模块用于填充分层后得到的截面轮廓，它将界面轮廓向实体区域内偏移一个光斑半径，然后对填充方式进行设计，不同的填充方式会影响零件的精度、强度以及加工时间。,5.,显示模块,该模块可以显示每层轮廓，并与用户进行交互。,24,针对不同的,CAD,模型来源或者快速成型工艺，可能还需要更多的功能模块。例如：,FDM,工艺的模型需要添加支撑，固定零件、保持零件形状、减少翘曲变形必须的。,4.5,数据处理过程,基于,STL,文件的,快速成型数据处理,主要,包括,以下内容,：,STL,模型文件处理,、,快速成型前工艺处理,、,数据模型分,层处理,、以及,层片扫描路径规划,。,具体步骤如下：,首先，将,STL,模型文件导入数据处理软件，对模型文件进行处理，主要查找模型文件的错误并进行修复；,然后，进行快速成型前的工艺处理，如确定成型方向、添加支撑等，具体的处理方式与成型方法、成型材料及相应的原型后处理过程密切相关；,随后，使用分层数据处理软件将模型转化为快速成型设备所能接受的分层文件格式；,最后，根据分层的信息，进行层片的扫描路径规划，为最终成型做好准备。,25,4.5.1 STL,模型文件处理,1. STL,文件常见错误,在快速成型制造领域，,STL,模型文件常见的错误主要有以下几种。,（,1,）间隙错误：,由三角形面片丢失引起的，当,CAD,模型的表面有较大曲率的曲面相交时，相交部分容易出现因三角形面片的丢失而形成的空洞。,（,2,）法向量错误：,由于生成,STL,文件时三角形顶点记录顺序混乱，导致不符合右手法则。,快速成型技术对,STL,文件的质量有较高的要求，用于快速成型制造的,STL,模型要无裂缝、无空洞、无悬面、无重叠面或交叉面，如果这些错误存在却得不到纠正，会导致分层处理后产生多种问题（比如出现不闭合的环） ，影响快速成型的效率和质量，因此文件错误的查找和自动修复一直是快速成型软件的重点研究方向。,间隙错误,法向量错误,26,4.5.1 STL,模型文件处理,1. STL,文件常见错误,在快速成型制造领域，,STL,模型文件常见的错误主要有以下几种。,（,3,）顶点错误：,即三角形面片顶点落在另一个三角形面片的某条边上，违背了,STL,文件共顶点规则。,（,4,）,重叠和分离错误：,主要由计算三角形顶点时的舍入误差造成,。,（,5,）,面片退化：,指小三角面片的三条边共线，常发生在曲率变化剧烈的两相交曲面的相交线附近，主要,是因,CAD,软件的三角网格化算法不完善,所,致,。,重叠和分离错误,面片退化,27,（,6,）,拓扑信息紊乱,：,主要由某些细微特征在三角网格化时的,自动,圆整造成，导致出现如,下,图所示,三种,不允许,出现,的情况，有此类错误的,STL,模型必须重建。,一条边同属四个三角面片,顶点位于某个三角面片内,面片重叠,28,2.,错误修复,STL,文件的错误往往源于,CAD,模型存在的问题。对于较大的错误，如,模型出现,空洞、面片丢失等，最好返回,CAD,软件中,处理；而对于一些较小的错误，则可使用快速成型数据处理软件提供的自动修复功能进行处理，不需再,返回,CAD,软件,重新输出，从而节约纠错时间，提高工作效率。,比利时,Materialise N.V.,公司开发的,Magics,软件,就,是全球知名的,STL,模型处理平台，,该软件,具备强大的,STL,文件编辑和修复功能。,29,2.,错误修复,Magics,软件提供的,STL,修改工具可对,STL,模型进行,全局和局部,两个层次的,修改。全局修改针对整个,模型,，能自动修复,三角形,面片的矢量错误、间隙,错误,、重叠面,错误,、面片交叉错误,等,；局部修改允许用户手动逐一修改自动修复后仍存在的残留错误，当所有的错误三角形,面片修复完成后，模型,将成为一个连贯的整体。,使用该软件修复错误的主要步骤如下：,（,1,）,导入零件的,STL,数据文件，对,STL,模型进行分析,；,（,2,）,自动修复法向量错误,；,（,3,）,自动修复损坏的边界,；,（,4,）,修,复,残留错误。,30,4.5.2,快速成型前工艺处理,STL,文件修复完成后，还需要进行快速成型前的工艺处理，这些处理一般包括以下三个方面：,定向、排样,及,合并,、原型分割拼合，添加支撑,。,1.,定向、排样及合并,在快速成型过程中，成型方向是原型制作精度、时间、成本、强度及所需支撑多少的重要,影响,因素，因此在成型,之前，,首先要选择一个,最,优化的分层（成型）方向,。,手机面板的两种成型方向,31,选择,成型方向主要需考虑以下,几条,原则：,（,1,）,使垂直面数量最大化。,（,2,）,使法向上的水平面最大化。,（,3,）,使,原型,中孔的轴线平行于加工方向的数量最大化。,（,4,）,使平面内曲线边界的截面数量最大化。,（,5,）,使斜面的数量最少。,（,6,）,使悬臂结构的数量最少。,32,在进行工艺处理时，需要根据原型的,具体用途,来确定成型方向：,如果制作该原型的主要目的是评价外观，那么选择成型方向时，首先考虑的应是保证原型表面的质量；,而如果制作原型的主要目的是进行装配检验，那么选择成型方向时，首先考虑的则是装配的成型精度，表面质量可通过后处理的打磨改善。,根据原型精度要求和成形设备的加工空间，合理安排原型的摆放位置和成形方向，以使成型空间得到最大利用，提高成形效率。必要时需将一个原型分解成多个部分分别成型，也可将多个,STL,文件模型调入合并成一个,STL,模型并保存。,33,排样,是根据原型的精度要求和成型设备的加工空间大小，合理安排原型的摆放位置，使成型空间得到最大化利用的一种方法，可以有效提高成型效率。,原型排样,合并,是指将多个,STL,模型合并保存为一个,STL,模型，这样可以同时加工多个模型。一个原型制作的时间是各层制作时间的总和，而每层的制作时间包括扫描时间和辅助时间。由于制作单个原型和多个原型所需的辅助时间基本接近，可以通过一次制作多个原型来,减少制作每个原型的辅助时间,，提高成型效率。,34,2.,制件分割拼合,通常来说，当制件的结构过于复杂，或是制件的成型支撑无法去除，又或是制件的尺寸超出了成型机的工作范围时，就需要对制件进行分割和拼合。,Magics,软件即拥有对制件进行分割的功能，它使用工具中的分割命令绘制分割线，将制件分割为几个部分，分别打印完成后，再将各部分组装在一起。如果分割参数调节适当，甚至不用胶水就能完成组装。,35,36,3.,添加支撑,理论上，,快速成型技术,能够加工任意复杂形状的,制,件,，但层层堆积的,成型原理，要求制件,在成型过程中必须具有支撑。,快速成型,中的支撑相当于传统加工过程中的夹具，对成型中的,制件,起固定作用,。,制件的支撑,有些快速成型工艺的支撑是在成型过程中自然产生的，如,LOM,工艺中切碎的纸、,SLS,工艺中未烧结的材料以及,3DP,工艺中未黏结的粉末都可以成为后续层的支撑,。,但对于,SLA,工艺和,FDM,工艺，则必须由人工添加支撑或者通过软件自动添加支撑,，否则会出现悬空而发生塌陷或变形，影响零件原型的成型精度，甚至使零件不能成型。,37,3.,添加支撑,按其作用不同，支撑可分为基底支撑和对零件原型的支撑两种,。,对制件的支撑是为了避免制件某些部位出现悬空而发生塌陷或变形，影响制件的成型精度，或者导致无法成型。,基底支撑的,主要作用有,以下,三,各方面,：,（,1,）,便于将零件从工作台上取出。,（,2,）,保证预成型的,制,件处于水平位置，,消除,工作台不平整,所引起的,误差。,（,3,）,有利于减小或消除翘曲变形。,添加支撑的方法有手工和软件自动添加两种，手工添加法因质量难保证、工艺规划时间长和不灵活，应用很少。,添加支撑时，需注意考虑以下因素：,1,）支撑的强度和稳定性,2,）支撑的加工时间,3,）支撑的可去除性,38,添加支撑时，需注意考虑以下因素：,支撑的添加方法,添加支撑的方法有手工和软件自动添加两种，手工添加法因质量难以保证，工艺规划时间长且不灵活，目前已经很少应用。,（,1,）,支撑的强度和稳定性,支撑是为原型提供支撑和定位的辅助结构，良好的支撑必须保证足够的强度和稳定性，使自身和,其承载,原型不会变形或偏移，,保证,零件原型的精度和质量。,（,2,）,支撑的加工时间,支撑加工必然要消耗一定时间，在满足支撑作用的前提下，加工时间越短越好。因此，在满足强度的前提,条件,下，支撑应尽可能小，,也可,加大支撑扫描间距，从而减少支撑成型时间。,目前，许,多,FDM,成型机,已经,采用双喷头,进行,成型，一个喷头加工实体材料，,另一个,加工支撑材料，实体材料和支撑材料,并不相同,，,如此,不仅,可以,节省加工时间，也便于,去除,支撑材料。,39,添加支撑时，需注意考虑以下因素：,（,3,）,支撑的可去除性,制件,制造完成后，需将支撑和本体分开。,如果制件,和支撑,黏,结过,分,牢固，不但不易去除，,还,会降低,制件,的表面质量，甚至,可能在,去除时破坏,制件。显然，,支撑与,制件,结合部分越小，越容易去除。故两者结合部位应尽可能小。在不发生翘曲变形的条件下,，建议,将结合部分设计成锯齿形以方便去除。,目前，,FDM,工艺,普遍使,用水溶性支撑材料，,成,型完毕后将,制,型,置,于水中，支撑,即,可融化，去除非常,方便,。,40,4.5.3,数据模型的分层处理,对,数据模型的分层处理是,快速成型,数据处理中最核心的部分，分层处理的效率、速度及精度,的高低,，直接关系到,快速成型,能否成功。,分层是将模型以层片的方式来描述，无论模型多复杂，对每一层而言都只是一组二维轮廓线的几何。快速成型数据模型的分层处理就是对已有的三维模型进行分层，将其转换为快速成型系统所能接受的层片数据文件或兼容的中间格式数据文件。在对模型进行分层处理前，首先需要选择一个,合理的分层方向,以及一个,合适的分层厚度,，这两者是影响分层处理结果的重要因素。,41,1.,基于,STL,模型的分层,STL,格式简单，便于进行数据处理，并且大多数,CAD,系统都提供,STL,文件接口，因此，目前基于,STL,模型的分层应用最为广泛。,STL,模型的分层处理过程实际上是一系列分层平面与,STL,模型求交的过程，具体分为三步：,首先分析,STL,模型中的每一,个三角,形,面片,与分层,平面的位置关系；,然后根据这一关系，将两个平面求交并计算,交线,；,最后将计算出的,交线,连接成截面轮廓线。,例如，,设,Z,轴,的,轴向为分层方向，分层厚度为,，,STL,模型在,Z,轴上的坐标最小,值,和最大值分别为,，则模型的分层过程如下图所示：,快速成型数据,处理技术的分层算法按,使用的数据模型格式,，,可分为,基于,STL,模型,的,分层,和,CAD,模型直接分层,；,按照,分层方法,可以,，则可,分为等,厚度分层,和,自适应分层,。,42,43,由,于,STL,模型,的,表面,是,由一个个三角,形,面片组成，,因此,当,两个,相邻分层,平,面切在同一个三角面片,上,时，,就会,在该三角面片上形成阶梯,。,三角型面片分层切片后形成的阶梯高度与分层高度之间的关系可以通过以下公式表示：,阶梯高度,其中，,Si,为轮廓表面的一个三角面片；,hi,为相邻两分层,平,面之间的距离（分层厚度）；,是三角,形,面片法向和,分层,平面法向（成型方向）的夹角；,是,O,点到,Si,三角平面的垂线高度（阶梯高度）。,44,由上,面的,公式可以看出，当三角形面片的法向一定时，分层厚度越大，阶梯高度越大，原型表面越粗糙；分层厚度一定时，三角,形,面片法向与,分层,平面法向（成型方向）的夹角是影响所形成阶梯高度的直接因素；当为,90,o,时，该三角面片上不形成阶梯，此时层片轮廓是对该处实体轮廓的精确拟合。,在工业应用中，保持从概念设计到最终产品的一致性非常重要。很多情况下，原始的,CAD,模型能够精确表达设计意图，但转换成,STL,文件时的三角形网格化处理就降低了模型的精度。,对于方形物体而言，使用,STL,格式来表示精度还是比较高的，但对于圆柱形、球形物体来说，用,STL,格式表示,的模型,精度,就不尽如意了，因此直接从,CAD,模型中获取截面描述信息的,CAD,模型直接分层算法应运而生,。,阶梯高度,45,2. CAD,模型直接分层,与,基于,STL,文件的,分层相比,，直接对,原始,CAD,模型进行,分层,更容易获得高精度的模型。,而,CAD,模型的直接分层算法可以从任意复杂的三维,CAD,模型中直接获得分层数据，并将其存储为快速成型系统能接受或兼容的格式文件，驱动快速成型系统工作，完成原型加工。,基于,STL,模型的分层与,CAD,模型直接分层的比较如下图：,基于,STL,模型分层,基于,CAD,模型直接分层,46,对,CAD,模型直接,分层，,就是用一组平行的,分层,平面对三维,CAD,模型,进行分层，其实质,是将分层,平面与,三维,CAD,模型,相交,并记录下交线数据,，也就是,所,需要的二维轮廓数据。,具体步骤大致是：,在确定,分层,方向后，做出剖切基准线及剖分平面，确定相关尺寸（实体高度、切片厚度、,并以,程序自动,循环出的层数作为剖切循环次数,）,；,然后开始,分层,，程序自动循环直至,分层,完毕。在,分层,过程中,，,每切一次都应,该,保存二维轮廓数据，以,供,后置,的,编程软件读取,并,生成扫描路径，最终传送到,快速,成型系统中,，,进行轮廓加工。,47,2. CAD,模型直接分层,在加工高次曲面时，直接,分层,方法明显优于,基于,STL,模型的分层,方法。相比较而言，,使,用原始,CAD,模型进行直接,分层,具有如下优点：,（,1,）,能减少快速成型的前处理时间,。,（,2,）无需,STL,格式文件的检查和纠错过程；,（,3,）,降低模型文件的规模，对于远程制造的数据传输很重要；,（,4,）,直接采用,快速成型数控,系统的曲线插补功能，提高,制件,的表面质量；,（,5,）,提高制件的精度。,48,对原始,CAD,模型直接,分层的做法也存在一些潜在的问题和缺点，简述如下：,（,1,）,难以,为,模型自动添加支撑，,且,需要复杂的,CAD,软件环境,。,（,2,）,文件中只有单个层面的信息，没有体的概念,。,（,3,）,在获得直接,分层,文件之后,，就,不能重新指定,模型,加工方向,或,旋转,模型,，因此需要设计者具,备更专业的,知识，在设计时,就,考虑,好,支撑的添加,位置，并明确,最优,的分层,方向与厚度。,基于,CAD,模型的直接分层的处理对象是精确的三维模型，因此可以避免许多,STL,格式的局限性所导致的问题，但由于各类,CAD,系统之间往往不兼容，造成,CAD,模型直接分层的,通用性较差,，目前正在研究改进之中。,49,3.,等厚度分层,等厚度分层就是用等间距的平面对数据模型进行分割，并计算每一个切割平面与数据模型的交线，最终得到的封闭交线就是,每一,层截面的轮廓边界。,对三维,CAD,模型,来说，,是等间距的,分层,平面与零件几何模型的交线，,而,对,STL,模型,来说，,是等间距的,分层,平面与,若干个,小三角平面之间的交线，形成的轮廓线则是由这一系列,交线的,线段集来表示。,实体模型,分层前的剖面图,分层后的剖面图,50,从上图可以看出，快速成型的叠加制造原理会不可避免的导致原型表面出现所谓的“阶梯效应”，这种阶梯效应会对制件的某些性能造成影响，主要体现在以下三个方面：,1,）,对,制,件结构强度的影响,对,壳体,制作,的等厚度分层会导致圆角处层与层之间结合强度下降,，但,如果都采用最,薄的,层厚度切片，则加工时间会成倍增加。,2,）,对,制件,表面精度的影响,分层的厚度会导致制件出现阶梯状表面，影响制件表面的光滑度，使制件表面质量变差。,3,）,阶梯效应,导致,的,制件,局部体积缺损（或增加）,圆角过渡表面的法向量与成型方向夹角越小，制件的体积缺损就越严重。,51,4.,自适应分层,自适应分层法是为了解决等厚度,分层,法存在的问题,而出现的，,它,可以根据制件,轮廓的表面形状,自动改变分层厚度,，,以满足制件表面的精度要求：当制件表面倾斜较大时，选择较小的分层厚度以提高成型精度，反之，则选择较大的分层厚度以提高加工效率。,自适应分层与等厚度分层方法的比较如下图所示。,等厚度分层,自适应分层,52,目前,，,自适应分层算法可归纳为两类，一类是基于相邻层面积变化的算法,；,另一类是基于分层高度处三维实体轮廓表面曲率的算法。,基于相邻层面积变化的自适应分层算法，,即,根据相邻两,个,层片的面积变化情况来决定分层高度，,在,当前层片面积与前一层片的面积比的绝对值大于（小于）一定值时,，则,改变分层厚度,。,基于分层高度处三维实体轮廓表面曲率的算法,，即,在确定某一层的分层厚度时，首先计算系统允许的最大分层,高度,下,的,各相交三角,形,面片上,生成,的最大阶梯高度，当最大阶梯高度大于所要求的值时,，则,减小分层高度，直到所选取的分层高度使,的,所有相交三角,形,面片上生,成,的最大阶梯高度,都,小于一定值时，,就,将,此,高度作为,这一,层的分层高度。,由,上可见,，,这种算法,需要进行,非常,多次,的,试切处理，,会,增加了,大量计算,，影响处理速度。,53,4.5.4,层片扫描路径规划,快速成型技术是一种离散的分层制造技术，零件三维模型分层处理后得到的只是模型的截面轮廓，在后续过程中需要根据每层片截面轮廓信息生成扫描路径，包括轮廓扫描的路径和填充扫描的路径,。,截面轮廓的扫描路径,54,轮廓扫描路径有可能,出现,自相交，形成无效环。如果不对,这些,无效环进行处理，,就有,可能生成错误的加工路径，甚至无法生成填充扫描路径，严重影响,制,件的尺寸和形状。,在成型过程中，喷头或激光头,会,以一定扫描,路径,对轮廓内部,的,实体进行填充，,这一过程称为,填充扫描,，,占用了快速成型,加工的大多数时间,。,而,在一个封闭轮廓区域内进行填充扫描,时,，有以下,几,种,扫描路径,可供选择,：,1.,平行扫描,平行扫描是快速成型最基本也是最常用的填充扫描路径，,采用,此,种,路径进行填充,扫描,时,，所有,的,扫描线均平行,，,扫描线,的方向可以是,X,向、,Y,向,或,XY,双向。,55,平行扫描类似于计算机图形学中的多边形填充算法，,它,用水平扫描线自上到下（或自下到上）扫描由多条首尾相连的线段构成的多边形，,计算扫描线与多边形的相交区间，用区间的起点,和,终点控制扫描,长度,，,从而得到,一条扫描,路径,，,如此反复，即可将多边形的区域填充完毕。,对单独一条扫描线的计算步骤为,：,（,1,）,求交,计算扫描线与多边形各边的交点。,（,2,）,排序,将,所有的交点按递增顺序进行排序。,（,3,）,交点配对,将排序后的交点配对，如,第一个与第二个,配对,，第三个与第四个,配对，,等等。每对交点就代表扫描线与多边形的一个相交区间。,（,4,）,扫描线生成,由,已经配对的,起点和终点得到区域内的一条扫描路径。,56,平行扫描,方法简单,且,容易实现，但,也有一些,缺点：,首先，,扫描过程中,的,启停次数随着,制,件的复杂度而增加，比如,SLS,设备需要光开关，即当扫描到,制,件实体部分时光开关打开，,扫描到,非实体部分时光开关,则,关闭,，而频繁的开关操作会有损激光器寿命；,其次，平行,扫描是沿一个方向将一整个层,片,扫描完毕，每个扫描线的方向相同，这就意味着每条扫描线的收缩应力方向一致，增加了翘曲变形的可能性。,57,2.,分区域扫描,平行扫描虽然简单易行，稳定可靠,，,但扫描效果差，制件极易产生翘曲变形，而,用于,激光扫描,时,，不仅,会在扫描中,产生大量空行程,，,而且需要不断地开闭激光器，,效率较低。,分区域扫描,在一定程度上,克服了扫描线过长，激光频繁开关的问题。它,将,整个,层片划分为若干个,区域，,然后在划分好的区域内分别进行往返扫描,，,填充完一个区域后，再,进行下一个区域的填充。,分区域,扫描可以显著提高制件的成型效率，在制件精度、强度等均能满足要求的情况下，应优先选用,此,种,高效的,扫描方式。,58,分区域扫描遇到空行程时，扫描线,会在,局部区域,折返,扫描,这种方式可以大量减少,空行程，但仍不能,完全,克服平行扫描,导致,的翘曲变形。,因为,分区域扫描,虽然,将一,个,大,的层片,分成,了,若干个小区域，区域之间的转移通过跳转,实现,，,但,对于每个小区域来说，,该方式,仍然采用的是平行扫描,路径,。,所以分区域扫描,虽然可以使,原型的总体,收缩,应力,有所减小，但在,每个小区域中仍然存在平行扫描的,缺陷,。,59,3.,偏置扫描,偏置扫描沿平行于轮廓边界的方向,进行,，即,沿,每个边的等距线,扫描,，如,下图,所示。,理论上，,偏置,扫描较前几种,扫描路径,要好。,首先，偏置扫描的,扫描,线会在扫,描,过程中不断,改变方向，使得由于收缩而引起的内引力方向分散，减少翘曲的可能,；,其次，偏置扫描,在某一方向,上的,扫描的长度较短，因而在收缩率相同的条件下，扫描的收缩量,较,小,；,最后，偏置,扫描,的,扫描头可以连续不断,地,走完一层的每个点，,因此,可以不需要开关，减少启停次数。,60,4.,分形扫描,分形扫描,的扫描路径由短小的折线组成，它克服了平行扫描,中单向扫描和扫描线过长,的缺点，使扫描过程中温度均匀，减少了产生翘曲变形的应力，,但,该方法,的,扫描速度,较,慢，激光,需,要频繁加减速，精度不高，而且也,存在,平行扫描频繁跨越,非实体空,腔的缺点。,实践证明，,选择不同的,扫描路径,，对制件,的,成型,精度、表面质量、内部性能和成型速度都有很大影响。,因此，,如何根据,模型的,分层信息规划,最合理的,扫描路径,，,在整个快速成型加工过程中起着,至关重要的,作用。,61,本章小结,快速成型技术,的一般,数据处理流程,为：将通过,CAD,软件或,逆向工程获得,的三维模型,以快速成型分层软件能接受的数据格式保存，,然后使用,分层软件对模型,进行,STL,文件处理、,工艺处理、,层片文件处理等,操作，,生成,模型的,各层面扫描信息，,最,后以,快速成型,设备能接受的数据格式输出到相应的快速成型,设备中,。,快速成型,业界最,常用的三种数据接口格式,为,：三维面片模型,格式,，,如,STL,格式和,CFL,格式；,CAD,三维数据格式，,如,STEP,格式,、,IGES,格式,和,DXF,格式,；二维层片数据格式，,如,SLC,格式和,CLI,格式,。,快速成型的,数据,处理,主要,包括,以下内容：,STL,模型,文件处理、,快速成型前,工艺处理、,数据模型分层处理以及层片扫描路径规划。,对,数据,模型的,分层处理,是快速成型数据,处理中最核心的部分。,分层处理的效率、速度及精度的高低，直接关系到快速成型能否成功,。,快速成型数据,处理技术中的分层算法按照使用的数据格式可分为基于,STL,模型,的,分层,和,CAD,模型直接分层；按照分层方法可以分为等厚度分层和自适应分层。,三维模型经过分层处理后得到的只是模型的截面轮廓，在后续处理过程中，还需要根据这些截面轮廓信息生成扫描路径，包括轮廓扫描的路径和填充扫描的路径。填充扫描主要有平行扫描、分区域扫描、偏置扫描和分形扫描四种路径。,62,本章练习,三维面片模型格式主要有,和,两种。其中，由美国,3D Systems,公司开发的,文件格式已被业界公认为目前快速成型数据的标准接口格式。,快速成型数据处理主要包括,、,和,以及 。,快速成型前的工艺处理一般包括,、,和,三个方面。,三维模型经过分层处理后得到的只是模型的界面轮廓，在后续处理过程中还需要根据,生成扫描路径，包括,路径和,路径。,常用的填充扫描路径主要有以下几种：,、,、,和分型扫描路径。,简述快速成型过程中，成型方向的选择应考虑那些因素。,简述等厚度分层和自适应分层的不同之处。,63,