1 快速成型技術(shù)原理

　　在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師往往希肇能快速由三維CAD模型，得到產(chǎn)品的實(shí)物模型，快速成型技術(shù)可以滿足這種需求。快速成型(Rapid Prototyping。RP)技術(shù)是一種基于離散，堆積成型思想的新型成型技術(shù)，它根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，快速、精確地制造出零件或物體的實(shí)體模型。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 制造工藝

　　目前，世界上已有幾十種不同的快速成型工藝方法，比較成熟的就有十余種。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparmus，SLA)、疊層實(shí)體制造法(Laminated Object Manufacturimg，LOM)、熔融沉積法(Fused Deposilion Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)法(Selective Laser Sintering，SLS)和3DP(Three Dimensional Primingand Gluing也稱3DPG)五種方法，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。

　　對(duì)于RP制造工藝的研究，一方面是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，另一方面是研究新的成型技術(shù)。新的成犁方法，如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。

　　2.2 成型材料

　　成型材料是決定快速成列技術(shù)發(fā)展的基本要素之一，它直接影響到原型的精度、物理化學(xué)性能以及應(yīng)用等。與RP制造的4個(gè)目標(biāo)(概念型、測(cè)試型、模具型、功能零件)相適應(yīng)，使用的材料不同，概念型對(duì)材料成型精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快。如對(duì)光固化樹(shù)脂，要求較低的臨界曝光功率、較大的穿透深度和較低的粘度。測(cè)試型對(duì)于材料成型后的強(qiáng)度、剛度、耐溫性、抗蝕性等有一定要求，以滿足測(cè)試要求。如果用于裝配測(cè)試，則對(duì)于材料成型的精度還有一定要求。模具型要求材料適應(yīng)具體模具制造受求，如對(duì)于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。從解決的方法看，一個(gè)是研究專用材料以適應(yīng)專門需要;另一個(gè)是根據(jù)用途分類，研究幾類通用材料以適應(yīng)多種需要。

　　2.3 加工精度

　　影響成型件精度的主要因素有兩方面：一是由CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件以及隨后的切片處理所產(chǎn)生的誤差;二是成型過(guò)程中制件翹曲變形，成型后制件吸入水分，以及由于溫度和內(nèi)應(yīng)力變化等所造成的無(wú)法精確預(yù)計(jì)的變形。

　　為了解決第一類問(wèn)題，正在研制直接切片軟件和自適應(yīng)切片軟件。所渭直接切片是不將CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，而直接對(duì)CAD模型進(jìn)行切片處理，得到模型的各截面層輪廓信息，從而可以減少三角面近似化帶來(lái)的誤差，所謂自適應(yīng)切片是快速成型機(jī)能根據(jù)成型零件表面的曲率和斜率自動(dòng)調(diào)整切片的厚度，從而得到高品質(zhì)的光滑表面。

　　為解決第二類問(wèn)題，正在研究、開(kāi)發(fā)新的成型方法、新的成犁材料及成型件表面處理方法，使成型過(guò)程中制件的翹曲變形小，成型后能長(zhǎng)期穩(wěn)定不變形。

　　2.4 與RP技術(shù)相關(guān)軟件

　　軟件是RP系統(tǒng)的靈魂，其中作為CAD到RP接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理軟件是其關(guān)鍵。不同CAD系統(tǒng)所采用的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式不同，RP系統(tǒng)無(wú)法一一適從，這就要求有一種中間數(shù)據(jù)格式既便RP系統(tǒng)接受又便于不同CAD系統(tǒng)生成，STL格式應(yīng)運(yùn)而生了，STL文件是用大量空間小三角形面片來(lái)近似逼近實(shí)體模型。由于STL格式具有易于轉(zhuǎn)換、表示范圍廣、分層算法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為大多數(shù)商用快速成形系統(tǒng)所采用，現(xiàn)己成為快速成形行業(yè)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是，STL模型也存在許多不足之處：

　　2.4.1 精度不足

　　由于STL模型用大量小三角形面片來(lái)近似逼近CAD模型表面，造成STL模型對(duì)產(chǎn)品幾何模犁的描述存在精度損失，并且在對(duì)多張曲面進(jìn)行三角化時(shí)，在曲面的相交處往往產(chǎn)生裂縫、孔洞、覆蓋及相鄰面片錯(cuò)位等缺陷。

　　2.4.2 數(shù)據(jù)冗余度大

　　STL模型不包含拓?fù)湫畔ⅲ切蚊嫫墓命c(diǎn)、邊單獨(dú)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的冗余度大。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，STL模型數(shù)挺冗余大的不足也使其不利于遠(yuǎn)程RP的數(shù)據(jù)傳輸，難以有效支持遠(yuǎn)程制造。

　　3 快速成犁技術(shù)的應(yīng)用

　　3.1 在外觀及人機(jī)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

　　新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)階段，雖然可借助設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算機(jī)模擬，但并不能展現(xiàn)原型，往往難以做出正確和迅速的評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)師可以通過(guò)制作樣機(jī)模型達(dá)列檢驗(yàn)的目的。傳統(tǒng)的模型制作中主要采用的是手工制作的方法，制作工序復(fù)雜，手工制作的樣機(jī)模型不僅工期長(zhǎng)，而且很難達(dá)到外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的精確尺寸，因而其檢查外觀及人機(jī)設(shè)計(jì)合理性的功能大打折扣。快速成型設(shè)備制作的高精度、高品質(zhì)樣機(jī)與傳統(tǒng)的手工模瓔榻比較可以更直觀地以支物的形式把設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意反映出來(lái)，方便產(chǎn)品的外觀造型和人機(jī)特性評(píng)價(jià)。

　　現(xiàn)在的快速成刊加工得到的成型件都足單一顏色，顏色主受由材料決定，為了對(duì)產(chǎn)品色彩外觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，有時(shí)需費(fèi)手工涂色，隨著彩色成型技術(shù)的發(fā)展，這方面的問(wèn)題可以解決。人機(jī)評(píng)價(jià)主要包括成型件尺寸及操作宜人性，快速成型可以很好地滿足這方面的要求。

　　3.2 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

　　通過(guò)快速成型制成的樣機(jī)和實(shí)際產(chǎn)品一樣是可裝配的，所以它能直脫地反映出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，安裝的難易程度，使結(jié)構(gòu)工程師可以及早發(fā)現(xiàn)和解決網(wǎng)題。由于模具制造的費(fèi)用一般很高。比較大的模具往往價(jià)值數(shù)十萬(wàn)乃至幾百萬(wàn)，如果在模具開(kāi)出后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理或其他問(wèn)題，其損失可想而知。而應(yīng)用快速成型技術(shù)的樣機(jī)制作可以把問(wèn)題解決在開(kāi)出模局之前，大大提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率。

　　3.3 與反求工程結(jié)合

　　反求工程(Reverse Engineering，RE)也稱逆向工程，就是用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重建實(shí)物的CAD數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程。對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以在通用的二維CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的三維模犁，但是由于對(duì)某些陰素，如對(duì)功能、工藝、外觀等的考慮，一些零件的形狀十分復(fù)雜，很難在CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的文體模型，在這種情況下，可以通過(guò)對(duì)模型測(cè)屋和數(shù)據(jù)處理，獲得三維實(shí)體模型。

　　作為一種新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以及消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的蕈要手段，反求工程和快速成型技術(shù)可以勝任消化外來(lái)技術(shù)成果的要求。對(duì)于已存在的實(shí)體模趔，可以先通過(guò)反求工程，獲取模型的三維實(shí)體，經(jīng)過(guò)對(duì)三維模型處理后，使用快速成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速?gòu)?fù)制，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大大提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。

　　4 紿束語(yǔ)

　　快速成礎(chǔ)技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，滿足產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化需求，在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。但由于該技術(shù)的制作精度、強(qiáng)度和耐久性還不能滿足工程實(shí)際的需要，加之設(shè)備的運(yùn)行及制作成本高，一定程度上制約著RP技術(shù)的普遍推廣。隨著研究的不斷深入，制約快速成型發(fā)展的因索會(huì)逐步解決，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷得到拓展。