本文探討了快速成型技術(shù)體系相關(guān)內(nèi)容。

　　我們處在一個信息的時代、一個科學(xué)技術(shù) 迅猛發(fā)展、各種技術(shù)迅速融合集成的時代。在這 個時代，快速成型制造技術(shù)(RP&M)的產(chǎn)生就 是計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光和新材料等最新 技術(shù)集成的結(jié)果，同樣它的發(fā)展和應(yīng)用更有賴 于相關(guān)技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成一個 以快速成型技術(shù)為核心，包括CAD造型、數(shù)據(jù) 處理、反求工程，以及工模具制造技術(shù)等多項技 術(shù)的相對完善的技術(shù)體系。下圖給出了一個比 較完善典型技術(shù)體系。

　　一、PR&M技術(shù)系統(tǒng)中的信息及信息處理

　　快速成型技術(shù)是信息時代的產(chǎn)物，其技術(shù)系統(tǒng)的核心問題是信息處理，從本質(zhì)上講，RP&M制造技術(shù)系統(tǒng)中的各個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)都是信息處理的環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)處理反求工程，原型制造，快速工模具制造等。

　　現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為，“信息是物質(zhì)的一種普 遍的基本屬性，是關(guān)于系統(tǒng)的組織性和復(fù)雜性 的規(guī)定性及其表征”[1]。因此，不能僅僅認(rèn)為只 有數(shù)字化的信息才是信息。

　　CAD三維數(shù)據(jù)模型、表面離散化模型、分 層后的層片文件、掃描矢量文件、數(shù)控代碼文件 是信息，它們都是數(shù)字化的信息，是加工對象幾 何信息的不同描述方式。同樣由RP&M技術(shù)生 成的原型，由其它成型方式加工而成的零件，或 自然形成的各種實物，同樣包含著該對象的三 維幾何信息。只不過前者是數(shù)字化的信息，而后 者是物理實體。因此可以將RP&M技術(shù)系統(tǒng)中 的信息分為數(shù)字形態(tài)信息和物理形態(tài)信息兩大 類，而每一類中又有不同的形式(圖2)。

　　RP&M技術(shù)系統(tǒng)中的信息分為兩種信息 形態(tài)，與之對應(yīng)RP&M技術(shù)系統(tǒng)中的信息轉(zhuǎn)換 可分為數(shù)據(jù)處理、信息物化、物性轉(zhuǎn)換、實物信 化4種基本形式(圖3)。

　　在快速成型技術(shù)系統(tǒng)中，將加工對象的三 維實體模型離散化，得到層片文件，根據(jù)不同工 藝進(jìn)行填充得到掃描矢量文件，進(jìn)而生成數(shù)控 代碼文件，這種不同數(shù)字形態(tài)信息間即不同數(shù) 據(jù)模型間的轉(zhuǎn)換稱之為數(shù)據(jù)處理;在快速成型 制造過程中，快速成型設(shè)備在數(shù)控代碼的控制 下，逐層加工堆積得到物理原形，這一根據(jù)數(shù)字 形態(tài)信息生成實際的物理實體的過程稱之為信 息物化;在將不同物理實體間的轉(zhuǎn)換稱之為物 性轉(zhuǎn)換，而將物理實體的幾何信息數(shù)字化的過 程稱之為實物信化。

　　二、快速成型制造技術(shù)體系的基本環(huán)節(jié)

　　基于以上分析，可以將RP&M技術(shù)體系分 解為幾個彼此聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)：

　　1.三維CAD造型

　　利用各種三維CAD軟件進(jìn)行幾何造型， 得到零件的三維CAD數(shù)字模型，是獲得初始 信息的最常用方法。目前較著名的CAD軟件 系統(tǒng)主要有 Pro/Engineer， AutoCAD， I— DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其 三維造型方式主要有實體造型和曲面造型，三 維數(shù)據(jù)格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni— versallFiles等。目前許多CAD軟件在目前系 統(tǒng)中加入一些專用模塊，將三維造型結(jié)果進(jìn)行 離散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文 件等)或?qū)悠Ｐ臀募?LEAF文件、CLI文件、 HPGL文件等[3]。

　　2.反求工程

　　物理形態(tài)的零件是快速成型技術(shù)體系中零 件幾何信息的另一個重要來源。這里既包括天 然形成的各種幾何形體，也包括利用各種技術(shù) 手段，如鍛造、鍛壓、焊接、車、銑、刨、磨、堆積等 傳統(tǒng)工藝加工而成的幾何實體。這些幾何實體 同樣包含了零件的幾何信息，但這些信息必須 通過反求工程進(jìn)行數(shù)字化，方可進(jìn)行下一步的 處理。反求工程是將三維的物理實體幾何信息 數(shù)字化的一系列技術(shù)手段的總稱，它完成實物 信化的功能。反求工程的整個過程主要由兩個 部分組成，首先是零件表面數(shù)字化，提取零件的 表面三維數(shù)據(jù)。主要的技術(shù)手段有三坐標(biāo)測量 儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和MRI，以及 自動斷層掃描儀等。通過三維數(shù)字化設(shè)備得到 的數(shù)據(jù)往往是一些散亂的無序點(diǎn)或線的集合， 還必須對其進(jìn)行三維重構(gòu)得到三維CAD模 型，或者層片模型等[4]。

　　3.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

　　快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機(jī)要復(fù)雜得 多，同時設(shè)備工藝也具有更大的多樣性，因此利 用快速成型系統(tǒng)制造零件并不像使用打印機(jī)、 繪圖儀那樣簡單，只要將CAD系統(tǒng)的文件發(fā) 送過去就行了。三維CAD造型或反求工程得 到的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行大量處理，才能用于控制 RP成型設(shè)備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過程 包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件， 分層處理生成SLC、CLI、HPGL等層片文件， 根據(jù)工藝要求進(jìn)行填充處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗 和修正并轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼[3]。目前已經(jīng)有許多 比較成熟的RP專用數(shù)據(jù)處理軟件面市。如 Bridgeworks and SolidView， Brockware， StlView， Velocity， Z_ Shifter， Rapid Tools， Rapid Prototyping Module，Rapid Tools[5]，以及清華大學(xué)激光快速成型中心開發(fā)的Lark’98 等。

　　4.原型制造

　　即利用快速成型設(shè)備將原材料堆積成為三 維物理實體。材料、設(shè)備、工藝是快速原型制造 中密切相關(guān)的三個基本方面。不同的工藝要求 不同的材料，要求不同的設(shè)備來實現(xiàn)。這里材料 問題是一個基本的問題。目前許多制造商可以 提供多種快速原形設(shè)備，而且新的工藝設(shè)備也 在不斷出現(xiàn)。常見的系統(tǒng)有3D Systems的 SLA—250，Helisys的 LOM—2030，Stratasys的 FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM8000，國內(nèi)清華大 學(xué)激光快速成型中心的MRPMS—II等。各種設(shè) 備具有不同的特點(diǎn)和局限，有著不同的應(yīng)用范 圍。

　　5.物性轉(zhuǎn)換

　　通過快速原形系統(tǒng)制造的零件的力學(xué)、物 理性質(zhì)往往不能直接滿足需要，仍然需要進(jìn)一 步的處理，即對其物理性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該環(huán)節(jié)是 RP&M實際應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄 造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電 極、陶瓷型精密鑄造等多項配套制造技術(shù)，這些 技術(shù)與RP技術(shù)相結(jié)合，形成快速鑄造、快速模 具制造等新技術(shù)。在目前RP制造技術(shù)尚不能 直接制造滿足工業(yè)要求的結(jié)構(gòu)和功能零件的情 況下，這是RP技術(shù)走向工業(yè)應(yīng)用的重要橋 梁[5]。

　　三、技術(shù)工具的評價方法

　　通過以上分析可知：在快速成型技術(shù)系統(tǒng) 的各個環(huán)節(jié)中，都有不同的技術(shù)工具，不同的處 理方式。任何技術(shù)手段都不是萬能的，都不是完 美元缺的，任何技術(shù)工具都有自己的特點(diǎn)，既有 獨(dú)到的優(yōu)勢又有自己的局限。對使用者而言，如 何選用技術(shù)工具，對研究開發(fā)者而言，如何確定 自己的技術(shù)路線，如何給自己的產(chǎn)品進(jìn)行市場 定位，也就是如何對各種技術(shù)工具進(jìn)行評價成 為首要問題。解決這個問題的一個較好的方法 是從整體上來認(rèn)識把握它。

　　任何技術(shù)手段都是信息處理的工具，從系 統(tǒng)論的角度看，一個信息處理工具包含3個基 本要素，輸入、輸出、處理器。如圖4所示。

　　輸入輸入信息具有什么形式，具有什么 特點(diǎn)。如在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，輸入的是什么格式的數(shù) 據(jù)，是否存在需要檢查修復(fù)的錯誤;在反求工程 中，要測量的物體是什么材料，其幾何形狀是否 復(fù)雜等。

　　輸出系統(tǒng)的輸出信息具有什么形式，質(zhì)量如何。如快速成型設(shè)備所制造的原形材料是什么，它的精度、表面粗糙度如何，強(qiáng)度硬度如何，可以制造原形的尺寸范圍等。

　　處理器處理器采取什么樣的工作方式， 其可靠性、靈活性等如何。如在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的算 法問題，快速原形制造中的工藝問題。

　　信息處理工具的三個基本要素反映了系統(tǒng)的基本特征。

　　四、網(wǎng)絡(luò)時代的快速成型技術(shù)體系的研究與集成

　　通過以上分析可以看出快速成型技術(shù)目前 具有以下幾個特點(diǎn)：

　　(1)技術(shù)系統(tǒng)化快速成型技術(shù)已經(jīng)與其 它相關(guān)技術(shù)結(jié)合形成了一個龐大的技術(shù)體系。 任何一項技術(shù)必須與其它技術(shù)相結(jié)合才能發(fā)揮 自己的作用。

　　(2)需求多樣化隨著快速成型技術(shù)的應(yīng) 用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，人類的實踐領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大， 對快速成型技術(shù)出現(xiàn)了各種各樣、干差萬別、不 同層次的需求。

　　(3)技術(shù)多樣化在快速成型技術(shù)體系中 任何一個環(huán)節(jié)，都有大量的不同技術(shù)工具，這些 技術(shù)工具都有自己的優(yōu)點(diǎn)與局限，可以滿足不 同的需求。沒有什么技術(shù)可以占據(jù)統(tǒng)治地位。

　　(4)技術(shù)復(fù)雜化快速成型技術(shù)是多種高 新技術(shù)集成的結(jié)果，在這個技術(shù)體系中任何一 項技術(shù)都具有很高的技術(shù)含量，都是一個復(fù)雜 的技術(shù)系統(tǒng)。

　　(5)技術(shù)更新速度不斷加快需求、技術(shù)的 多樣化使得快速成型領(lǐng)域的競爭非常激烈，現(xiàn) 有技術(shù)不斷改進(jìn)，新工藝技術(shù)不斷出現(xiàn)，技術(shù)的 更新?lián)Q代速度越來越快。

　　顯然，任何一個科研機(jī)構(gòu)都不能包攬所有 技術(shù)的研究開發(fā)，任何一個使用單位都很難擁 有全套技術(shù)手段，而快速成型技術(shù)的系統(tǒng)化需 要多種技術(shù)的集成。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這個問題提供了良好的解決方案。不同的研究開發(fā)者，不同的 使用者，不同的技術(shù)擁有者可以通過計算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)聯(lián)系在一起，形成快速成型技術(shù)體系的虛擬 集成系統(tǒng)，組成虛擬研究組織。

　　網(wǎng)絡(luò)時代的到來，為快速成型技術(shù)領(lǐng)域的 分工與合作，為快速成型技術(shù)的發(fā)展提供了無 限的空間。圖5為快速成型技術(shù)體系的虛擬集成示例。

　　(1)RP&M加技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一個技術(shù)體 系，該體系從本質(zhì)上講是一個信息轉(zhuǎn)換與處理 的體系。在RP8z皿技術(shù)體系中信息可分為數(shù)字 形態(tài)信息和物理形態(tài)信息兩類，與之對應(yīng)信息 處理與轉(zhuǎn)換有實物信化、數(shù)據(jù)處理、信息物化、 物性轉(zhuǎn)換4種基本形式。快速成型技術(shù)體系中 的所有技術(shù)工具都可以看作一種信息處理系 統(tǒng)，可以以一定的模式進(jìn)行評價。

　　(2)快速成型技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)系統(tǒng)化、多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為快速成型技術(shù)體 系的發(fā)展應(yīng)用提供了廣闊的空間，不同的研究 開發(fā)者，不同的制造商，不同的服務(wù)中心，可以 通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起實現(xiàn)快速成型技術(shù) 的虛擬集成。這是快速成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。