快速成形实验指导书Word文档下载推荐.docx
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由于该技术在加速设计、沟通设计与制造及迅速形成生产能力等方面可以给企业带来无与伦比的竟争能力，因而出现伊始，就受到了工业界的广泛重视。
快速成形的概念始于20世纪80年代，美国3M公司、UVP公司及日本名古屋工业研究所分别提出了应用紫外激光固化光敏树脂，通过逐层堆积制造三维实体的快速制造新概念。
1988年第一台商品化的快速成形设备面市。
短短几年内，快速成形技术迅猛发展，多种快速成形系统相继问世，如美国3D公司的激光光固法快速成形系统（SLA）、Helisys公司的激光选择切割快速成形系统（LOM）、Stratasys公司的熔融堆积快速成形系统（FDM）以及德国EOS公司的激光选择性烧结快速成形系统（SLS）等。
到1994年，全球已销售了近千台快速成形设备，而1995年销量达到了500余台。
与之对应的快速成形技术服务中心也由1992年的几十家迅速发展到1996年的200余家。
现在是多少？
快速成形一经出现，就受到了国内外科技及工业界的广泛重视，自20世纪90年代开始，美国和欧洲每年都要举行一次专门的快速成形技术学术研讨会。
近几年来，这项技术的发展及其应用更成为许多国际学术会议的主要议题之一。
随着计算机集成技术、数控技术、激光、精密测量及制造及新材料、新工艺的发展，快速制造技术还将进一步完善。
其发展趋势可归纳如下：
1）设备分辨率更高，可制作传统工艺无法制作的复杂、精密的产品，如照相机、磁头等，可制作的最小尺寸＜0.5mm；
2）产品制造精度更高，尺寸精度更接近实际产品；
3）制造速度更快；
4）设备的自动化程度更高，不仅可自动生产，而且可自动监控生产状况，优化生产过程，自动诊断故障，使设备可靠性更好，维护更方便；
5）进一步降低生产成本，节约能源；
6）减少或消除生产原材料对环境的污染；
7）开发出更好更适用的材料，使其强度及韧性进一步提高。
6、快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点
快速成型属于离散／堆积成型。
它从成型原理上提出一个全新的思维模式三维模型，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件。
6.1快速成型的工艺过程
具体如下：
1）产品三维模型的构建。
由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。
该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E、I-DEAS、SolidWorks、UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型；
2）三维模型的近似处理。
由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。
由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成形领域的准标准接口文件。
它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。
STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。
典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能；
3）三维模型的切片处理。
根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。
间隔一般取0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。
间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高；
4）成型加工。
根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品；
5）成型零件的后处理。
从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。
6.2快速成型特术的几个重要特征
1）可以制造任意复杂的三维几何实体。
由于采用离散／堆积成型的原理，它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。
越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性此外，RP技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件；
2）快速性。
通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。
从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点；
3）高度柔性。
无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件；
4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料的提取（气、液、固相）过程与制造过程一体化和设计（CAD）与制造（CAM）一体化；
5）与反求工程（ReverseEngineering）、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有力工具。
因此，快速成形技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对制造业产生重要影响。
6.3快速成型技术的分类
快速成形技术根据成型方法可分为两类：
基于激光及其他光源的成形技术（LaserTechnology），例如：
光固化成形（SLA）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成形（SDM）等；
基于喷射的成型技术（JettingTechnoloy），例如：
熔融沉积成形（FDM）、三维印刷（3DP）、多相喷射沉积（MJD）。
下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。
1）SLA（StereolithogrphyApparatus）工艺
SLA工艺也称光造型或立体光刻，由CharlesHul于1984年获美国专利。
1988年美国3DSystem公司推出商品化样机SLA-I，这是世界上第一台快速成形机。
SLA各种成型机占据着RP设备市场的较大份额。
SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。
这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。
SLA工作原理：
液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。
成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度。
聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。
当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。
然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。
SLA工艺成形的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100％。
但这种方法也有自身的局限性，如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。
下图为SLA工艺方法加工的零件：
2）LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺
LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。
LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。
片材表面事先涂覆上一层热熔胶。
加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。
用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。
激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。
供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。
工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。
再在新层上切割截面轮廓。
如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。
最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。
LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。
因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。
工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。
工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。
缺点是材料浪费严重，表面质量差。
下图为用LOM工艺方法加工的模型：
3）SLS（SelectiveLaserSintering）工艺
SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。
SLS工艺是利用粉末状材料成型的。
将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。
当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。
烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。
SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。
这使SLS工艺颇具吸引力。
SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。
下图为用SLS工艺方法加工的模型：
`
4）3DP（ThreeDimensionPrinting）工艺
三维印刷工艺（3DP）是美国麻省理工学院E-manualSachs等人研制的。
已被美国的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。
3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。
所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。
用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。
先烧掉粘结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。
5）FDM（FusedDepostionModeling）工艺
熔融沉积制造（FDM）工艺由美国学者ScottCrump于1988年研制成功。
FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。
以丝状供料。
材料在喷头内被加热熔化。
喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。
下图为用FDM工艺方法加工的模型：
几种常见RP特点比较：
成形速度
制件后处理
材料利用率
SLA
小截面较快
大截面较慢
较复杂
较高
LOM
小截面较慢
大截面较快
低
SLS
FDM
简单
高
几乎无费料
7.FDM设备操作
设备型号：
FprintA
工艺：
熔融挤出成形
材料：
ABS工程塑料
成形空间：
300X300X400
精度：
0.2mm/100mm
此设备为北京殷华快速成形与模具技术有限公司制造，操作此设备需要用到两个软件：
Aurora。
下面分别介绍两个软件的使用方法和作用。
Aurora快速成型软件，它输入STL模型,进行分层等处理后输出到三维打印/快速成型系统，可以方便快捷的得到模型原型。
Aurora软件功能完备，处理三维模型方便、迅捷、准确，使用特别简单，实现了“一键打印”。
7.1功能简介
概括起来，Aurora软件具有如下功能：
1）输入输出：
STL文件，CSM文件（压缩的STL格式），CLI文件。
数据读取速度快，能够处理上百万片面的超大STL模型。
2）三维模型的显示：
在软件中可方便地观看STL模型的任何细节，并能测量、输出。
鼠标＋键盘的操作，简单、快捷，用户可以随意观察模型的任何细节，甚至包括实体内部的孔、洞、流道等。
基于点、边、面三种基本元素的快速测量自动计算、报告选择元素间各种几何关系，不需切换测量模式，简单易用。
3）校验和修复：
自动对STL模型进行修复，用户无需交互参与；
同时提供手动编辑功能，大大提高了修复能力，不用回到CAD系统重新输出，节约时间，提高工作效率。
4）成形准备功能：
用户可对STL模型进行变形（旋转，平移，镜像等）、分解、合并、切割等几何操作；
自动排样，可将多个零件快速的放在工作平台上或成形空间内，提高快速成形系统的效率。
下图为三维模型测量、排样、修复。
5）自动支撑功能：
根据支撑角度，支撑结构等几个参数，自动创建工艺支撑。
支撑结构自动选择，智能程度高，无需培训和专业知识。
6）直接打印：
可将STL模型处理后直接传送给三维打印机/快速成型系统，无需在不同软件中切换。
处理算法模型效率高，容错、修复能力强，对三维模型上的裂缝，空洞等错误能自动修复。
打印的同时对三维打印机/快速成型系统进行状态检测，保证系统正常运行。
下图为层片模型的立体显示。
7.2启动
从桌面和开始菜单中的快捷方式都可以启动本软件。
软件启动后的界面如下图所示。
图7.2－1Aurora软件界面
Aurora软件界面由三部分构成。
上部为菜单和工具条，左侧为工作区窗口，有三维模型，二维模型，三维打印机三个窗口，显示STL模型列表等；
右侧为图形窗口，显示三维STL或CLI模型，以及打印信息。
7.3载入STL模型
STL格式是快速成形领域的数据转换标准，几乎所有的商用CAD系统都支持该格式，如UG/II、Pro/E、AutoCAD、SolidWorks等。
在CAD系统或反求系统中获得零件的三维模型后，就可以将其以STL格式输出（输出方式请参考该CAD或反求软件的使用手册，或查看本手册的附录），供快速成形系统使用。
STL模型是三维CAD模型的表面模型，由许多三角面片组成。
输出为STL模型时一般会有精度损失，请注意。
载入STL模型的方式有多种：
选择菜单“文件>
载入模型”；
在三维模型图形窗口中使用右键菜单，或者三维模型和二位模型列表窗的右键菜单中选择“载入模型”；
或者按快捷键“CTRL＋L”；
或者选择工具条上的按钮。
选择命令后，系统弹出打开文件对话框，选择一个STL（或CSM，CLI）文件。
本软件附带一个STL模型目录，在其安装目录下，名为example，里面有一些STL文件。
选择一个或多个STL文件后，系统开始读入STL模型，并在最下端的状态条显示已读入的面片数（Facet）和顶点数（Vertex）。
读入模型后，系统自动更新，显示STL模型，如下图所示为三维模型窗口和列表中的右键菜单。
当系统载入STL和CLI模型后，会将其名称加入左侧的三维模型或二维模型窗口。
用户可以在三维模型窗口内选择STL模型，也可以用鼠标左键在图形窗口选择STL模型。
注意：
本软件中一些操作是针对单个模型的，所以执行这些操作前，必须先选择一个模型，做为当前模型，当前模型会以系统设定的特定颜色显示（该颜色在“查看>
色彩…”命令中设定）。
CSM文件为压缩的STL模型，可以减小STL文件的大小（大约为原文件的1/10），方便用户传输，交换模型。
该格式的文件可以直接读入。
载入CSM和CLI模型
选择同样的命令，也可以载入CSM和CLI文件，不过要在“打开文件对话框”中选择合适的文件类型。
图2－4选择CSM或CLI文件
打印
本软件可以打印三维模型窗口内容，并附加载入的STL模型的信息。
如下图所示。
图2－4打印预览
7.4显示
在Aurora中可方便地观看STL模型的任何细节，并能测量、输出。
通过鼠标＋键盘的操作，用户可以随意观察模型的任何细节，甚至包括实体内部的孔、洞、流道等。
全部的显示命令都在下面的视图和标准视图两个工具条中。
7.5显示模式
三维图形窗口中有五种显示模式供用户选择：
线框、透明、渲染、包围盒、层片。
线框：
显示STL三角面片的边；
透明：
以透明方式显示模型；
渲染：
以三维渲染模式显示模型，这是最常用的显示模式；
包围盒：
简化模型，以模型的正交包围盒显示；
层片：
显示二维模型的层片。
各模式的显示结果如下图：
线框模式透明模式
渲染模式包围盒模式
7.6视图变换
通过视图变换，可旋转、放大、缩小模型的任何部位，让用户更详细的了解模型的细节和整体结构。
同时有七个预定义的标准视图供用户选择。
视图变换命令有：
视图变换命令可以通过选择相应的菜单或工具条命令激活，也可使用鼠标和键盘直接激活。
由于这些视图变换命令需要鼠标中间和滚轮实现，所以推荐用户使用三键滚轮鼠标。
从菜单或工具条激活视图变换命令，可以使用鼠标左键完成剩余的工作。
鼠标操作：
鼠标中健是本软件的视图变换快捷键。
按下中键，然后配合键盘操作，就可完成各种的视图操作。
旋转：
在图形窗口按下鼠标中键，然后在窗口内移动鼠标，就可实时旋转视图；
平移：
按住CTRL键，然后在图形窗口按下鼠标中键，移动鼠标，就可实时平移视图；
放大缩小：
向前或向后旋转滚轮，即可放大或缩小视图。
键盘操作：
该功能使用右侧的小键盘。
各个键功能如下：
5键：
固定键，视图回到顶视方向；
1，3键：
缩放键，1为放大，3为缩小；
7，9键：
旋转键，旋转轴垂直于平面，7为逆时针，9为顺时针；
2，4，6，8键：
组合键。
当NumLock键关闭时，为方向键，可以平移视图，方向如该键上的方向所示。
当NumLock键锁住时，为旋转键，4，6为左右旋转键，4为左旋，6为右旋。
2，8为上下旋转键，2为下旋，8为上旋，旋转方向和键上的箭头所示相符。
7.7三维模型操作
三维模型操作包括坐标变换、模型分割、分解、合并、排样等，下面一一进行介绍。
7.7.1坐标变换
坐标变换是对三维模型进行缩放、平移、旋转、镜像等。
这些命令将改变模型的几何位置和尺寸。
坐标变换命令集中在“模型>
几何变换”菜单中的几何变换对话框内，分别为：
平移、平移至、旋转、缩放、镜像这五种。
其下图界面如图所示为几何变换对话框。
平移是最常用的坐标变换命令，它将模型从一个位置移动到令一个位置。
输入的X，Y，Z坐标为模型在XYZ三个方向上的移动距离。
平移至：
是平移命令的另一种形式，不同于“平移”命令，它将模型参考点移至所输入的坐标位置。
点击“应用”按钮后，程序执行平移操作。
快捷操作：
用鼠标左键和键盘可以完成实时模型平移，包括XY平移和Z向平移，以方便用户进行多零件排放。
同时按住鼠标左键和CTRL键（先按下CTRL键）,可以在XY平面上进行平移操作。
同时按住鼠标左键和SHIFT键（先按下SHIFT键），可以在Z方向上移动选择的三维模型。
旋转也是一个常用的坐标变换命令，该命令以参考点为中心点对模型绕XYZ轴进行旋转。
同时按住鼠标左键和ALT键（先按下ALT键），可以在XYZ轴实时旋转的三维模型。
缩放：
以某点为参考点对模型进行比例缩放。
如果选中了“一致缩放”，则XYZ方向以想同的比例缩放，否则要对XYZ轴分别设定缩放比例。
镜像：
是较少使用的几何变换命令。
应用镜像时所选择的轴，为镜像平面的法向轴。
7.7.2处理多个三维模型
快速原型工艺一般可以同时成形多个原型。
本软件也可以同时处理多个STL模型。
系统载入多个STL模型后，可以分别对他们进行处理，也可以一起进行处理。
系统载入多个模型后，在左侧的三维模型列表窗口中会依次显示各STL文件名，用户可以在树状列表中选择其中的一个作为激活的STL模型。
激活的三维模型会以不同的颜色在图形窗口中显示，激活模型的颜色可以在“色彩设定”命令中选择。
下图显示同时载入了多个STL模型，激活的模型用粉色显示。
同时，模型列表下面的窗口还会显示选中模型的模型信息，包括面片、顶点、体积、面积、尺寸等。
部分命令对所有已载入STL模型有效，另一部分则只对当前模型有效，请使用时注意。
选择激活的三维模型有两种方式，一是鼠标单击列表中该STL的名称，另一种是在图形窗口中选择。
7.7.3三维模型合并、分解及分割
为方便多个三维模型处理，可以将多个三维模型合并为一个模型并保存。
在三维模型列表窗口中选择零件，然后选择“合并”命令（），合并后自动生成一个名为“Merge”的模型。
下图所示为合并多个STL模型。
与合并操作相反的是分解操作，若一个三维模型中包含若干个互不相连的部分，则该命令将其分解为若干各独立的STL模型。
激活要分解的三维模型，然后选择“分解”命令（
），该模型将分解为多个模型，并依次在每个模型后添加“序号”进行区别，如下图所示为分解为多个STL模型。
7.8分层
7.8.1分层前的准备
分层是三维打印/快速成型的第一步，在分层前，要首先做如下准备：
检查三维模型（看是否有错误，如法向错误、空洞、裂缝、实体相交等），确定成型方向（把模型旋转到最合适的成型方向和位置）。
本软件自动添加支撑，无需用户添加。
本软件能同时对多个模型分层，如果用户只对一个模型分层，应在三维模型窗口中将该模型选中。
7.8.2分层参数详解
上图为分层参数对话框。
分层后的层片包括三个部分，分别为原型的轮廓部分，内部填充部分和支撑部分。
轮廓部分
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