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激光快速成型技术及其在产品设计中的应用(2)

发布日期：2017-03-09 浏览：1632次文字分类：雕塑知识

二、u激光/u快速成型技术的原理及特点有人曾向一位雕塑大师(米开朗基罗/罗丹?)请教雕塑的秘诀，大师回答说“留下你所需要的，去除你所不要的”，令请教者大失所望。其实，大师说出的正是雕塑的技术真谛――材料去除法。传统的工业成形技术中大部分也是遵循这一方法的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。而激光快速成形却是采用一种全新的成形原理――分层加工、迭加成形。对于学过高等数学的人来说，这种原理并不陌生。在定积分的应用中，曾讲到母线是已知曲线的旋转体体积计算和平行截面已知的立体体积计算，两者都是取厚度为△Xi的截面，近似地看成是扁圆柱体或曲边柱体，然后加以迭加：当‖△x‖→O时，就分别得到旋转体或平行截面已知立体的体积。地形地貌是由复杂曲面构成的，但是，只要我们测绘出不同高度的等高线，就可以据此在平板上切割出大小、形状各异的曲边平面(当然，板厚与相邻两条等高线之间的高度差应符合地形图的比例尺)，然后再把它们层叠起来，只要等高线取得足够密，就可以制作成逼真的地形模型。目前，按照这种分层加工、迭加成形原理开发出的激光快速成形机有很多种，在此择其主要的几种作一概要的介绍：1、液态光敏聚合物选择性固化(SLA:Strreolithographypparatus立体平板印刷u设备/u)1902年美国的一项专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美国的又一项专利提出用激光照射液态光敏树脂分层制作三维实体的快速成形方案，美国3DSYSTEMS公司据此于1988年生产出第一台激光快速成形机SLA-250。这种激光快速成形机所使用的构形材料是一种液态光敏聚合物，在紫外光的照射下会发生聚合固化反应，由液态变成固态。其优点是：能直接得到类似塑料的树脂件，且表面粗糙度较小。其缺点是：(1)成形过程中的化学和物理变化使得尺寸精度不易保证，且会发生蠕变；

(2)须对整个截面进行扫描固化，成形时间较长，成形后要进一步固化处理；

(3)由于未被激光束照射的部分仍为液态，因此对于悬伸部分要事先设计支撑，固化后再去除；

(4)光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好，工作温度不能超过100℃，会吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强，且价格昂贵(140-2404/kg)；

(5)产生紫外激光的激光管寿命2000小时左右。2、薄型材料选择性切割(LOM:Laminatedbjeetanufacturing分层物体制造)这种激光快速成形所使用的构形材料是事先涂有热熔胶的纸，其成形过程与前面所述的制作地形模型的过程相似。其优点是：(1)尺寸精度较高；

(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高；
(3)无需设计支撑；

(4)制成的样件有类似木质制品的硬度，稍作处理后可在200℃以下环境中使用，可进行一定的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器寿命达20000小时；
(6)构形材料价格便宜(8/kg)。其缺点是：(1)不能直接制作塑料件；
(2)表面粗糙度较高，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；
(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；

(4)工件缺少弹性。3、丝状材料选择性熔复(FDM:Fusedepositionodeling熔积成形)这种快速成型机所使用的构形材料是丝状热塑性材料，其工作原理类似于标花蛋糕的制作，丝状材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，按照截面形状涂覆在工作台上，并快速冷却固化，一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一层的涂覆。其优点是：(1)能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度较高；
(3)材料利用率高。其缺点是：(1)表面粗糙度较高，需后处理；
(2)成形时间较长；
(3)材料昂贵(250-458/kg)；

(4)悬臂结构处要设置支撑，不过新型FDM快速成形机上设置了两个喷头，一个喷成形材料，另一个喷支撑材料，并且支撑材料可以进行水溶去除，减小了后处理时间。4、粉末材料选择性烧结(SLS:Selectedaserintering选择性激光烧结)这种快速成型机的工作原理与SLA相仿，不过所用成形材料不是液态的光敏树脂，而是粉末状的高分子材料、金属或陶瓷与粘结剂的混合物等，粉粒直径为50-125m，成形时先在工作台上铺一层粉末材料，并加热至略低于熔化温度，然后激光束按照截面形状进行扫描，被扫描的部分材料熔化、粘接成形，不被扫描的粉未材料仍呈粉粒状作为工件的支撑，一层完成成形后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结：[HJ]其优点是：(1)可直接得到塑料、陶瓷或金属件，可加工性好；

(2)无需设计支撑。其缺点是：(1)成形件结构疏松多孔，表面粗糙度较高；
(2)成形效率不高；

(3)得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件，需进行渗铜等后处理，但在后处理中难于保证制件尺寸精度。通过对以上四种快速成形机的介绍，我们可以看出：激光快速成形技术是多种先进制造技术的集成。由于不同的快速成形机具有不同的特点，因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择，选择中要综合考虑成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形状、以及成形件的材质要求等等，还要权衡制作成本，例如：大型件、实体适于用LOM制作；

小型件、薄壁件适于用SLA、FDM、SLS制作；
塑料件可用SLA、FDM直接制作，用LOM则要通过硅胶模、反应式注塑翻制；
金属件可用SLS直接制作，用其它方法则要通过铸造翻制；
表面粗糙度要求高的可SLA、LOM制作；

使用于较高温度环境下的可用LOM制作等等。三、激光快速成型技术的前处理――STL格式文件不论哪一种激光快速成形机都是基于三维CAD模型进行制作，并且在制成速成形件的过程中，要从三维CAD模型中提取每一层的平面轮廓信息，这是通过相应的软件完成的，其中最常见的方法是：先将三维CAD模型转换成STL格式模型，再对STL格式模型进行切片处理。STL格式最初出现于1988年美国3DYSTEMS公司生产的SLA快速成形机中，STL就是STereoLithography的缩写，它是将三维模型的表面近似表达为小三角形平面的组合，非常相似于有限元分析中的三结点平面单元。STL格式服从下列规则：(1)共顶点规则：小三角形平面的顶点不能落在相邻任何一个小三角形平面的边上；

(2)取向规则：小三角形平面顶点反时针排序为外表面，顺时针排序为内表面；

(3)取值规则：顶点座标值均为正值；

(4)合法实体规则：三维模型的表面上必须布满小三角形平面，不能有裂缝和孔洞，内外表面之间的厚度不能为0。此外，还要根据成形件的几何形状、复杂程度，选择适当的模型转换精度，选择精度过低(小三角形平面太大，数量较少)时，会因为无法表达细小的特征结构而出错；选择太高的转换精度(小三角形太�。抗�)时，又会造成STL格式文件太大，超出快速成形机的接受范围，甚至会出现一些莫名其妙的错误。快速成形机接收到STL格式文件后进行切片。我们可以看到：转换成STL格式模型后，为了求得切片平面内成形件的廓线，只要求得切片平面与所有与该平面相交的小三角形平面的交线就行了，这就将问题转化成简单的求两平面的交线问题，然后再将求得的交线端点按外环反时针、内环顺时针排序，就可得到切片平面内成形件的内外廓线，供快速成形进行数控加工(固化、切割或涂覆、烧结)。通过STL格式转换，简化了切片平面内成形件廓线的生成，但由于这种转换本身就是一种近似处理，因而同时也带来了转换中精度的损失，目前一个发展方向是直接利用三维CAD模型进行切片，从而提高成形件的制作精度，并减小快速成形的前处理时间。

二、激光快速成型技术的原理及特点有人曾向一位雕塑大师(米开朗基罗/罗丹?)请教雕塑的秘诀，大师回答说“留下你所需要的，去除你所不要的”，令请教者大失所望。其实，大师说出的正是雕塑的技术真谛――材料去除法。传统的工业成形技术中大部分也是遵循这一方法的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。而激光快速成形却是采用一种全新的成形原理――分层加工、迭加成形。对于学过高等数学的人来说，这种原理并不陌生。在定积分的应用中，曾讲到母线是已知曲线的旋转体体积计算和平行截面已知的立体体积计算，两者都是取厚度为△Xi的截面，近似地看成是扁圆柱体或曲边柱体，然后加以迭加：当‖△x‖→O时，就分别得到旋转体或平行截面已知立体的体积。地形地貌是由复杂曲面构成的，但是，只要我们测绘出不同高度的等高线，就可以据此在平板上切割出大小、形状各异的曲边平面(当然，板厚与相邻两条等高线之间的高度差应符合地形图的比例尺)，然后再把它们层叠起来，只要等高线取得足够密，就可以制作成逼真的地形模型。目前，按照这种分层加工、迭加成形原理开发出的激光快速成形机有很多种，在此择其主要的几种作一概要的介绍：1、液态光敏聚合物选择性固化(SLA:Strreolithographypparatus立体平板印刷设备)1902年美国的一项专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美国的又一项专利提出用激光照射液态光敏树脂分层制作三维实体的快速成形方案，美国3DSYSTEMS公司据此于1988年生产出第一台激光快速成形机SLA-250。这种激光快速成形机所使用的构形材料是一种液态光敏聚合物，在紫外光的照射下会发生聚合固化反应，由液态变成固态。其优点是：能直接得到类似塑料的树脂件，且表面粗糙度较小。其缺点是：(1)成形过程中的化学和物理变化使得尺寸精度不易保证，且会发生蠕变；

(2)须对整个截面进行扫描固化，成形时间较长，成形后要进一步固化处理；

(3)由于未被激光束照射的部分仍为液态，因此对于悬伸部分要事先设计支撑，固化后再去除；

(4)光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好，工作温度不能超过100℃，会吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强，且价格昂贵(140-2404/kg)；

(5)产生紫外激光的激光管寿命2000小时左右。2、薄型材料选择性切割(LOM:Laminatedbjeetanufacturing分层物体制造)这种激光快速成形所使用的构形材料是事先涂有热熔胶的纸，其成形过程与前面所述的制作地形模型的过程相似。其优点是：(1)尺寸精度较高；

(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高；
(3)无需设计支撑；

(4)制成的样件有类似木质制品的硬度，稍作处理后可在200℃以下环境中使用，可进行一定的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器寿命达20000小时；
(6)构形材料价格便宜(8/kg)。其缺点是：(1)不能直接制作塑料件；
(2)表面粗糙度较高，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；
(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；

(4)工件缺少弹性。3、丝状材料选择性熔复(FDM:Fusedepositionodeling熔积成形)这种快速成型机所使用的构形材料是丝状热塑性材料，其工作原理类似于标花蛋糕的制作，丝状材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，按照截面形状涂覆在工作台上，并快速冷却固化，一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一层的涂覆。其优点是：(1)能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度较高；
(3)材料利用率高。其缺点是：(1)表面粗糙度较高，需后处理；
(2)成形时间较长；
(3)材料昂贵(250-458/kg)；

(4)悬臂结构处要设置支撑，不过新型FDM快速成形机上设置了两个喷头，一个喷成形材料，另一个喷支撑材料，并且支撑材料可以进行水溶去除，减小了后处理时间。4、粉末材料选择性烧结(SLS:Selectedaserintering选择性激光烧结)这种快速成型机的工作原理与SLA相仿，不过所用成形材料不是液态的光敏树脂，而是粉末状的高分子材料、金属或陶瓷与粘结剂的混合物等，粉粒直径为50-125m，成形时先在工作台上铺一层粉末材料，并加热至略低于熔化温度，然后激光束按照截面形状进行扫描，被扫描的部分材料熔化、粘接成形，不被扫描的粉未材料仍呈粉粒状作为工件的支撑，一层完成成形后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结：[HJ]其优点是：(1)可直接得到塑料、陶瓷或金属件，可加工性好；

(2)无需设计支撑。其缺点是：(1)成形件结构疏松多孔，表面粗糙度较高；
(2)成形效率不高；

(3)得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件，需进行渗铜等后处理，但在后处理中难于保证制件尺寸精度。通过对以上四种快速成形机的介绍，我们可以看出：激光快速成形技术是多种先进制造技术的集成。由于不同的快速成形机具有不同的特点，因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择，选择中要综合考虑成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形状、以及成形件的材质要求等等，还要权衡制作成本，例如：大型件、实体适于用LOM制作；

小型件、薄壁件适于用SLA、FDM、SLS制作；
塑料件可用SLA、FDM直接制作，用LOM则要通过硅胶模、反应式注塑翻制；
金属件可用SLS直接制作，用其它方法则要通过铸造翻制；
表面粗糙度要求高的可SLA、LOM制作；

使用于较高温度环境下的可用LOM制作等等。三、激光快速成型技术的前处理――STL格式文件不论哪一种激光快速成形机都是基于三维CAD模型进行制作，并且在制成速成形件的过程中，要从三维CAD模型中提取每一层的平面轮廓信息，这是通过相应的软件完成的，其中最常见的方法是：先将三维CAD模型转换成STL格式模型，再对STL格式模型进行切片处理。STL格式最初出现于1988年美国3DYSTEMS公司生产的SLA快速成形机中，STL就是STereoLithography的缩写，它是将三维模型的表面近似表达为小三角形平面的组合，非常相似于有限元分析中的三结点平面单元。STL格式服从下列规则：(1)共顶点规则：小三角形平面的顶点不能落在相邻任何一个小三角形平面的边上；

(2)取向规则：小三角形平面顶点反时针排序为外表面，顺时针排序为内表面；

(3)取值规则：顶点座标值均为正值；

(4)合法实体规则：三维模型的表面上必须布满小三角形平面，不能有裂缝和孔洞，内外表面之间的厚度不能为0。此外，还要根据成形件的几何形状、复杂程度，选择适当的模型转换精度，选择精度过低(小三角形平面太大，数量较少)时，会因为无法表达细小的特征结构而出错；选择太高的转换精度(小三角形太�。抗�)时，又会造成STL格式文件太大，超出快速成形机的接受范围，甚至会出现一些莫名其妙的错误。快速成形机接收到STL格式文件后进行切片。我们可以看到：转换成STL格式模型后，为了求得切片平面内成形件的廓线，只要求得切片平面与所有与该平面相交的小三角形平面的交线就行了，这就将问题转化成简单的求两平面的交线问题，然后再将求得的交线端点按外环反时针、内环顺时针排序，就可得到切片平面内成形件的内外廓线，供快速成形进行数控加工(固化、切割或涂覆、烧结)。通过STL格式转换，简化了切片平面内成形件廓线的生成，但由于这种转换本身就是一种近似处理，因而同时也带来了转换中精度的损失，目前一个发展方向是直接利用三维CAD模型进行切片，从而提高成形件的制作精度，并减小快速成形的前处理时间。

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