快速成型的前處理后處理與精度

快速成型的前處理后處理與精度第1頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度快速成型的前處理包括CAD三維模型的構建、CAD三維模型的STL格式化以及三維模型的切片處理等。第2頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法⑴應用計算機三維設計軟件，根據(jù)產品的要求設計三維模型；⑵應用計算機三維設計軟件，將已有產品的二維圖紙轉化為三維模型；⑶仿制產品時，應用反求設備和反求軟件，得到產品的三維模型；⑷利用Internet網(wǎng)絡，將用戶設計好的三維模型直接傳輸?shù)娇焖俪尚凸ぷ髡?。?頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法1.用計算機輔助設計軟件構建三維模型（概念設計）在計算機上，用三維CAD軟件，根據(jù)產品的要求，可以設計其三維模型，或將已有的產品的二維三視圖轉換成三維模型。第4頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）對存在的的物理模型或實物樣件，若要進行仿制或再設計，必須對實物進行三維數(shù)字化處理，數(shù)字化手段包括傳統(tǒng)測繪及各種先進測量方法，這一模式即為反求工程，或稱逆向工程（RE)第5頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）第6頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）逆向工程設備：

①測量機：獲得產品三維數(shù)字化數(shù)據(jù)（點云/特征）；

②曲面/實體反求軟件：對測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)曲面重構，甚至實體重構；

③CAD/CAE/CAM軟件；

④數(shù)控機床；

第7頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）在制造領域，反求工程具體表現(xiàn)為對已有物體的參照設計，通過實物的測量構造物體的幾何模型，進而根據(jù)物體的具體功能進行改進設計和制造。反求工程廣泛應用在汽車、航空、模具等領域。第8頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）常見的掃描機有傳統(tǒng)的坐標測量機（CMM）、激光掃描機（LS）、零件斷層掃描機（CSS）、計算機X射線斷層照相術（CT）以及磁共振成像（MRI）。第9頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）（1）三坐標測量機將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和位置。

三坐標測量機的組成：

①主機機械系統(tǒng)（X、Y、Z三軸或其它）；

②測頭系統(tǒng)；

③電氣控制硬件系統(tǒng)；

④數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（測量軟件）；

第10頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）（1）三坐標測量機第11頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）（1）三坐標測量機第12頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）（2）三維激光掃描機第13頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）（3）CT掃描及數(shù)據(jù)轉化CT掃描已廣泛應用于醫(yī)療診斷、假體設計、工業(yè)檢測和三維數(shù)字化，目前比較的一種CT掃描是螺旋式CT掃描。其原理是：

用該掃描機對實體（如人體）掃描時，實體在一個門架中連續(xù)地向前緩緩移動，裝于門架上的X射線管和檢測系統(tǒng)圍繞實體連續(xù)轉動并采集數(shù)據(jù)。第14頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.1三維模型的構建方法2.運用反求工程構造三維模型的方法（逆向工程）（3）CT掃描及數(shù)據(jù)轉化用CT掃描采集數(shù)據(jù)CT圖像分割CT輪廓分割表面建模表面模型的修改第15頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度

快速成型制造設備目前可以接受諸如STL、SLC、CLI、RPI、SIF等多種數(shù)據(jù)格式。其中由美國3DSystems公司開發(fā)的STL文件格式可以被大多數(shù)快速成型機所接受，被工業(yè)界認為是目前快速成型數(shù)據(jù)的標準，幾乎所有類型的快速成型制造系統(tǒng)都采用STL數(shù)據(jù)格式。第16頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.2三維模型的STL格式化STL文件的主要優(yōu)勢在于表達簡單清晰，文件中只包含相互銜接的三角形片面節(jié)點坐標及其外法向量。STL數(shù)據(jù)格式的實質是用許多細小的空三角形面來逼近還原CAD實體模型，這類似于實體數(shù)據(jù)模型的表面有限元網(wǎng)格劃分。第17頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三3.1快速成型的前處理第三章快速成型的前處理、后處理和精度STL文件的數(shù)據(jù)格式是采用小三角形來近似逼近三維實體模型的外表面，小三角形數(shù)量的多少直接影響著近似逼近的精度。精度要求越高，選取得三角形應該越多。但是，就本身面向快速成型制造要求的CAD模型的STL文件，過高的精度要求也是不必要的。3.1.2三維模型的STL格式化第18頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度1.STL格式文件的規(guī)則（1）共頂點規(guī)則每個平面小三角形必須與每個相鄰的平面小三角形共用兩個頂點。3.1.2三維模型的STL格式化3.1快速成型的前處理第19頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度1.STL格式文件的規(guī)則（2）取向規(guī)則用平面小三角形中的頂點排序來確定其所表達的表面是內表面或外表面。逆時針的頂點排序表示該表面為外表面；順時針的頂點排序表示該表面為內表面。3.1.2三維模型的STL格式化3.1快速成型的前處理第20頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度1.STL格式文件的規(guī)則（3）取值規(guī)則每個小三角形平面的頂點坐標值必須是正數(shù)零或負數(shù)是錯誤的。（4）合法實體規(guī)則STL格式不得違反合法實體規(guī)則，又稱充滿法則。即在三維模型的所有表面上，必須布滿小三角形平面。3.1.2三維模型的STL格式化3.1快速成型的前處理第21頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度2.STL格式文件的錯誤和糾錯軟件由于CAD軟件和STL文件格式本身存在的問題，以及轉換過程中造成的錯誤，使產生的STL格式文件難免有少量缺陷，其中常見的有以下幾種：⑴出現(xiàn)違反共頂點規(guī)則的三角形；⑵出現(xiàn)違反取向規(guī)則的三角形；⑶出現(xiàn)錯誤的裂縫或孔洞；⑷三角形過多或過少；⑸微小特征遺漏或出錯。3.1.2三維模型的STL格式化3.1快速成型的前處理第22頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理在快速成型制造系統(tǒng)中，切片處理及切片軟件是極其重要的。切片的目的是要將模型以片層方式來描述。通過這種描述，無論零件多么復雜，對每一層來說卻是很簡單的平面。切片處理是將計算機中的幾何模型變成輪廓線來表述。切片軟件的主要任務是接受正確的STL文件，并生成指定方向的截面輪廓第23頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理1.成型方向的選擇不同的成型方向會對工件品質（尺寸精度、表面粗糙度、強度等）、材料成本和制作時間產生很大的影響。⑴成型方向對工件品質的影響

一般而言，無論哪種快速成型方法，由于不易控制工件Z方向的翹曲變型等原因，使工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向更易保證。應將精度要求較高的輪廓盡可能放置在X-Y平面。第24頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理1.成型方向的選擇⑵成型方向對材料成本的影響

不同的成型方向導致不同的材料消耗量。對于需要外支撐結構的快速成型，如SLA和FDM，材料的消耗量應包括支撐結構材料。總材料消耗量還取決于原材料的回收和再使用。第25頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理1.成型方向的選擇⑶成型方向對制作時間的影響

工件的成型時間由前處理時間、分層疊加成型時間和后處理時間等三部分構成。成型時間等于層成型時間及層與層之間處理時間之和。它隨成型方向而變化。第26頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理2.快速成型中的主要切片方式⑴STL切片

工件的成型時間由前處理時間、分層疊加成型時間和后處理時間等三部分構成。成型時間等于層成型時間及層與層之間處理時間之和。它隨成型方向而變化。第27頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理2.快速成型中的主要切片方式⑵容錯切片

容錯切片基本上避開STL文件三維層次上的糾錯問題，直接在二維層次上進行修復。第28頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理2.快速成型中的主要切片方式⑶適應性切片

適應性切片根據(jù)零件的幾何特征來決定切片的層厚，在輪廓變化頻繁的地方采用小厚度切片，在輪廓變化平緩的地方采用大厚度切片與統(tǒng)一層厚切片方法比較，可以減少Z軸誤差、階梯效應與數(shù)據(jù)文件的長度。第29頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理2.快速成型中的主要切片方式⑷直接適應性切片

直接適應性切片利用適應性切片思想從CAD模型中直接切片?？梢酝瑫r減小Z軸和X-Y平面方向上的誤差。第30頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.1.3三維模型的切片處理3.1快速成型的前處理2.快速成型中的主要切片方式⑸直接切片

不需要轉化為STL格式文件，直接在原始CAD模型進行直接切片，具有如下優(yōu)點：①能減少快速成型的前處理時間；②可避免STL格式文件的檢查和糾錯過程；③可降低模型文件的規(guī)模；④能直接采用PR數(shù)控系統(tǒng)的曲線插補功能，從而提高工件的表面質量；⑤能提高制件的精度。第31頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理從快速成型上取下的制品往往需要進行剝離，以便去除廢料和支撐結構；有得還需要進行后固化、修補、打磨、拋光和表面強化處理等，這些工序統(tǒng)稱為后處理。第32頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理（1）SLA光固化成型的后處理光固化成型的后處理包括原型的清理、去除支撐、后固化以及必要的打磨等工作。以某一SLA原型為例介紹其后處理過程。

1）原型疊層制作結束后，工作臺升出液面，停留5~10min，以曬干滯留在原型表面的樹脂和排除包裹在原型內部多余的樹脂；2）將原型和工作臺網(wǎng)板一起斜方曬干，并將其浸入丙酮、酒精等清洗液體中，攪動并刷掉殘留氣泡；3）原型清洗完畢后，出除支撐結構；4)再次清洗后置于紫外烘箱中進行整體后固化。第33頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理（2）SLS粉末材料燒結成型后處理SLS成型件的金屬半成品需置于加熱爐中燒除粘結劑、燒結金屬粉和滲銅TDP和SLS的陶瓷成型件也需置于加熱爐中燒結粘結劑、燒結陶瓷粉。第34頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理快速成型完畢，制件經常如下缺陷：（1）制件表面不夠光滑；（2）制件的薄壁和某些微小特征結構可能強度、剛度不夠；（3）制件某些尺寸、形狀不夠精確；（4）制件的耐溫性、耐濕性、導電性、導熱性和表面硬度不能達標；（5）制件表面顏色可能不符合產品要求；因此，在快速成型后，一般都必須對制件進行適當?shù)暮筇幚?。?5頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.1剝離剝離是將成型過程中產生的廢料、支撐結構與工件分離。雖然，SLA、FDM和TDP成型基本無廢料，但是有支撐結構，必須在成型后剝離；LOM成型無需專門的支撐結構，但有網(wǎng)狀廢料，也必須在成型后剝離。第36頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.1剝離1.手工剝離手工剝離是操作者用手和一些簡單的工具使廢料、支撐結構與工件分離。2.化學剝離當某種化學溶液能溶解支撐結構而又不會損傷制件時，可用此中化學溶液使支撐結構與工件分離。3.加熱剝離當支撐結構為蠟，而成型材料為熔點較蠟高的材料時，可用熱水或適當溫度的熱蒸汽使支撐結構熔化與工件分離。第37頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.2修補、打磨和拋光

當工件表面有較明顯的小缺陷而需要修補時，可用熱熔性塑料、乳膠與細粉料調和而成的膩子，或濕石膏予以填補，然后用砂紙打磨、拋光。常用工具有各種粒度的砂紙、小型電動或氣動打磨機。對于用紙基材料快速成型的工件，當其上有很小而薄弱的特征結構時，可以先在它們的表面涂覆上一層增強劑，然后再打磨、拋光；也可先將這些部件從工件上取下，待打磨、拋光后再用強力膠或環(huán)氧樹脂粘結、定位。第38頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.3表面涂覆對于快速成型工件，典型的涂覆方法有如下幾種。1.噴刷涂料在快速成型制件表面可以噴刷多種涂料，常用的涂料有油漆、液態(tài)金屬和反應形液態(tài)塑料等。2.電化學沉積采用電化學沉積（又稱電鍍），能在快速成型件的表面涂覆鎳、銅、錫、鉛、鉻、鋅以及鉛錫合金等，涂覆層厚度可達20-50um以上。最高涂覆溫度為60，沉積效率高。第39頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.3表面涂覆2.電化學沉積第40頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.3表面涂覆3.無電化學沉積無電化學沉積（又稱無電鍍），通過化學反應形成涂覆層，它能在制件表面涂覆金、銀、銅、錫以及合金，涂覆層厚可達5-20um/h,涂覆溫度為60，平均沉積率為3-15um/h。沉積前，制件表面須先用60、PH值為12的堿水清洗10min，然后用清水漂洗，并把含鈀的電解液或膠體催化不導電的涂覆表面10min.第41頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.3表面涂覆4.物理蒸發(fā)沉積

又稱物理氣相沉積（PVD)在真空條件下，采用物理方法，將材料源（固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子），并通過低壓氣體過程（或等離子體過程），在基體表面沉積成某種具有特種功能的薄膜技術。第42頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.2快速成型的后處理3.2.3表面涂覆4.物理蒸發(fā)沉積

又稱物理氣相沉積（PVD),在一真空室內進行它可分為三種方式：

（1）熱蒸發(fā)，屬于低粒子能量；（2）濺射，屬于中粒子能量；（3）電弧蒸發(fā)，屬于高粒子能量；包括陰極電弧蒸發(fā)和陽極電弧蒸發(fā)。第43頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念快速成型精度，應包括快速成型系統(tǒng)的精度，以及系統(tǒng)所能制作出來的成型件的精度。前者是后者的基礎，后者遠比前者復雜。這是由于快速成型技術是基于材料累加原理的特殊成型工藝所決定的。第44頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念1.快速成型系統(tǒng)的精度快速成型系統(tǒng)的精度包括軟件和硬件兩部分，對于不同的實現(xiàn)方法具體的精度項目有所不同。軟件部分主要是指CAD模型及層片信息的數(shù)據(jù)表達精度；而硬件部分的精度主要指成型設備的各項精度。第45頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念1.快速成型系統(tǒng)的精度對于掃描法激光固化的快速成型系統(tǒng)應包括：①激光束掃描的精度；②動態(tài)聚焦精度；③托板升降系統(tǒng)的運動精度；④涂層精度。第46頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念2.成型件的精度成型零件的精度類似于制造領域中傳統(tǒng)的零件精度概念，即尺寸精度、形狀位置精度及表面質量。（1）尺寸精度

成型件與CAD模型相比，在X、Y、Z方向上都可能有尺寸誤差。第47頁，共53頁，2022年，5月20日，10點23分，星期三第三章快速成型的前處理、后處理和精度3.3快速成型的精度3.3.1快速成型精度的概念2.成型件的精度（2）形位精度

快速成型時可能出現(xiàn)的形狀誤差主要有：翹曲、扭曲、橢圓度、局部缺陷和遺失特征等。

翹曲誤差應以工件的底平面為基準，測量其最高上面得絕對和相對翹曲變形量。扭曲誤差應以工件的中心線為基準，測量其最大外徑處的絕對