快速成形前处理.pptx

第二章 快速成形过程及其前处理快速成形的全快速成形的全过过程可以程可以归纳为归纳为以下三个步以下三个步骤骤：2.1 2.1 快速成形的过程快速成形的过程1)1)前前处处理理它包括它包括工件的三工件的三维维模型的构造模型的构造三三维维模型的近似模型的近似处处理理模型成形方向的模型成形方向的选择选择三三维维模型的切片模型的切片处处理理2)2)分分层层叠加成形：它是快速成形的核心。包括模型截面叠加成形：它是快速成形的核心。包括模型截面轮轮廓廓的制作与截面的制作与截面轮轮廓的叠合。廓的叠合。3)3)后后处处理：它包括工件的剥离、后固化、修理：它包括工件的剥离、后固化、修补补、打磨、抛光、打磨、抛光和表面和表面强强化化处处理等。理等。2.2 2.2 三维模型的构造三维模型的构造首先首先应应在在计计算机上，用三算机上，用三维计维计算算机机辅辅助助设计软设计软件，根据件，根据产产品的要品的要求求设计设计三三维维模型；模型；或将已有或将已有产产品的二品的二维维三三视图转换视图转换成三成三维维模型；模型；或在仿制或在仿制产产品品时时，用，用扫扫描机描机对对已已有的有的产产品品实实体体进进行行扫扫描，得到三描，得到三维维模型模型(图图2 23)3)。在在计计算机或工作站上，用三算机或工作站上，用三维计维计算机算机辅辅助助设计设计(CAD)(CAD)软软件，根据件，根据产产品的要求、可以品的要求、可以设计设计其三其三维维模型，或将已有的模型，或将已有的产产品的二品的二维维三三视图转换视图转换成三成三维维模型。模型。2.2.1 2.2.1 用计算机辅助设计软件构造三维模型用计算机辅助设计软件构造三维模型形体表达方法，其中常形体表达方法，其中常见见的有以下几种：的有以下几种：(1)(1)构造构造实实体几何法体几何法(ConstructiveSolidGeometry(ConstructiveSolidGeometry，简简称称CSGCSG法法)构造构造实实体几何法又称体几何法又称为为积积木木块块几何法几何法(Building-Block(Building-BlockGeometry),Geometry),这这种方法用布种方法用布尔尔(Boolean)(Boolean)运算法运算法则则(并、交、减并、交、减)，将一些，将一些较简单较简单的体素的体素(如立方体、如立方体、圆圆柱体、柱体、环环、锥锥体体)进进行行组组合、合、变变化成复化成复杂杂形状的三形状的三维维模型模型实实体。体。它的它的优优点是：点是：数据数据结结构比构比较简单较简单，无冗余的几何信息，所得到，无冗余的几何信息，所得到的的实实体真体真实实有效、并且能方便地有效、并且能方便地进进行修改；行修改；其缺点是：其缺点是：可用于可用于产产生和修改生和修改实实体的算法有限，构成体的算法有限，构成图图形的形的计计算量很大，比算量很大比较费时较费时。(2)(2)边边界表达法界表达法(BoundaryRepresentation,(BoundaryRepresentation,简简称称 B-repB-rep法法)边边界表达法根据界表达法根据顶顶点、点、边边和面和面构成的表面来精确地描述三构成的表面来精确地描述三维维模型模型实实体。体。这这种方法的种方法的优优点是点是:能快速地能快速地绘绘制立体或制立体或线线框模型。框模型。它的缺点是它的缺点是:数据是以表格形式出数据是以表格形式出现现的，空的，空间间占用量大；修改占用量大；修改设计设计不如不如CSGCSG简单简单。对对于自由曲面于自由曲面,难难于用于用传统传统的体素来的体素来进进行描述，可用参量表行描述，可用参量表达法。达法。其中其中较较好的一种是非均匀有理好的一种是非均匀有理B B样样条法，它能表达复条法，它能表达复杂杂的自的自由曲面，允由曲面，允许许局部修改曲率局部修改曲率,能准确地描述体素。能准确地描述体素。(3)(3)参量表达法参量表达法(ParametricRepresentation)(ParametricRepresentation)单单元表达法起源于分析元表达法起源于分析(如有限元分析如有限元分析)软软件，在件，在这这些些软软件件中，要求将表面离散成中，要求将表面离散成单单元。典型的元。典型的单单元有三角形、正方形元有三角形、正方形或多或多边边形在快速成形技形。在快速成形技术术中采用的三角形近似中采用的三角形近似(将三将三维维模型模型转转化成化成STLSTL格式文件格式文件)，就是一种，就是一种单单元表达法在三元表达法在三维维表面的表面的应应用形式。用形式。(4)(4)单单元表达法元表达法(GellRepresentation)(GellRepresentation)用于构造模型的用于构造模型的计计算机算机辅辅助助设计软设计软件件应应有有较较强强的三的三维维造型功能，造型功能，这这主要是：主要是：实实体造型体造型(S0lidModelling)(S0lidModelling)表面造型表面造型(SurfaceModelling)(SurfaceModelling)功能功能目前快速成形行目前快速成形行业业中常用的中常用的计计算机算机辅辅助助设计软设计软件系件系统统如表如表2.12.1所示。所示。上述上述计计算机算机辅辅助助设计软设计软件件产产生的模型文件生的模型文件输输出格式有多种，出格式有多种，其中常其中常见见的有的有IGESIGES、HPGLHPGL、STEPSTEP、DXFDXF和和STLSTL等。等。(1)IGES(InternationalGraphicsExchangeStandard)(1)IGES(InternationalGraphicsExchangeStandard)IGESIGES是大多数是大多数CADCAD系系统统采用的一种美国采用的一种美国标标准，可支持不同准，可支持不同文件格式文件格式间间的的转转化。化。(2)HPGL(HPGraPhicsLanguage)(2)HPGL(HPGraPhicsLanguage)HPGLHPGL是是HPHP公司开公司开发发的一种用来控制自的一种用来控制自动绘图动绘图机的机的语语言格言格式，它已被广泛地接受，成式，它已被广泛地接受，成为为一一项项事事实标实标准。准。这这种表达格式种表达格式的基本构成是描述的基本构成是描述图图形的矢量，用形的矢量，用X X相相y y坐坐标标来表示矢量的起来表示矢量的起点与点与终终点点,以及以及绘图绘图笔相笔相应应的拾起和放下。的拾起和放下。一些快速成形系一些快速成形系统统也用也用HPGLHPGL来来驱动驱动它它们们的成形的成形头头。STEPSTEP是一种正在逐步国是一种正在逐步国际标际标准化的准化的产产品数据交品数据交换标换标准。目准。目前，典型的前，典型的CADCAD系系统统都能都能输输出出STEPSTEP格式文件。格式文件。有些快速成形技有些快速成形技术术的研究工作者正的研究工作者正试图试图借助借助STEPSTEP格式，不格式，不经经STLSTL格式的格式的转转化，直接化，直接对对三三维维CADCAD模型模型进进行切片行切片处处理，以便提理，以便提高快速成形的精度。高快速成形的精度。(3)STEP(StandardforTheExchargeofProduct)(3)STEP(StandardforTheExchargeofProduct)(4)DXF(4)DXFDXFDXF是用于是用于AutoCADAutoCAD输输出的一种格式，它以广泛的出的一种格式，它以广泛的为为其他其他PCPC系系统统所采用。所采用。(5)STL(5)STLSTLSTL格式格式 是快速成形机普遍采用的一种格式。是快速成形机普遍采用的一种格式。软件是软件是 RP的灵魂。的灵魂。因为因为RP是一种由是一种由CAD模型模型直接直接驱动、计算机控制下的全自驱动、计算机控制下的全自动加工技术，从动加工技术，从CAD模型到生成最终数控代码的全过程都是由模型到生成最终数控代码的全过程都是由计算机软件完成的，因此软件在计算机软件完成的，因此软件在RP制造中占据了制造中占据了极其重要的地极其重要的地位位，软件的好坏对，软件的好坏对RP加工的效率与制件质量有很大影响。加工的效率与制件质量有很大影响。STL（STereo Lithography interface specification）文件：是）文件：是一种在一种在CAD与与RP系统之间交换数据的格式化文件。系统之间交换数据的格式化文件。该文件的特点：该文件的特点：格式简单，对三维模型建模无特定要求。是格式简单，对三维模型建模无特定要求。是快速成形系统中标准数据输入格式。快速成形系统中标准数据输入格式。2.3 2.3 三维模型的近似处理三维模型的近似处理一、一、STL模型的表示方法模型的表示方法 STLSTL格式文件格式文件是存放在是存放在CAD模型表面的离散化三角形面片模型表面的离散化三角形面片数据。且对三角形面片的存储顺序无任何要求。数据。且对三角形面片的存储顺序无任何要求。STL文件有两种格式：文件有两种格式：即即二进制二进制和和文本格式文本格式。1、二进制、二进制STL文件格式是：文件格式是：将三角形面片数据的将三角形面片数据的3个顶点的坐标个顶点的坐标(X，Y、Z)和和1个法向量个法向量(N)来描述来描述(如图所示如图所示)。三角形的大小是。三角形的大小是可以选择的、从而能得到不同的曲面近似精度。可以选择的、从而能得到不同的曲面近似精度。经过上述近似处理的三维模型文件称为经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件。每个格式文件。每个单片占用单片占用50B的存储空间。的存储空间。三角形的表示三角形的表示2、文本、文本STL文件文件是将数据以数是将数据以数字字符窜的形字字符窜的形式存储，平均式存储，平均一个单片占用一个单片占用150B的存储空的存储空间。间。二、二、STL文件的存储格式文件的存储格式二进制二进制STL文件格式示例文件格式示例近似精度要求愈高，近似精度要求愈高，选选取的三角形取的三角形应该应该愈多，但是愈多，但是过过高的要求也是不必要的，以免所需三用形的数目和高的要求也是不必要的，以免所需三用形的数目和计计算机的存算机的存储储容量容量过过大，数据大，数据处处理州日理州日过长过长。（一）（一）STLSTL格式的格式的规则规则三、三、STL文件的文件的一致性规则一致性规则及及错误错误（1 1）共）共顶顶点点规则规则：每一个小三角形平面必每一个小三角形平面必须须与每个相与每个相邻邻的小三角形平面的小三角形平面共用两个共用两个顶顶点。也就是点。也就是说说，一个小三角形平面的，一个小三角形平面的顶顶点不能落点不能落在相在相邻邻的任何一个小三角形平面的的任何一个小三角形平面的边边上。上。（2 2）取向）取向规则规则：用小三角形平面中的用小三角形平面中的顶顶点排序来确定表面是点排序来确定表面是内表面内表面或或外外表面表面，反反时针时针的的顶顶点排序表示点排序表示该该表面表面为为外表面（外表面（图图a a），），顺时顺时针针的的顶顶点排序点排序表示表示该该表面表面为为内表面内表面(图图b)b)。按照右手法。按照右手法则则来判来判断。断。(3)(3)取取值规则值规则每个小三角形平面的每个小三角形平面的顶顶点坐点坐标值标值必必须须是正数，零和是正数，零和负负数是数是错误错误的。的。(4)(4)合法合法实实体体规则规则STLSTL格式文件不得格式文件不得违违反合法反合法实实体体规则规则，即在三，即在三维维模型模型的所有表面上，必的所有表面上，必须须布布满满小三角形平面。小三角形平面。不得有任何不得有任何遗遗漏漏(即不能有裂即不能有裂缝缝或孔洞或孔洞)；不能有厚度不能有厚度为为零的区域；零的区域；外表面不能从其本身穿外表面不能从其本身穿过过。相邻两个三角形之间只有一个公共边相邻两个三角形之间只有一个公共边，即必须共享两个顶点即必须共享两个顶点组组成三角形的每一条有且只有两个三角形面片之相成三角形的每一条有且只有两个三角形面片之相连连。三角形面片的法向矢量要求指向三角形面片的法向矢量要求指向实实体外部，三体外部，三顶顶点排点排列列顺顺序与外法矢之序与外法矢之间间的关系要符合右手法的关系要符合右手法则则。总总之之（二二）STL文件的文件的错误：错误：无效法矢无效法矢重叠面片重叠面片裂缝裂缝漏洞漏洞非正则形体非正则形体(1)(1)出出现现了了违违反共反共顶顶点点规则规则的三角形的三角形(2)(2)出出现现了了违违反取向反取向规则规则的三角形的三角形进进行行STLSTL格式格式转换时转换时，会因未按正确的，会因未按正确的顺顺序排列构成三序排列构成三角形的角形的顶顶点而点而导导致致计计算所得法向量的方向相反。算所得法向量的方向相反。为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。向量方向与相邻的一些三角形的法向量加以比较。(3)3)出出现错误现错误的裂的裂缝缝或孔洞或孔洞进进行行STLSTL格式格式转换时转换时，由于数据舍入的，由于数据舍入的误误差会造成一个点差会造成一个点同同时处时处于多个位置，因此，在于多个位置，因此，在显显示的示的STLSTL格式模型上。会有格式模型上。会有错错误误的孔洞或裂的孔洞或裂缝缝，违违反充反充满规则满规则。此此时时，应应在在这这些孔洞或裂些孔洞或裂缝缝中增中增补补若干小三角形平面，从若干小三角形平面，从而消除而消除错误错误。进进行行STLSTL格式格式转换时转换时，若，若转换转换精度精度选择选择不当，会出不当，会出现现三角形三角形过过多或多或过过少的少的现现象。象。当当转换转换精度精度选挥过选挥过高高时时，使，使产产生的三角形生的三角形过过多，所占用的多，所占用的文件空文件空间间量太大，可能超出快速成形系量太大，可能超出快速成形系统统所能接受的范所能接受的范围围，并，并出出现现一些莫名其妙的一些莫名其妙的错误错误，导导致成形困致成形困难难；当当转换转换精度精度选挥过选挥过低低时时，使，使产产生的三角形生的三角形过过少，造成成形少，造成成形件的形状、尺寸精度不件的形状、尺寸精度不满满足要求；足要求；遇到有上述情况遇到有上述情况时时，应应适当适当调调整整STLSTL格式的格式的转换转换精度。精度。(4)(4)三角形三角形过过多或多或过过少少当三当三维维CADCAD模型上有非常小的特征模型上有非常小的特征结结构构(如很窄的如很窄的缝缝隙、隙、肋条或很小的凸起等肋条或很小的凸起等)时时，可能，可能难难于在其上布置足于在其上布置足够够数目的数目的三角形小平面，致使三角形小平面，致使这这些特征些特征结结构构遗遗漏或形状出漏或形状出错错，或者在，或者在后后续续的切片的切片处处理理时时出出现错误现错误、混乱。、混乱。(5)(5)微小特征微小特征遗遗漏或出漏或出错错对对于于这类问题这类问题，比，比较难较难于解决。因于解决。因为为如果要想用更高的如果要想用更高的转换转换精度精度(即更小尺寸和更多数目的三角形小平面即更小尺寸和更多数目的三角形小平面)，以及更小的，以及更小的切片切片间间隔，来克服隔，来克服这类这类缺陷，必然会使占用的文件空缺陷，必然会使占用的文件空间间量更量更大，造成快速成形系大，造成快速成形系统统的困的困难难。用于用于观观察和察和编辑编辑(修改修改)STL)STL格式文件的格式文件的专专用用软软件件(表表2-4)2-4)。下面以下面以MagicsMagics为为例来例来说说明明这类软这类软件的功能：件的功能：(1)(1)观观察察(Visualisation)(Visualisation)借助借助观观察察这这个功能，可以个功能，可以对显对显示的模型立体阴影示的模型立体阴影图图，进进行如同行如同摄摄像机控制方式的随意旋像机控制方式的随意旋转转、观观察；察；还还可用剖可用剖视视得得到截面，从而到截面，从而观观察模型的内部。察模型的内部。(2)(2)测测量量(Measuring)(Measuring)在在STLSTL格式文件所表达的模型上，格式文件所表达的模型上，进进行点与点、行点与点、线线与与线线、弧与弧之弧与弧之间间的三的三维测维测量，并且打印出量，并且打印出测测量量结结果。果。(4)(4)修改修改Reparation)Reparation)对对STLSTL格式文件中的格式文件中的错误进错误进行修改，例如行修改，例如缝缝合、填充合、填充裂裂缝缝、调调整法整法线线等。等。(3)(3)变换变换(Manipu1ation)(Manipu1ation)不必返回不必返回CADCAD系系统统，就可，就可对对STLSTL格式文件所表达的模型格式文件所表达的模型进进行行变换变换，如布，如布尔尔(逻辑逻辑)运算、分割、减少三角形的数量、运算、分割、减少三角形的数量、复制、复制、镜镜射和射和缩缩放。放。5)5)为为成形作准成形作准备备(WorkPreparation)(WorkPreparation)为为了按照要求的方位在快速成形机上制作工件，了按照要求的方位在快速成形机上制作工件，MagicsMagics能能对对STLSTL格式文件所表达的模型格式文件所表达的模型,进进行移行移动动、旋、旋转转、套做和切片，并且估套做和切片，并且估计计制作制作时间时间和和报报价。价。(6)(6)生成文撑生成文撑结结构构(SupportGeneration)(SupportGeneration)提供多种不同的文撑提供多种不同的文撑结结构及构及其其组组合。下合。下图图所示所示为为生成的一生成的一种脚手架式支撑种脚手架式支撑结结构，构，这这种种结结构具有构具有节节省制作省制作时间时间、节节省材省材料和易于剥离的待点。料和易于剥离的待点。2.4 STL格式的优缺点及其改进格式格式的优缺点及其改进格式1、STL格式的优点格式的优点1）格式简单）格式简单2）与）与CAD建模方法无关；建模方法无关；2、STL格式的缺点格式的缺点1）数据冗余，文件庞大，网络传输效率很低；数据冗余，文件庞大，网络传输效率很低；2）使用小三角形平面来近视三维曲面，存在曲面误差；）使用小三角形平面来近视三维曲面，存在曲面误差；3）缺乏拓扑信息，容易产生错误，切片算法复杂；）缺乏拓扑信息，容易产生错误，切片算法复杂；4)针对以上缺点，在快速成形机上，出现了多种代替针对以上缺点，在快速成形机上，出现了多种代替STL文件接口形文件接口形 式，如式，如SLC、CLl、HP/GL、IGES、STEP、RPI、RIJI、LtAF相相SIF等几等几 种。其中种。其中PowerRP软件能支持改进的接口格式软件能支持改进的接口格式CS。3、改进格式应具备的条件：、改进格式应具备的条件：1）与）与STL文件兼容；文件兼容；2）与）与STL文件相比，能显著减少文件尺寸，且具有模型文件相比，能显著减少文件尺寸，且具有模型拓扑信息，易拓扑信息，易 于于RP软件重构模型拓扑结构；软件重构模型拓扑结构；3）格式要求简单，并于）格式要求简单，并于CAD建模无关建模无关。4 4、RPRP软软件介件介绍绍RPRP软软件从功能件从功能侧侧重点上主要分重点上主要分为为两种：两种：第三方第三方和和专专用用RPRP软软件。件。(1)(1)独立第三方独立第三方RPRP软软件件输输入的数据文件格式有入的数据文件格式有STLSTL、IGESIGES、DXFDXF、HPGLHPGL，CTCT层层片文件等。片文件等。国外主要第三方国外主要第三方RPRP软软件有：件有：1)BridgeWorks1)BridgeWorks是美国是美国SolidConceptSolidConcept公司于公司于19921992年推出；年推出；2)SolidView,2)SolidView,是美国是美国SolidConceptSolidConcept公司于公司于19941994年推出；年推出；3)STLManager3)STLManager，是美国，是美国POGOPOGO公司于公司于19941994年推出；年推出；4)STLView,4)STLView,是美国工程是美国工程师师在在业业余余时间时间所写的所写的软软件；件；5)Surfacer-RPM5)Surfacer-RPM，这这是美国是美国ImagewareImageware公司于公司于19941994年年为为其其SurfacerSurfacer软软件增加的数据件增加的数据处处理模理模块块;6)Magics6)Magics软软件是比利件是比利时时推出的基于推出的基于STLSTL文件的通用文件的通用RPRP数据数据处处理理软软件，使当今最具影响力的件，使当今最具影响力的软软件，件，应应用极广。用极广。其主要功能有：其主要功能有：1 1、STLSTL文件的文件的显显示、示、测测量、量、编辑编辑、纠错纠错和切片；和切片；2 2、切片、切片轮轮廓的正确性廓的正确性验证验证，模型各部件，模型各部件间间的冲突的冲突检测检测；3 3、布、布尔尔运算（包括模型的拼接和任意划分，添加运算（包括模型的拼接和任意划分，添加导导流管等流管等功能）功能）4 4、模型加工、模型加工时间预测时间预测、报报价（依耐特定的价（依耐特定的RPRP设备设备）；）；5 5、模型的、模型的镂镂空，三位偏置；空，三位偏置；6 6、对对STLSTL模型添加模型添加FDMFDM，SLASLA工工艺艺要求的支撑要求的支撑结结构。构。(2)RP(2)RP系系统统制造商开制造商开发发的的专专用用软软件件RPRP系系统专统专用用软软件，使件，使针对设备针对设备操作人操作人员员而开而开发发的的软软件，操作件，操作简简单单。1 1、3D Systems3D Systems公司的公司的ACESACES和和QuickastQuickast；2 2、HellisysHellisys公司的公司的LOMSliceLOMSlice；3 3、DTM RapidDTM Rapid公司的公司的TONNLTONNL；4 4、StratasysStratasys公司的公司的QuickSliceQuickSlice，SupportWorksSupportWorks和和AutoGenAutoGen；5 5、CubitalCubital公司的公司的SoliderDFE;SoliderDFE;6 6、Sander PrototypeSander Prototype公司的公司的ProtoBuildProtoBuild和和ProtoSupportProtoSupport等。等。国外的主要国外的主要专专用用软软件有：件有：(3)PowerRP(3)PowerRP简简介介PowerRPPowerRP是是华华中科技大学独立开中科技大学独立开发发的基于的基于HRPHRP系列快速成形机的系列快速成形机的RPRP数据数据处处理及理及NCNC加工加工软软件。件。2 2）独有）独有“容容错错”切片功能；切片功能；3 3）功能完）功能完备备；如；如图图2-212-21。4 4）操作）操作简单简单，可用性，可用性强强，易于学易于学习习，如，如图图2-222-22。它具有以下特点：它具有以下特点：1 1）采用）采用“虚虚拟拟机机”机制，可支持机制，可支持HRPHRP全系列快速成形全系列快速成形设备设备，包括包括LOMLOM，SLSSLS，SLASLA和和FDMFDM等十余种硬件型号。等十余种硬件型号。图图2-22PowerRP2-22PowerRP的用的用户户界面界面 2.5 2.5 模型成形方向的选择模型成形方向的选择将工件的三将工件的三维维STLSTL格式文格式文输输入快速成形机后，可以用机器入快速成形机后，可以用机器中的中的STLSTL格式文件的格式文件的显显示示软软件，使模型旋件，使模型旋转转，从而得到不，从而得到不同的成形方向。成形方向会同的成形方向。成形方向会对对工件品工件品质质(尺寸精度、表面尺寸精度、表面粗糙度、粗糙度、强强度等度等)、材料成本和制作、材料成本和制作时间产时间产生很大的影响。生很大的影响。2.5.12.5.1成形方向成形方向对对工件品工件品质质的影响的影响一般而言，一般而言，应该应该将精度要求将精度要求较较高的高的轮轮廓廓(例如，有例如，有较较高配高配合精度要求的合精度要求的圆圆柱、柱、圆圆孔孔)，尽可能放置在，尽可能放置在xyxy平面。平面。影响其精度的主要因素是影响其精度的主要因素是台台阶阶效效应应和和基底的卷曲基底的卷曲，应应避免成避免成形大截面的其底。形大截面的其底。不同的成形方向会不同的成形方向会导导致不同的材料消耗量。致不同的材料消耗量。对对于需要外支撑于需要外支撑结结构的快速成形，如构的快速成形，如SLASLA和和FDMFDM，材料的，材料的消耗量消耗量应应包括制作支撑包括制作支撑结结构的可构的可观观的材料需求。的材料需求。总总材料消材料消耗量耗量还还取决于原材料的回收和再使用；取决于原材料的回收和再使用；对对于于SLSSLS成形，由于工件的体成形，由于工件的体积积是恒定的。成形是恒定的。成形时时未未烧烧结结的原材料可再使用，因此、无的原材料可再使用，因此、无论论什么成形方向所需的材什么成形方向所需的材料几乎都相同；料几乎都相同；对对于于LOMLOM成形成形，由于其由于其废废料部分不能再用于成形，因此料部分不能再用于成形，因此材料消耗量与不同成形方向材料消耗量与不同成形方向时产时产生的生的废废料量有很大的关系。料量有很大的关系。2.5.22.5.2成形方向成形方向对对材构成本的影响材构成本的影响工件的成形工件的成形时间时间由由前前处处理理时间时间、分分层层叠加成形叠加成形时间时间和和后后处处理理时间时间等三部分构成。等三部分构成。其中：其中：前前处处理是成形数据的准理是成形数据的准备过备过程，通常只占程，通常只占总总制作制作时间时间的很的很小部分因此，可以不考小部分因此，可以不考虑虑因成形方向的改因成形方向的改变变所所导导致前致前处处理的理的时间变时间变化。化。后后处处理理时间时间取决于工件的复取决于工件的复杂杂程度和所采用的成形方法。程度和所采用的成形方法。2.5.32.5.3成形方向成形方向对对制作制作时间时间的影响的影响对对于无需支撑于无需支撑结结构的成形，后构的成形，后处处理理时间时间可以看作与成形可以看作与成形 方向无关方向无关。当需要支撑当需要支撑结结构构时时，后，后处处理理时间时间与支撑的体与支撑的体积积有关，因有关，因此与成形方向有关。此与成形方向有关。成形成形时间时间等于等于层层成形成形时间时间及及层层与与层层之之间间的中的中间处间处理理时间时间之和，之和，它随成形方向而它随成形方向而变变化。化。TiTintntw w+(V/z)t+(V/z)tu u式中，式中，TiTi总总成形成形时间时间；nn层层数；数；t tw w层层与居之与居之间间的中的中间处间处理理时间时间；V V一需成形的材料体一需成形的材料体积积；zz一一层层厚；厚；tutu单单位材料面位材料面积积所需的固化所需的固化时间时间。对对于需要支撑于需要支撑结结构的成形，不同的工件成形方向可能构的成形，不同的工件成形方向可能导导致不同的文撑致不同的文撑结结构的体构的体积积，因此会影响成形，因此会影响成形时间时间。对对于于SLASLA、SLSSLS和和FDMFDM成形，成形成形，成形时间时间可以用下面的公式表达；可以用下面的公式表达；例：例：图图2.25a)2.25(a)所示工件，可有所示工件，可有图图(b)(b)、(c)(c)和和(d)(d)三种成形方向。三种成形方向。当采用不同的成形工当采用不同的成形工艺时艺时，对对成形各种指成形各种指标标的影响分析如下：的影响分析如下：对对于于SLASLA成形，成形，优优化成形方向如化成形方向如图图2 225(b)25(b)所示。采取所示。采取这这种成形方向种成形方向时时，由于支撑，由于支撑结结构少，因此材料成本低。构少，因此材料成本低。对对于于FDMFDM成形成形优优化成形方向也如化成形方向也如图图(b)(b)所示。所示。对对于于LOMLOM成形，成形，优优化成形方向如化成形方向如图图(c)(c)所示。所示。采取采取这这种种成形方向成形方向时时。工件的成形高度小，。工件的成形高度小，材料成本低。材料成本低。对对于于SLSSLS成形，成形，优优化成形方向如化成形方向如图图(c c)所示。所示。这这是因是因为为，虽虽然然图图b)b)和和图图(c c)所示方向的材料成所示方向的材料成本相同，但是，本相同，但是，图图(c)(c)所示方向的成形所示方向的成形时间时间短、短、工件精度工件精度较较高。高。2.6 2.6 三维模型的切片处理三维模型的切片处理RP软件遵循一个基本一致的信息处理流程（见图软件遵循一个基本一致的信息处理流程（见图2-7）包括两个部分：包括两个部分：二维层面数据生成二维层面数据生成加工路径的生成加工路径的生成三三维设计维设计实实物物反求工程反求工程C CA AD D模模型型STLSTL文件文件切片切片二二维维层层面面数数据据加加工工路路径径生生成成快快速速成成形形制制造造直接切片直接切片由于快速成形是按一由于快速成形是按一层层层层截面截面轮轮廓来廓来进进行加工的，因此，行加工的，因此，加工前必加工前必须须在三在三维维模型上，用切片模型上，用切片软软件，沿成形的高度方向，件，沿成形的高度方向，每隔一定的每隔一定的间间隔隔进进行切片行切片处处理，以便提取截面的理，以便提取截面的轮轮廓。廓。间间隔的大小，根据被成形件精度和生隔的大小，根据被成形件精度和生产产率的要求来率的要求来选选定。定。间间隔愈小，精度愈高，但成形隔愈小，精度愈高，但成形时间时间愈愈长长；否；否则则反之。反之。间间隔的范隔的范围为围为0.010.010.5mm0.5mm，常用，常用0.1mm0.1mm左右，在此取左右，在此取值值，能得到相当光，能得到相当光滑的成形曲面。滑的成形曲面。切片切片间间隔隔选选定之后，成形定之后，成形时时每每层层叠加的材料厚度叠加的材料厚度应应与其相与其相适适应应。显显然，刀片然，刀片间间隔不得小于每隔不得小于每层层叠加的最小材料厚度。叠加的最小材料厚度。切片处理的实质是：切片处理的实质是：将几何模型将几何模型变变成成轮轮廓廓线线表述，表述，这这些些轮轮廓廓线线代表模型在切片代表模型在切片层层上的上的边边界，它由一个个以界，它由一个个以Z Z轴轴正方向正方向为为法向的平面与法向的平面与lTLlTL格式化的模型相交格式化的模型相交计计算而得到，其算而得到，其过过程如下：程如下：1)1)将三将三维维模型如模型如图图(a)(a)所示所示转转化成的化成的STLSTL格式格式文件如文件如图图(b)(b)输输入到快速成入到快速成形机。形机。2)2)沿沿Z Z方向，自下而上，每方向，自下而上，每间间隔一定高度隔一定高度(如如0.1mm)0.1mm)，逐一用以逐一用以Z Z轴轴正方向正方向为为法向法向的平面与的平面与STLSTL格式化的模型格式化的模型相交，求取它相交，求取它们们的交点如的交点如图图(c)(c)。3)3)将交点按右手法将交点按右手法则则排序并排序并连连成成环环路路(Loop)(Loop)，即外，即外环环按反按反时针时针排序，内排序，内环环按按顺时针顺时针排序排序(如如图图2-27)2-27)，用关，用关键词键词指明其指明其开始和开始和结结束。束。4)4)由相由相应应的的环环路构成各路构成各层层的的轮轮廓廓线线如如图图2-26(d)2-26(d)和和图图2-272-27。图图2.282.28所示所示为为一种切片程序框一种切片程序框图图。首先，首先，读读入入STLSTL格式文件，并将所格式文件，并将所有三角形面的有三角形面的顶顶点坐点坐标标乘以一个乘以一个较较大的数大的数(如如5000)5000)，使其，使其变为变为整整数，以利于提高运算速度。数，以利于提高运算速度。将所有平行于将所有平行于xyxy平面的三角形面平面的三角形面选选作表作表层层(如工件的底面或如工件的底面或顶顶面面)，剩下的三角形面都用来，剩下的三角形面都用来计计算是否与算是否与Z Z0 0+nZ+nZ相交。相交。其中，其中，Z Z0 0为为模型的最底模型的最底层层的的Z Z面面;ZZ为为切片切片层层厚度厚度;nn为层为层数数.如果相交，如果相交，则则交交线为轮线为轮廓廓线线，使交，使交线线彼此彼此顺顺序序头头、尾相、尾相接，接，组组成成环环。最后，确定。最后，确定x x、y y方向的网格方向的网格线线。切片的分层方法切片的分层方法，可根据有、无反，可根据有、无反馈实际馈实际成形高度而分成形高度而分为为以以下两下两类类：(1)(1)开开环环分分层层开开环环分分层层是根据所是根据所选选定的定的层层厚厚进进行分行分层层及及预预切片。并将切片。并将各各层层的数据存的数据存储储于相于相应应的数据文件中，成形的数据文件中，成形时顺时顺序序调调用各用各层层的数据，控制快速成形机完成工件的制作。的数据，控制快速成形机完成工件的制作。特点：特点：这这种分种分层层方法比方法比较简单较简单，它能保，它能保证总证总的叠加的叠加层层数，但数，但无法保无法保证证成形件每一高度成形件每一高度处处的截面的截面轮轮廓精确符合模型相廓精确符合模型相应应高高度度处处的截面的截面轮轮廓。廓。当工件的高度方向有当工件的高度方向有圆轮圆轮廓廓时时，用开，用开环环分分层层成形往往会造成成形往往会造成工件有工件有较较明明显显的的椭圆椭圆度。度。闭环闭环分分层层是：根据正在成形的工件的每是：根据正在成形的工件的每层实测层实测高度，高度，实时对实时对STLSTL模型模型进进行切片，行切片，获获取相取相应应截面截面层层的数据，并控制快速成的数据，并控制快速成形机形机进进行工件的制作。行工件的制作。特点：特点：这这种分种分层层方法能保方法能保证证成形件每一高度成形件每一高度处处的截面的截面轮轮廓廓较较精确符合模型相精确符合模型相应应高度高度处处的截面的截面轮轮廓，但需采用精密的高度廓，但需采用精密的高度测测量量传传感器和感器和实时实时切片切片计计算。算。(2)(2)闭环闭环分分层层根据根据层层厚厚是否是否为为定定值值，分，分层层方法又可以分方法又可以分为为以下两以下两类类：（1 1）等厚度分）等厚度分层层采用等厚度分采用等厚度分层时层时，不，不论论工件在不同高度部位的形状复工件在不同高度部位的形状复杂杂程度差程度差别别，自下而上均按相等的，自下而上均按相等的层层厚厚进进行切片。行切片。特点：特点：这这种分种分层层方法比方法比较简单较简单，但是当，但是当选选定的定的层层厚厚较较大大时时，容容易造成工件易造成工件较较大的大的误误差；当差；当选选定的定的层层厚厚较较小小时时，虽虽然可然可较较好好地保地保证证工件精度，却会使成形效率降低。工件精度，却会使成形效率降低。适适应应(adaPtive)(adaPtive)性分性分层层的基本思想是：的基本思想是：根据成形件的特征根据成形件的特征(如表面曲率和斜率如表面曲率和斜率)，自，自动调动调整切片整切片层层厚、从而在高生厚、从而在高生产产率下得到率下得到较较精确的成形表面。精确的成形表面。即：在重要的即：在重要的变变截面区段作精截面区段作精细细切片，而在不重要的恒定截面切片，而在不重要的恒定截面区段作区段作较较极厚的切片；极厚的切片；(2)(2)适适应应性分性分层层当某一高度当某一高度处处的截面与前一个截面的截面与前一个截面具有相同的几何特征具有相同的几何特征时时，忽略此截，忽略此截面，面，继续寻继续寻求最大厚度的切片截面，求最大厚度的切片截面，如果如果这这个厚度个厚度层层的切片截面仍与前的切片截面仍与前一个截面相等，将在另一个更高的一个截面相等，将在另一个更高的高度高度处进处进行切片、如果不相等，行切片、如果不相等，则则在起初截面与最大厚度在起初截面与最大厚度处处截面中截面中间间选择选择一个中一个中间间截面。截面。直接切片（直接切片（directslicingdirectslicing）该该方法是方法是绕绕开开STLSTL