快速成型与制造技术体系分析

作者：清华大学机械工程系 王峰 颜永年

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 我们处在一个信息的时代、一个科学技术 迅猛发展、各种技术迅速融合集成的时代。在这 个时代，快速成型制造技术(RP&M)的产生就 是计算机技术、数控技术、激光和新材料等最新 技术集成的结果，同样它的发展和应用更有赖 于相关技术。经过十几年的发展，已经形成一个 以快速成型技术为核心，包括CAD造型、数据 处理、反求工程，以及工模具制造技术等多项技 术的相对完善的技术体系。下图给出了一个比 较完善典型技术体系。 一、PR＆M技术系统中的信息及信息处理 快速成型技术是信息时代的产物，其技术 系统的核心问题是信息处理，从本质上讲， RP＆M制造技术系统中的各个转换环节都是 信息处理的环节，如数据处理反求工程，原型制 造，快速工模具制造等。 现代系统科学认为，“信息是物质的一种普 遍的基本属性，是关于系统的组织性和复杂性 的规定性及其表征”[1]。因此，不能仅仅认为只 有数字化的信息才是信息。 CAD三维数据模型、表面离散化模型、分 层后的层片文件、扫描矢量文件、数控代码文件 是信息，它们都是数字化的信息，是加工对象几 何信息的不同描述方式。同样由RP＆M技术生 成的原型，由其它成型方式加工而成的零件，或 自然形成的各种实物，同样包含着该对象的三 维几何信息。只不过前者是数字化的信息，而后 者是物理实体。因此可以将RP&M技术系统中 的信息分为数字形态信息和物理形态信息两大 类，而每一类中又有不同的形式(图2)。 RP＆M技术系统中的信息分为两种信息 形态，与之对应RP&M技术系统中的信息转换 可分为数据处理、信息物化、物性转换、实物信 化4种基本形式(图3)。 在快速成型技术系统中，将加工对象的三 维实体模型离散化，得到层片文件，根据不同工 艺进行填充得到扫描矢量文件，进而生成数控 代码文件，这种不同数字形态信息间即不同数 据模型间的转换称之为数据处理；在快速成型 制造过程中，快速成型设备在数控代码的控制 下，逐层加工堆积得到物理原形，这一根据数字 形态信息生成实际的物理实体的过程称之为信 息物化；在将不同物理实体间的转换称之为物 性转换，而将物理实体的几何信息数字化的过 程称之为实物信化。 二、快速成型制造技术体系的基本环节 基于以上分析，可以将RP&M技术体系分 解为几个彼此联系的基本环节： 1．三维CAD造型 利用各种三维CAD软件进行几何造型， 得到零件的三维CAD数字模型，是获得初始 信息的最常用方法。目前较著名的CAD软件 系统主要有 Pro／Engineer， AutoCAD， I— DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其 三维造型方式主要有实体造型和曲面造型，三 维数据格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni— versallFiles等。目前许多CAD软件在目前系 统中加入一些专用模块，将三维造型结果进行 离散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文 件等)或层片模型文件(LEAF文件、CLI文件、 HPGL文件等[3]。 2．反求工程 物理形态的零件是快速成型技术体系中零 件几何信息的另一个重要来源。这里既包括天 然形成的各种几何形体，也包括利用各种技术 手段，如锻造、锻压、焊接、车、铣、刨、磨、堆积等 传统工艺加工而成的几何实体。这些几何实体 同样包含了零件的几何信息，但这些信息必须 通过反求工程进行数字化，方可进行下一步的 处理。反求工程是将三维的物理实体几何信息 数字化的一系列技术手段的总称，它完成实物 信化的功能。反求工程的整个过程主要由两个 部分组成，首先是零件表面数字化，提取零件的 表面三维数据。主要的技术手段有三坐标测量 仪、三维激光数字化仪、工业CT和MRI，以及 自动断层扫描仪等。通过三维数字化设备得到 的数据往往是一些散乱的无序点或线的集合， 还必须对其进行三维重构得到三维CAD模 型，或者层片模型等[4]。 3．数据转换 快速成型系统比绘图仪、打印机要复杂得 多，同时设备工艺也具有更大的多样性，因此利 用快速成型系统制造零件并不像使用打印机、 绘图仪那样简单，只要将CAD系统的文件发 送过去就行了。三维CAD造型或反求工程得 到的数据必须进行大量处理，才能用于控制 RP成型设备制造零件。数据处理的主要过程 包括表面离散化，生成STL文件或CFL文件， 分层处理生成SLC、CLI、HPGL等层片文件， 根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验 和修正并转换为数控代码[3]。目前已经有许多 比较成熟的RP专用数据处理软件面市。如 Bridgeworks and SolidView， Brockware， StlView， Velocity， Z_ Shifter， Rapid Tools， Rapid Prototyping Module，Rapid Tools[5]，以及清华大学激光快速成型中心开发的Lark’98 等。 4.原型制造 即利用快速成型设备将原材料堆积成为三 维物理实体。材料、设备、工艺是快速原型制造 中密切相关的三个基本方面。不同的工艺要求 不同的材料，要求不同的设备来实现。这里材料 问题是一个基本的问题。目前许多制造商可以 提供多种快速原形设备，而且新的工艺设备也 在不断出现。常见的系统有3D Systems的 SLA—250，Helisys的 LOM—2030，Stratasys的 FDM1650，FDM2000，FDM8000，国内清华大 学激光快速成型中心的MRPMS—II等。各种设 备具有不同的特点和局限，有着不同的应用范 围。 5.物性转换 通过快速原形系统制造的零件的力学、物 理性质往往不能直接满足需要，仍然需要进一 步的处理，即对其物理性质进行转换。该环节是 RP&M实际应用的一个重要环节，包括精密铸 造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电 极、陶瓷型精密铸造等多项配套制造技术，这些 技术与RP技术相结合，形成快速铸造、快速模 具制造等新技术。在目前RP制造技术尚不能 直接制造满足工业要求的结构和功能零件的情 况下，这是RP技术走向工业应用的重要桥 梁[5]。 三、技术工具的评价方法 通过以上分析可知：在快速成型技术系统 的各个环节中，都有不同的技术工具，不同的处 理方式。任何技术手段都不是万能的，都不是完 美元缺的，任何技术工具都有自己的特点，既有 独到的优势又有自己的局限。对使用者而言，如 何选用技术工具，对研究开发者而言，如何确定 自己的技术路线，如何给自己的产品进行市场 定位，也就是如何对各种技术工具进行评价成 为首要问题。解决这个问题的一个较好的方法 是从整体上来认识把握它。 任何技术手段都是信息处理的工具，从系 统论的角度看，一个信息处理工具包含3个基 本要素，输入、输出、处理器。如图4所示。 输入输入信息具有什么形式，具有什么 特点。如在数据转换中，输入的是什么格式的数 据，是否存在需要检查修复的错误；在反求工程 中，要测量的物体是什么材料，其几何形状是否 复杂等。 输出系统的输出信息具有什么形式，质 量如何。如快速成型设备所制造的原形材料是 什么，它的精度、表面粗糙度如何，强度硬度如 何，可以制造原形的尺寸范围等。 处理器处理器采取什么样的工作方式， 其可靠性、灵活性等如何。如在数据转换中的算 法问题，快速原形制造中的工艺问题。 信息处理工具的三个基本要素反映了系统 的基本特征。 四、网络时代的快速成型技术体系的研究与集成 通过以上分析可以看出快速成型技术目前 具有以下几个特点： (1)技术系统化快速成型技术已经与其 它相关技术结合形成了一个庞大的技术体系。 任何一项技术必须与其它技术相结合才能发挥 自己的作用。 (2)需求多样化随着快速成型技术的应 用领域不断扩大，人类的实践领域的不断扩大， 对快速成型技术出现了各种各样、干差万别、不 同层次的需求。 (3)技术多样化在快速成型技术体系中 任何一个环节，都有大量的不同技术工具，这些 技术工具都有自己的优点与局限，可以满足不 同的需求。没有什么技术可以占据统治地位。 (4)技术复杂化快速成型技术是多种高 新技术集成的结果，在这个技术体系中任何一 项技术都具有很高的技术含量，都是一个复杂 的技术系统。 (5)技术更新速度不断加快需求、技术的 多样化使得快速成型领域的竞争非常激烈，现 有技术不断改进，新工艺技术不断出现，技术的 更新换代速度越来越快。 显然，任何一个科研机构都不能包揽所有 技术的研究开发，任何一个使用单位都很难拥 有全套技术手段，而快速成型技术的系统化需 要多种技术的集成。网络技术为这个问题提供 了良好的解决方案。不同的研究开发者，不同的 使用者，不同的技术拥有者可以通过计算机网 络联系在一起，形成快速成型技术体系的虚拟 集成系统，组成虚拟研究组织。 网络时代的到来，为快速成型技术领域的 分工与合作，为快速成型技术的发展提供了无 限的空间。图5为快速成型技术体系的虚拟集成示例。 (1)RP&M加技术已经发展为一个技术体 系，该体系从本质上讲是一个信息转换与处理 的体系。在RP8z皿技术体系中信息可分为数字 形态信息和物理形态信息两类，与之对应信息 处理与转换有实物信化、数据处理、信息物化、 物性转换4种基本形式。快速成型技术体系中 的所有技术工具都可以看作一种信息处理系 统，可以以一定的模式进行评价。 (2)快速成型技术领域呈现系统化、多样化、复杂化的特点。网络技术为快速成型技术体 系的发展应用提供了广阔的空间，不同的研究 开发者，不同的制造商，不同的服务中心，可以 通过计算机网络联系在一起实现快速成型技术 的虚拟集成。这是快速成型技术发展的必然趋势。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/26/2007)