二、u激光/u快速成型技術(shù)的原理及特點(diǎn)有人曾向一位雕塑大師(米開(kāi)朗基羅/羅丹?)請(qǐng)教雕塑的秘訣，大師回答說(shuō)“留下你所需要的，去除你所不要的”，令請(qǐng)教者大失所望。其實(shí)，大師說(shuō)出的正是雕塑的技術(shù)真諦――材料去除法。傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術(shù)中大部分也是遵循這一方法的，如車削、銑削、鉆削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進(jìn)行成形，如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的成形原理――分層加工、迭加成形。對(duì)于學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)的人來(lái)說(shuō)，這種原理并不陌生。在定積分的應(yīng)用中，曾講到母線是已知曲線的旋轉(zhuǎn)體體積計(jì)算和平行截面已知的立體體積計(jì)算，兩者都是取厚度為△Xi的截面，近似地看成是扁圓柱體或曲邊柱體，然后加以迭加：當(dāng)‖△x‖→O時(shí)，就分別得到旋轉(zhuǎn)體或平行截面已知立體的體積。地形地貌是由復(fù)雜曲面構(gòu)成的，但是，只要我們測(cè)繪出不同高度的等高線，就可以據(jù)此在平板上切割出大小、形狀各異的曲邊平面(當(dāng)然，板厚與相鄰兩條等高線之間的高度差應(yīng)符合地形圖的比例尺)，然后再把它們層疊起來(lái)，只要等高線取得足夠密，就可以制作成逼真的地形模型。目前，按照這種分層加工、迭加成形原理開(kāi)發(fā)出的激光快速成形機(jī)有很多種，在此擇其主要的幾種作一概要的介紹：1、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化(SLA:Strreolithographypparatus立體平板印刷u設(shè)備/u)1902年美國(guó)的一項(xiàng)專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美國(guó)的又一項(xiàng)專利提出用激光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂分層制作三維實(shí)體的快速成形方案，美國(guó)3DSYSTEMS公司據(jù)此于1988年生產(chǎn)出第一臺(tái)激光快速成形機(jī)SLA-250。這種激光快速成形機(jī)所使用的構(gòu)形材料是一種液態(tài)光敏聚合物，在紫外光的照射下會(huì)發(fā)生聚合固化反應(yīng)，由液態(tài)變成固態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是：能直接得到類似塑料的樹(shù)脂件，且表面粗糙度較小。其缺點(diǎn)是：(1)成形過(guò)程中的化學(xué)和物理變化使得尺寸精度不易保證，且會(huì)發(fā)生蠕變；

(2)須對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描固化，成形時(shí)間較長(zhǎng)，成形后要進(jìn)一步固化處理；

(3)由于未被激光束照射的部分仍為液態(tài)，因此對(duì)于懸伸部分要事先設(shè)計(jì)支撐，固化后再去除；

(4)光敏樹(shù)脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好，工作溫度不能超過(guò)100℃，會(huì)吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強(qiáng)，且價(jià)格昂貴(140-2404/kg)；

(5)產(chǎn)生紫外激光的激光管壽命2000小時(shí)左右。2、薄型材料選擇性切割(LOM:Laminatedbjeetanufacturing分層物體制造)這種激光快速成形所使用的構(gòu)形材料是事先涂有熱熔膠的紙，其成形過(guò)程與前面所述的制作地形模型的過(guò)程相似。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)尺寸精度較高；

(2)只須對(duì)輪廓線進(jìn)行切割，制作效率高；
(3)無(wú)需設(shè)計(jì)支撐；

(4)制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，稍作處理后可在200℃以下環(huán)境中使用，可進(jìn)行一定的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器壽命達(dá)20000小時(shí)；
(6)構(gòu)形材料價(jià)格便宜(8/kg)。其缺點(diǎn)是：(1)不能直接制作塑料件；
(2)表面粗糙度較高，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；
(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；

(4)工件缺少?gòu)椥浴?、絲狀材料選擇性熔復(fù)(FDM:Fusedepositionodeling熔積成形)這種快速成型機(jī)所使用的構(gòu)形材料是絲狀熱塑性材料，其工作原理類似于標(biāo)花蛋糕的制作，絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，按照截面形狀涂覆在工作臺(tái)上，并快速冷卻固化，一層完成后噴頭上升一個(gè)層高，再進(jìn)行下一層的涂覆。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度較高；
(3)材料利用率高。其缺點(diǎn)是：(1)表面粗糙度較高，需后處理；
(2)成形時(shí)間較長(zhǎng)；
(3)材料昂貴(250-458/kg)；

(4)懸臂結(jié)構(gòu)處要設(shè)置支撐，不過(guò)新型FDM快速成形機(jī)上設(shè)置了兩個(gè)噴頭，一個(gè)噴成形材料，另一個(gè)噴支撐材料，并且支撐材料可以進(jìn)行水溶去除，減小了后處理時(shí)間。4、粉末材料選擇性燒結(jié)(SLS:Selectedaserintering選擇性激光燒結(jié))這種快速成型機(jī)的工作原理與SLA相仿，不過(guò)所用成形材料不是液態(tài)的光敏樹(shù)脂，而是粉末狀的高分子材料、金屬或陶瓷與粘結(jié)劑的混合物等，粉粒直徑為50-125m，成形時(shí)先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料，并加熱至略低于熔化溫度，然后激光束按照截面形狀進(jìn)行掃描，被掃描的部分材料熔化、粘接成形，不被掃描的粉未材料仍呈粉粒狀作為工件的支撐，一層完成成形后，工作臺(tái)下降一個(gè)層高，再進(jìn)行下一層的鋪料和燒結(jié)：[HJ]其優(yōu)點(diǎn)是：(1)可直接得到塑料、陶瓷或金屬件，可加工性好；

(2)無(wú)需設(shè)計(jì)支撐。其缺點(diǎn)是：(1)成形件結(jié)構(gòu)疏松多孔，表面粗糙度較高；
(2)成形效率不高；

(3)得到的塑料、陶瓷或金屬件遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)成形方法得到的同類材質(zhì)工件，需進(jìn)行滲銅等后處理，但在后處理中難于保證制件尺寸精度。通過(guò)對(duì)以上四種快速成形機(jī)的介紹，我們可以看出：激光快速成形技術(shù)是多種先進(jìn)制造技術(shù)的集成。由于不同的快速成形機(jī)具有不同的特點(diǎn)，因此要根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇，選擇中要綜合考慮成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形狀、以及成形件的材質(zhì)要求等等，還要權(quán)衡制作成本，例如：大型件、實(shí)體適于用LOM制作；

小型件、薄壁件適于用SLA、FDM、SLS制作；
塑料件可用SLA、FDM直接制作，用LOM則要通過(guò)硅膠模、反應(yīng)式注塑翻制；
金屬件可用SLS直接制作，用其它方法則要通過(guò)鑄造翻制；
表面粗糙度要求高的可SLA、LOM制作；

使用于較高溫度環(huán)境下的可用LOM制作等等。三、激光快速成型技術(shù)的前處理――STL格式文件不論哪一種激光快速成形機(jī)都是基于三維CAD模型進(jìn)行制作，并且在制成速成形件的過(guò)程中，要從三維CAD模型中提取每一層的平面輪廓信息，這是通過(guò)相應(yīng)的軟件完成的，其中最常見(jiàn)的方法是：先將三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式模型，再對(duì)STL格式模型進(jìn)行切片處理。STL格式最初出現(xiàn)于1988年美國(guó)3DYSTEMS公司生產(chǎn)的SLA快速成形機(jī)中，STL就是STereoLithography的縮寫(xiě)，它是將三維模型的表面近似表達(dá)為小三角形平面的組合，非常相似于有限元分析中的三結(jié)點(diǎn)平面單元。STL格式服從下列規(guī)則：(1)共頂點(diǎn)規(guī)則：小三角形平面的頂點(diǎn)不能落在相鄰任何一個(gè)小三角形平面的邊上；

(2)取向規(guī)則：小三角形平面頂點(diǎn)反時(shí)針排序?yàn)橥獗砻?，順時(shí)針排序?yàn)閮?nèi)表面；

(3)取值規(guī)則：頂點(diǎn)座標(biāo)值均為正值；

(4)合法實(shí)體規(guī)則：三維模型的表面上必須布滿小三角形平面，不能有裂縫和孔洞，內(nèi)外表面之間的厚度不能為0。此外，還要根據(jù)成形件的幾何形狀、復(fù)雜程度，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ娃D(zhuǎn)換精度，選擇精度過(guò)低(小三角形平面太大，數(shù)量較少)時(shí)，會(huì)因?yàn)闊o(wú)法表達(dá)細(xì)小的特征結(jié)構(gòu)而出錯(cuò)；選擇太高的轉(zhuǎn)換精度(小三角形太小，數(shù)量過(guò)多)時(shí)，又會(huì)造成STL格式文件太大，超出快速成形機(jī)的接受范圍，甚至?xí)霈F(xiàn)一些莫名其妙的錯(cuò)誤。快速成形機(jī)接收到STL格式文件后進(jìn)行切片。我們可以看到：轉(zhuǎn)換成STL格式模型后，為了求得切片平面內(nèi)成形件的廓線，只要求得切片平面與所有與該平面相交的小三角形平面的交線就行了，這就將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的求兩平面的交線問(wèn)題，然后再將求得的交線端點(diǎn)按外環(huán)反時(shí)針、內(nèi)環(huán)順時(shí)針排序，就可得到切片平面內(nèi)成形件的內(nèi)外廓線，供快速成形進(jìn)行數(shù)控加工(固化、切割或涂覆、燒結(jié))。通過(guò)STL格式轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了切片平面內(nèi)成形件廓線的生成，但由于這種轉(zhuǎn)換本身就是一種近似處理，因而同時(shí)也帶來(lái)了轉(zhuǎn)換中精度的損失，目前一個(gè)發(fā)展方向是直接利用三維CAD模型進(jìn)行切片，從而提高成形件的制作精度，并減小快速成形的前處理時(shí)間。

二、激光快速成型技術(shù)的原理及特點(diǎn)有人曾向一位雕塑大師(米開(kāi)朗基羅/羅丹?)請(qǐng)教雕塑的秘訣，大師回答說(shuō)“留下你所需要的，去除你所不要的”，令請(qǐng)教者大失所望。其實(shí)，大師說(shuō)出的正是雕塑的技術(shù)真諦――材料去除法。傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術(shù)中大部分也是遵循這一方法的，如車削、銑削、鉆削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進(jìn)行成形，如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的成形原理――分層加工、迭加成形。對(duì)于學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)的人來(lái)說(shuō)，這種原理并不陌生。在定積分的應(yīng)用中，曾講到母線是已知曲線的旋轉(zhuǎn)體體積計(jì)算和平行截面已知的立體體積計(jì)算，兩者都是取厚度為△Xi的截面，近似地看成是扁圓柱體或曲邊柱體，然后加以迭加：當(dāng)‖△x‖→O時(shí)，就分別得到旋轉(zhuǎn)體或平行截面已知立體的體積。地形地貌是由復(fù)雜曲面構(gòu)成的，但是，只要我們測(cè)繪出不同高度的等高線，就可以據(jù)此在平板上切割出大小、形狀各異的曲邊平面(當(dāng)然，板厚與相鄰兩條等高線之間的高度差應(yīng)符合地形圖的比例尺)，然后再把它們層疊起來(lái)，只要等高線取得足夠密，就可以制作成逼真的地形模型。目前，按照這種分層加工、迭加成形原理開(kāi)發(fā)出的激光快速成形機(jī)有很多種，在此擇其主要的幾種作一概要的介紹：1、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化(SLA:Strreolithographypparatus立體平板印刷設(shè)備)1902年美國(guó)的一項(xiàng)專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美國(guó)的又一項(xiàng)專利提出用激光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂分層制作三維實(shí)體的快速成形方案，美國(guó)3DSYSTEMS公司據(jù)此于1988年生產(chǎn)出第一臺(tái)激光快速成形機(jī)SLA-250。這種激光快速成形機(jī)所使用的構(gòu)形材料是一種液態(tài)光敏聚合物，在紫外光的照射下會(huì)發(fā)生聚合固化反應(yīng)，由液態(tài)變成固態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是：能直接得到類似塑料的樹(shù)脂件，且表面粗糙度較小。其缺點(diǎn)是：(1)成形過(guò)程中的化學(xué)和物理變化使得尺寸精度不易保證，且會(huì)發(fā)生蠕變；

(2)須對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描固化，成形時(shí)間較長(zhǎng)，成形后要進(jìn)一步固化處理；

(3)由于未被激光束照射的部分仍為液態(tài)，因此對(duì)于懸伸部分要事先設(shè)計(jì)支撐，固化后再去除；

(4)光敏樹(shù)脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好，工作溫度不能超過(guò)100℃，會(huì)吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強(qiáng)，且價(jià)格昂貴(140-2404/kg)；

(5)產(chǎn)生紫外激光的激光管壽命2000小時(shí)左右。2、薄型材料選擇性切割(LOM:Laminatedbjeetanufacturing分層物體制造)這種激光快速成形所使用的構(gòu)形材料是事先涂有熱熔膠的紙，其成形過(guò)程與前面所述的制作地形模型的過(guò)程相似。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)尺寸精度較高；

(2)只須對(duì)輪廓線進(jìn)行切割，制作效率高；
(3)無(wú)需設(shè)計(jì)支撐；

(4)制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，稍作處理后可在200℃以下環(huán)境中使用，可進(jìn)行一定的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器壽命達(dá)20000小時(shí)；
(6)構(gòu)形材料價(jià)格便宜(8/kg)。其缺點(diǎn)是：(1)不能直接制作塑料件；
(2)表面粗糙度較高，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；
(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；

(4)工件缺少?gòu)椥浴?、絲狀材料選擇性熔復(fù)(FDM:Fusedepositionodeling熔積成形)這種快速成型機(jī)所使用的構(gòu)形材料是絲狀熱塑性材料，其工作原理類似于標(biāo)花蛋糕的制作，絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，按照截面形狀涂覆在工作臺(tái)上，并快速冷卻固化，一層完成后噴頭上升一個(gè)層高，再進(jìn)行下一層的涂覆。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度較高；
(3)材料利用率高。其缺點(diǎn)是：(1)表面粗糙度較高，需后處理；
(2)成形時(shí)間較長(zhǎng)；
(3)材料昂貴(250-458/kg)；

(4)懸臂結(jié)構(gòu)處要設(shè)置支撐，不過(guò)新型FDM快速成形機(jī)上設(shè)置了兩個(gè)噴頭，一個(gè)噴成形材料，另一個(gè)噴支撐材料，并且支撐材料可以進(jìn)行水溶去除，減小了后處理時(shí)間。4、粉末材料選擇性燒結(jié)(SLS:Selectedaserintering選擇性激光燒結(jié))這種快速成型機(jī)的工作原理與SLA相仿，不過(guò)所用成形材料不是液態(tài)的光敏樹(shù)脂，而是粉末狀的高分子材料、金屬或陶瓷與粘結(jié)劑的混合物等，粉粒直徑為50-125m，成形時(shí)先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料，并加熱至略低于熔化溫度，然后激光束按照截面形狀進(jìn)行掃描，被掃描的部分材料熔化、粘接成形，不被掃描的粉未材料仍呈粉粒狀作為工件的支撐，一層完成成形后，工作臺(tái)下降一個(gè)層高，再進(jìn)行下一層的鋪料和燒結(jié)：[HJ]其優(yōu)點(diǎn)是：(1)可直接得到塑料、陶瓷或金屬件，可加工性好；

(2)無(wú)需設(shè)計(jì)支撐。其缺點(diǎn)是：(1)成形件結(jié)構(gòu)疏松多孔，表面粗糙度較高；
(2)成形效率不高；

(3)得到的塑料、陶瓷或金屬件遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)成形方法得到的同類材質(zhì)工件，需進(jìn)行滲銅等后處理，但在后處理中難于保證制件尺寸精度。通過(guò)對(duì)以上四種快速成形機(jī)的介紹，我們可以看出：激光快速成形技術(shù)是多種先進(jìn)制造技術(shù)的集成。由于不同的快速成形機(jī)具有不同的特點(diǎn)，因此要根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇，選擇中要綜合考慮成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形狀、以及成形件的材質(zhì)要求等等，還要權(quán)衡制作成本，例如：大型件、實(shí)體適于用LOM制作；

小型件、薄壁件適于用SLA、FDM、SLS制作；
塑料件可用SLA、FDM直接制作，用LOM則要通過(guò)硅膠模、反應(yīng)式注塑翻制；
金屬件可用SLS直接制作，用其它方法則要通過(guò)鑄造翻制；
表面粗糙度要求高的可SLA、LOM制作；

使用于較高溫度環(huán)境下的可用LOM制作等等。三、激光快速成型技術(shù)的前處理――STL格式文件不論哪一種激光快速成形機(jī)都是基于三維CAD模型進(jìn)行制作，并且在制成速成形件的過(guò)程中，要從三維CAD模型中提取每一層的平面輪廓信息，這是通過(guò)相應(yīng)的軟件完成的，其中最常見(jiàn)的方法是：先將三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式模型，再對(duì)STL格式模型進(jìn)行切片處理。STL格式最初出現(xiàn)于1988年美國(guó)3DYSTEMS公司生產(chǎn)的SLA快速成形機(jī)中，STL就是STereoLithography的縮寫(xiě)，它是將三維模型的表面近似表達(dá)為小三角形平面的組合，非常相似于有限元分析中的三結(jié)點(diǎn)平面單元。STL格式服從下列規(guī)則：(1)共頂點(diǎn)規(guī)則：小三角形平面的頂點(diǎn)不能落在相鄰任何一個(gè)小三角形平面的邊上；

(2)取向規(guī)則：小三角形平面頂點(diǎn)反時(shí)針排序?yàn)橥獗砻妫槙r(shí)針排序?yàn)閮?nèi)表面；

(3)取值規(guī)則：頂點(diǎn)座標(biāo)值均為正值；

(4)合法實(shí)體規(guī)則：三維模型的表面上必須布滿小三角形平面，不能有裂縫和孔洞，內(nèi)外表面之間的厚度不能為0。此外，還要根據(jù)成形件的幾何形狀、復(fù)雜程度，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ娃D(zhuǎn)換精度，選擇精度過(guò)低(小三角形平面太大，數(shù)量較少)時(shí)，會(huì)因?yàn)闊o(wú)法表達(dá)細(xì)小的特征結(jié)構(gòu)而出錯(cuò)；選擇太高的轉(zhuǎn)換精度(小三角形太小，數(shù)量過(guò)多)時(shí)，又會(huì)造成STL格式文件太大，超出快速成形機(jī)的接受范圍，甚至?xí)霈F(xiàn)一些莫名其妙的錯(cuò)誤?？焖俪尚螜C(jī)接收到STL格式文件后進(jìn)行切片。我們可以看到：轉(zhuǎn)換成STL格式模型后，為了求得切片平面內(nèi)成形件的廓線，只要求得切片平面與所有與該平面相交的小三角形平面的交線就行了，這就將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的求兩平面的交線問(wèn)題，然后再將求得的交線端點(diǎn)按外環(huán)反時(shí)針、內(nèi)環(huán)順時(shí)針排序，就可得到切片平面內(nèi)成形件的內(nèi)外廓線，供快速成形進(jìn)行數(shù)控加工(固化、切割或涂覆、燒結(jié))。通過(guò)STL格式轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了切片平面內(nèi)成形件廓線的生成，但由于這種轉(zhuǎn)換本身就是一種近似處理，因而同時(shí)也帶來(lái)了轉(zhuǎn)換中精度的損失，目前一個(gè)發(fā)展方向是直接利用三維CAD模型進(jìn)行切片，從而提高成形件的制作精度，并減小快速成形的前處理時(shí)間。

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