二、u激光/u快速成型技術(shù)的原理及特點有人曾向一位雕塑大師(米開朗基羅/羅丹?)請教雕塑的秘訣，大師回答說“留下你所需要的，去除你所不要的”，令請教者大失所望。其實，大師說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。對于學(xué)過高等數(shù)學(xué)的人來說，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)體體積計算和平行截面已知的立體體積計算，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‖△x‖→O時，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，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、迭加成形原理開發(fā)出的激光快速成形機有很多種，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年美國的一項專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美國的又一項專利提出用激光照射液態(tài)光敏樹脂分層制作三維實體的快速成形方案，美國3DSYSTEMS公司據(jù)此于1988年生產(chǎn)出第一臺激光快速成形機SLA-250。這種激光快速成形機所使用的構(gòu)形材料是一種液態(tài)光敏聚合物，在紫外光的照射下會發(fā)生聚合固化反應(yīng)，由液態(tài)變成固態(tài)。其優(yōu)點是：能直接得到類似塑料的樹脂件，且表面粗糙度較小。其缺點是：(1)成形過程中的化學(xué)和物理變化使得尺寸精度不易保證，且會發(fā)生蠕變；

(2)須對整個截面進行掃描固化，成形時間較長，成形后要進一步固化處理；

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

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

(5)產(chǎn)生紫外激光的激光管壽命2000小時左右。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，其成形過程與前面所述的制作地形模型的過程相似。其優(yōu)點是：(1)尺寸精度較高；

(2)只須對輪廓線進行切割，制作效率高；
(3)無需設(shè)計支撐；

(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，可進行一定的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器壽命達20000小時；
(6)構(gòu)形材料價格便宜(8/kg)。其缺點是：(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階紋，成型后要進行打磨；
(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；

(4)工件缺少彈性。3、絲狀材料選擇性熔復(fù)(FDM:Fusedepositionodeling熔積成形)這種快速成型機所使用的構(gòu)形材料是絲狀熱塑性材料，其工作原理類似于標花蛋糕的制作，絲狀材料由供絲機構(gòu)送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，按照截面形狀涂覆在工作臺上，并快速冷卻固化，一層完成后噴頭上升一個層高，再進行下一層的涂覆。其優(yōu)點是：(1)能直接制作ABS塑料；

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

(4)懸臂結(jié)構(gòu)處要設(shè)置支撐，不過新型FDM快速成形機上設(shè)置了兩個噴頭，一個噴成形材料，另一個噴支撐材料，并且支撐材料可以進行水溶去除，減小了后處理時間。4、粉末材料選擇性燒結(jié)(SLS:Selectedaserintering選擇性激光燒結(jié))這種快速成型機的工作原理與SLA相仿，不過所用成形材料不是液態(tài)的光敏樹脂，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，成形時先在工作臺上鋪一層粉末材料，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，工作臺下降一個層高，再進行下一層的鋪料和燒結(jié)：[HJ]其優(yōu)點是：(1)可直接得到塑料、陶瓷或金屬件，可加工性好；

(2)無需設(shè)計支撐。其缺點是：(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、陶瓷或金屬件遠不如傳統(tǒng)成形方法得到的同類材質(zhì)工件，需進行滲銅等后處理，但在后處理中難于保證制件尺寸精度。通過對以上四種快速成形機的介紹，我們可以看出：激光快速成形技術(shù)是多種先進制造技術(shù)的集成。由于不同的快速成形機具有不同的特點，因此要根據(jù)不同的使用要求進行恰當?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都是基于三維CAD模型進行制作，并且在制成速成形件的過程中，要從三維CAD模型中提取每一層的平面輪廓信息，這是通過相應(yīng)的軟件完成的，其中最常見的方法是：先將三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式模型，再對STL格式模型進行切片處理。STL格式最初出現(xiàn)于1988年美國3DYSTEMS公司生產(chǎn)的SLA快速成形機中，STL就是STereoLithography的縮寫，它是將三維模型的表面近似表達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)點平面單元。STL格式服從下列規(guī)則：(1)共頂點規(guī)則：小三角形平面的頂點不能落在相鄰任何一個小三角形平面的邊上；

(2)取向規(guī)則：小三角形平面頂點反時針排序為外表面，順時針排序為內(nèi)表面；

(3)取值規(guī)則：頂點座標值均為正值；

(4)合法實體規(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?shù)哪Ｐ娃D(zhuǎn)換精度，選擇精度過低(小三角形平面太大，數(shù)量較少)時，會因為無法表達細小的特征結(jié)構(gòu)而出錯；選擇太高的轉(zhuǎn)換精度(小三角形太小，數(shù)量過多)時，又會造成STL格式文件太大，超出快速成形機的接受范圍，甚至?xí)霈F(xiàn)一些莫名其妙的錯誤?？焖俪尚螜C接收到STL格式文件后進行切片。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，這就將問題轉(zhuǎn)化成簡單的求兩平面的交線問題，然后再將求得的交線端點按外環(huán)反時針、內(nèi)環(huán)順時針排序，就可得到切片平面內(nèi)成形件的內(nèi)外廓線，供快速成形進行數(shù)控加工(固化、切割或涂覆、燒結(jié))。通過STL格式轉(zhuǎn)換，簡化了切片平面內(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，因而同時也帶來了轉(zhuǎn)換中精度的損失，目前一個發(fā)展方向是直接利用三維CAD模型進行切片，從而提高成形件的制作精度，并減小快速成形的前處理時間。

二、激光快速成型技術(shù)的原理及特點有人曾向一位雕塑大師(米開朗基羅/羅丹?)請教雕塑的秘訣，大師回答說“留下你所需要的，去除你所不要的”，令請教者大失所望。其實，大師說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。對于學(xué)過高等數(shù)學(xué)的人來說，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)體體積計算和平行截面已知的立體體積計算，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‖△x‖→O時，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，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、迭加成形原理開發(fā)出的激光快速成形機有很多種，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年美國的一項專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美國的又一項專利提出用激光照射液態(tài)光敏樹脂分層制作三維實體的快速成形方案，美國3DSYSTEMS公司據(jù)此于1988年生產(chǎn)出第一臺激光快速成形機SLA-250。這種激光快速成形機所使用的構(gòu)形材料是一種液態(tài)光敏聚合物，在紫外光的照射下會發(fā)生聚合固化反應(yīng)，由液態(tài)變成固態(tài)。其優(yōu)點是：能直接得到類似塑料的樹脂件，且表面粗糙度較小。其缺點是：(1)成形過程中的化學(xué)和物理變化使得尺寸精度不易保證，且會發(fā)生蠕變；

(2)須對整個截面進行掃描固化，成形時間較長，成形后要進一步固化處理；

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

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

(5)產(chǎn)生紫外激光的激光管壽命2000小時左右。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，其成形過程與前面所述的制作地形模型的過程相似。其優(yōu)點是：(1)尺寸精度較高；

(2)只須對輪廓線進行切割，制作效率高；
(3)無需設(shè)計支撐；

(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，可進行一定的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器壽命達20000小時；
(6)構(gòu)形材料價格便宜(8/kg)。其缺點是：(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階紋，成型后要進行打磨；
(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；

(4)工件缺少彈性。3、絲狀材料選擇性熔復(fù)(FDM:Fusedepositionodeling熔積成形)這種快速成型機所使用的構(gòu)形材料是絲狀熱塑性材料，其工作原理類似于標花蛋糕的制作，絲狀材料由供絲機構(gòu)送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，按照截面形狀涂覆在工作臺上，并快速冷卻固化，一層完成后噴頭上升一個層高，再進行下一層的涂覆。其優(yōu)點是：(1)能直接制作ABS塑料；

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

(4)懸臂結(jié)構(gòu)處要設(shè)置支撐，不過新型FDM快速成形機上設(shè)置了兩個噴頭，一個噴成形材料，另一個噴支撐材料，并且支撐材料可以進行水溶去除，減小了后處理時間。4、粉末材料選擇性燒結(jié)(SLS:Selectedaserintering選擇性激光燒結(jié))這種快速成型機的工作原理與SLA相仿，不過所用成形材料不是液態(tài)的光敏樹脂，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，成形時先在工作臺上鋪一層粉末材料，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，工作臺下降一個層高，再進行下一層的鋪料和燒結(jié)：[HJ]其優(yōu)點是：(1)可直接得到塑料、陶瓷或金屬件，可加工性好；

(2)無需設(shè)計支撐。其缺點是：(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、陶瓷或金屬件遠不如傳統(tǒng)成形方法得到的同類材質(zhì)工件，需進行滲銅等后處理，但在后處理中難于保證制件尺寸精度。通過對以上四種快速成形機的介紹，我們可以看出：激光快速成形技術(shù)是多種先進制造技術(shù)的集成。由于不同的快速成形機具有不同的特點，因此要根據(jù)不同的使用要求進行恰當?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都是基于三維CAD模型進行制作，并且在制成速成形件的過程中，要從三維CAD模型中提取每一層的平面輪廓信息，這是通過相應(yīng)的軟件完成的，其中最常見的方法是：先將三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式模型，再對STL格式模型進行切片處理。STL格式最初出現(xiàn)于1988年美國3DYSTEMS公司生產(chǎn)的SLA快速成形機中，STL就是STereoLithography的縮寫，它是將三維模型的表面近似表達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)點平面單元。STL格式服從下列規(guī)則：(1)共頂點規(guī)則：小三角形平面的頂點不能落在相鄰任何一個小三角形平面的邊上；

(2)取向規(guī)則：小三角形平面頂點反時針排序為外表面，順時針排序為內(nèi)表面；

(3)取值規(guī)則：頂點座標值均為正值；

(4)合法實體規(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?shù)哪Ｐ娃D(zhuǎn)換精度，選擇精度過低(小三角形平面太大，數(shù)量較少)時，會因為無法表達細小的特征結(jié)構(gòu)而出錯；選擇太高的轉(zhuǎn)換精度(小三角形太小，數(shù)量過多)時，又會造成STL格式文件太大，超出快速成形機的接受范圍，甚至?xí)霈F(xiàn)一些莫名其妙的錯誤。快速成形機接收到STL格式文件后進行切片。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，這就將問題轉(zhuǎn)化成簡單的求兩平面的交線問題，然后再將求得的交線端點按外環(huán)反時針、內(nèi)環(huán)順時針排序，就可得到切片平面內(nèi)成形件的內(nèi)外廓線，供快速成形進行數(shù)控加工(固化、切割或涂覆、燒結(jié))。通過STL格式轉(zhuǎn)換，簡化了切片平面內(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，因而同時也帶來了轉(zhuǎn)換中精度的損失，目前一個發(fā)展方向是直接利用三維CAD模型進行切片，從而提高成形件的制作精度，并減小快速成形的前處理時間。

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