快速成型与快速模具制造技术及其应用课程作业剖析

快速成型与快速模具制造技术及其应用课程作业成型1211208030069题目一、快速成型技术的数据准备与处理，你都了解哪些内容？二、快速成型工艺和设备都有哪些新进展？快速成型技术中的数据处理二、STL数据文件及处理三、三维模型的切片处理一、CAD三维模型的构建方法四、数据编辑与处理软件MagicsRP4五、CT图像数据处理软Mimics快速成型的制作需要前端的CAD数字模型来支持，也就是说，所有的快速成型制造方法都是由CAD数字模型来直接驱动的。来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式而且在原型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。此外，样件反求以及来源于CT等的医学模型等的数据都需要转换成CAD模型或直接转换成RP系统可以接收的数据。因此，在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备和处理工作，数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。因此，在整个快速成型技术的实施过程中，数据的准备是必须的，数据的处理是十分必要和重要的。快速成型技术中的数据处理目前，基于数字化的产品快速设计有两种主要途径：一种是根据产品的要求或直接根据二维图纸在CAD软件平台上设计产品三维模型，常被称为概念设计；另一种是在仿制产品时用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型，常被称为反求工程。两种常用的产品设计思路如图所示。一、CAD三维模型的构建方法图基于数字化产品快速设计基本途径二、STL数据文件及处理快速成型制造设备目前能够接受诸如STL，SLC，CLI，RPI，LEAF，SIF等多种数据格式。其中由美国3DSystems公司开发的STL文件格式可以被大多数快速成型机所接受，因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有类型的快速成型制造系统都采用STL数据格式。STL文件的格式STL文件的精度STL文件的纠错处理STL文件的输出STL文件的拼接和分割三、三维模型的切片处理快速成型系统中切片处理极为重要。切片的目的是要将模型以片层方式来描述。通过这种描述，无论零件多么复杂，对每一层来说却是很简单的平面。切片处理是将计算机中的几何模型变成轮廓线来表述。这些轮廓线代表了片层的边界，轮廓线是由一系列的环路来组成的，由许多点来组成一个环路。切片软件的主要任务是接受正确的STL文件，并生成指定方向的截面轮廓线和网格扫描线，如图所示。四、STL数据编辑与处理软件MagicsRPMagicsRP软件是比利时Materialise公司推出的面向快速成型技术数据处理的大型STL数据编辑处理平台。Magics软件编辑功能Magics是一个十分理想和完整的处理STL格式文件的软件，该软件处理片面数据简捷高效，提供了丰富且自动化程度很高的STL文件操作工具。五、CT图像数据处理软MimicsMimics软件简介Mimics软件是比利时Materialise公司面向医学CT或MRI数据模型处理的运行在Windows操作系统环境下的高度集成的三维图像处理软件，该软件能在几分钟内将CT或MRI数据转换成三维CAD或快速成型所需的模型文件。其主要功能特点如下：1.图像输入Mimics能够输入多种数据格式，诸如Philips、GE、Hitachi、Picrer、Siemens、Toshiba、Elscint、SMS等等，并提供了自定义输入的工具。Mimics可直接访问由这些系统产生的光盘数据，Mimics自动对数据格式进行检测和识别，并转换成自身的文件格式，将一组图像存储在相应的项目组里。2.图像处理Mimics提供了多种工具，供用户去增强由CT或MRI扫描产生的图像数据的质量。Windows技术可增强图像对比度，Thresholding（阈值）技术和3DRegionGrowing（三维区域增长）技术可进行全自动选择。编辑工具能在扫描图像的每层进行划线或擦除操作。同时可在自定义区域中进行局部阈值化操作。编辑工具可以对三维模型进行全面控制。为了便于图像处理，Mimics能够显示三个独立的窗口，其中一个窗口显示原始扫描数据，另外两个窗口显示两个正交平面上的重构视图。每个视图的切片能实时移动到所希望的任何位置。3.三维重构在图像处理过程结束后，Mimics可以用设定的图像分辨率和过滤器对选定的区域计算三维模型。重构的结果可在任何一个窗口内显示，可以随意旋转这些模型并能够将其设置为全透明或者深度渲染。4.快速成型接口因为Mimics可将图像文件直接转换成快速成型设备所需要的切片文件格式如CLI、SLI等，从而得到了最佳精度。软件中采用的一个复杂的插补算法程序使扫描数据到三维模型的转化得到很高的曲面复制效果，能提供标准的三维文件格式如STL或VRML，强大的自适应滤波功能能够大大减小文件的尺寸。5.医疗模型作为CT或MRI扫描仪数据的最终三维表达，这些模型被用作复杂外科手术的准备和预演，同时也可帮助定制植入物的设计和制造。借助于其基本工具，Mimics可对模型进行标记，这些标签将被印在模型里或通过使用特殊的树脂使它们着色，特殊的区域如肿瘤或者神经区域等也都能用不同的颜色显示出来。2.快速成型工艺和设备都有哪些新进展？快速成型技术的基本成型原理快速成型技术(RP技术)是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFD材料去除成形(MPR)或材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。快速成型的技术体系如图1所示。2.快速成型工艺和设备都有哪些新进展？快快速成型技术是集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术。由于该技术可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，降低开发成本，加之计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广，使得快速成型技术的广泛应用成为可能。速成型技术的成型方法多达十余种，目前应用较多的有立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔积成型(FDM)等。这些工艺方法都是在材料累加成型的原理基础上，结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的，它与其他学科的发展密切相关。1、立体光固化(SLA)该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。SLA技术原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层(约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作，如图2所示。2、分层实体制造(LOM)目前研究LOM工艺的有Helisys公司、华中科技大学、清华大学、Kira公司等。LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割—粘合—切割，直至整个零件模型制作完成。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2,生产周期大大缩短。用来制作复合模。薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著，原理如图3所示。该技术在国外已经得到了广泛的使用。3、选择性激光烧结(SLS)研究SLS的有DIM公司、EOS公司、北京隆源公司。该法采用C02激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接烧结的工艺还正在实验研究阶段。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数，原理如图4所示。4、熔积成型(FDM)研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1度左右)。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料材料(直径一般在1.5mm以上）从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025—0.762mm。一层叠一层最后形成整个零件模型。FDM工艺应用流程和原理如图5、图6所示。