快速成型技術(shù)的數(shù)據(jù)處理演示文稿

快速成型技術(shù)的數(shù)據(jù)處理演示文稿當(dāng)前1頁，總共63頁。

快速成型產(chǎn)品的制作需要有三維模型支持，但來源于CAD軟件或逆向工程的三維模型數(shù)據(jù)必須保存為快速成型系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)格式，并在快速成型前進行疊層方向上的分層處理，可見，大量的數(shù)據(jù)準備與處理工作對快速成型來說是必不可少且十分重要的。4.1數(shù)據(jù)處理流程快速成型技術(shù)的一般數(shù)據(jù)處理流程為：將通過CAD系統(tǒng)或逆向工程獲得的三維模型以快速成型分層軟件能接受的數(shù)據(jù)格式保存，然后使用分層軟件對模型進行：STL文件的處理、工藝處理、分層處理等操作，生成模型的各層面掃描信息，最后以快速成型設(shè)備能接受的數(shù)據(jù)格式輸出到相應(yīng)的快速成型機設(shè)備中?？焖俪尚蛿?shù)據(jù)處理是以三維CAD模型或其他數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，使用分層處理軟件將模型離散成截面數(shù)據(jù)，然后輸送到快速成型系統(tǒng)的過程，其基本流程：2當(dāng)前2頁，總共63頁。4.2待處理數(shù)據(jù)來源1.三維模型直接構(gòu)建

對于直接構(gòu)建的三維模型，最常用的數(shù)據(jù)處理方法就是將構(gòu)建的CAD實體模型先轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格模型（STL文件），然后再進行分層，從而獲得加工路徑。當(dāng)前主流的快速成型系統(tǒng)是基于STL文件進行加工，因此商用CAD軟件一般都自帶輸出STL文件的功能模塊。2.逆向工程建模

是對已有的實物數(shù)字化，即使用逆向工程測量設(shè)備采集實物表面信息，形成物體表面的點云數(shù)據(jù)，并且在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建實物的三維模型。

對于逆向工程建模的數(shù)據(jù)處理方法主要有兩種：一種是對數(shù)據(jù)點進行三角化，生成STL文件，然后進行分層處理；另一種是對數(shù)據(jù)點進行直接分層處理。3當(dāng)前3頁，總共63頁。4.3數(shù)據(jù)接口格式

快速成型系統(tǒng)本身并不具備三維建模功能，為得到物體的三維數(shù)據(jù)，快速成型系統(tǒng)一般都會借助于商用CAD軟件，但是，不同的CAD軟件用來描述幾何模型的數(shù)據(jù)格式并不相同，快速成型系統(tǒng)無法一一適應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換和信息共享出現(xiàn)障礙。因此，必須要有一種中間數(shù)據(jù)格式，作為CAD軟件與快速成型系統(tǒng)之間的標準接口，該格式應(yīng)該既能被快速成型系統(tǒng)接受和處理，也能由市面上的大多數(shù)CAD軟件生成。

目前，快速成型業(yè)界最常用的三種數(shù)據(jù)接口格式為：三維面片模型格式，CAD三維數(shù)據(jù)格式，二維層片數(shù)據(jù)格式。4當(dāng)前4頁，總共63頁。4.3.1三維面片模型格式

三維面片模型格式的原理是使用大量的小三角面片近似表示自由曲面。常用的三維面片模型格式主要有兩種：STL格式和CFL格式，其中，由美國3DSystems公司開發(fā)的STL文件格式是專為快速成型技術(shù)而開發(fā)的數(shù)據(jù)格式，被大多數(shù)快速成型系統(tǒng)所接受，是快速成型業(yè)內(nèi)應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)格式，亦被公認為目前快速成型的標準數(shù)據(jù)接口形式。STL格式的文件是對三維CAD模型進行表面三角形網(wǎng)格化而得到的：普通三維模型STL三維面片模型5當(dāng)前5頁，總共63頁。1.STL文件的構(gòu)成STL是一種用許多小三角形平面來近似表示源CAD模型曲面的數(shù)據(jù)模型，此種文件格式將CAD模型表面離散化為若干個三角形面片，不同精度時有不同的三角形網(wǎng)格劃分方式。STL文件是多個三角形面片的集合，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關(guān)。STL文件中的每個三角形面片都是由三角形的頂點坐標和三角形面片的外法線矢量來表示。6當(dāng)前6頁，總共63頁。2.STL文件的格式STL文件有文本（ASCII）和二進制（BINARY）兩種格式。

（1）文本（ASCII）格式該格式使用四個數(shù)據(jù)項表示一個三角形面片信息單元facet，即三角形三個頂點坐標，以及三角形面片指向?qū)嶓w外部的法向量坐標。改格式的特點是易于人工識別及修改，但因該格式的文件占用空間太大，目前僅用來調(diào)試程序。ASCII格式的語法如下：

solidname_of_object(整個STL文件的首行，給出了文件路徑及文件名)facetnormalxyz（facetnormal是三角面片指向?qū)嶓w外部的法矢量坐標）outerloop（outerloop說明隨后的3行數(shù)據(jù)分別是三角面片的3個頂點坐標）vertexxyz（3個頂點沿指向?qū)嶓w外部的法矢量方向逆時針排列）vertexxyzvertexxyzendloopendfacet（在一個STL文件中，每一個facet由以上7行數(shù)據(jù)組成）facetnormalxyzouterloopvertexxyzvertexxyzvertexxyzendloopendfacetendsolidnameofobject

7當(dāng)前7頁，總共63頁。（2）二進制（BINARY）格式BINARY格式用固定的字節(jié)數(shù)記錄三角面片的幾何信息，文件起始的84個字節(jié)是頭文件，用于記錄文件名；后面逐個記錄每個三角面片的幾何信息，每個三角形面片占用固定的50字節(jié)。BINARY格式的語法如下所示：#ofbytesdescription80有關(guān)文件、作者姓名和注釋信息4小三角形平面的數(shù)目facet14floatnormalx4floatnormaly4floatnormalz（以上3個4字節(jié)的浮點數(shù)表示角面片法矢量）4floatvertex1x4floatvertex1y4floatvertex1z（以上3個4字節(jié)浮點數(shù)表示頂點1的坐標）4floatvertex2x4floatvertex2y4floatvertex2z（以上3個4字節(jié)浮點數(shù)表示頂點2的坐標）4floatvertex3x4floatvertex3y4floatvertex3z（以上3個4字節(jié)浮點數(shù)表示頂點3的坐標）2未用（構(gòu)成50個字節(jié),用來描述三角面片的屬性信息）8當(dāng)前8頁，總共63頁。

STL文件格式比較簡單，只能描述物體的幾何信息，而不能描述顏色材質(zhì)等信息。

三維模型進行表面三角形網(wǎng)格化之后會呈現(xiàn)多面體狀，因此需要合理設(shè)置輸出STL格式時的參數(shù)值，以改善成型的質(zhì)量，一般而言，從CAD軟件輸出STL文件時，建議將弦高（chordheight）、誤差（deviation）、角度公差（angletolerance）等參數(shù)的值設(shè)置為0.01或是0.02。

9當(dāng)前9頁，總共63頁。3.STL文件的規(guī)范

為保證三角形面片所表示的模型實體的唯一性

，STL文件必須遵循一定的規(guī)范，否則這個STL文件就是錯誤的，具體規(guī)范如下：

1）取向原則STL文件中的每個三角形面片都是由三條邊組成的，且具有方向性：三條邊按逆時針順序由右手定則可以確定面的法向量，且該法向量應(yīng)指向所描述實體表面的外側(cè)

，相鄰的三角形的取向不應(yīng)出現(xiàn)矛盾。

正確錯誤10當(dāng)前10頁，總共63頁。2）共頂點規(guī)則相鄰的兩個三角形面片只能共享兩個頂點，即面片的頂點不能落在相鄰的任何一個三角形面片的邊上。正確錯誤11當(dāng)前11頁，總共63頁。3）取值規(guī)則STL文件的所有頂點坐標都必須是正的，即STL模型必須落在第一象限。雖然目前幾乎所有的CAD/CAM軟件都已允許在任意的空間位置生成STL文件，但使用AutoCAD時還需要遵守這個規(guī)則。

4）充滿規(guī)則STL模型的所有表面都必須布滿三角形面片，不得有任何遺漏，即不能有裂紋或孔。12當(dāng)前12頁，總共63頁。4、STL文件的精度自由曲面的三角形面片逼近當(dāng)前13頁，總共63頁。STL文件是三維實體模型經(jīng)過三角網(wǎng)絡(luò)化處理之后得到的數(shù)據(jù)文件，它將實體表面離散化成大量的三角形面片，依靠這些三角形面片來逼近理想的三維實體模型。逼近的精度通常由曲面到三角形平面的距離誤差或是曲面到三角形邊的弦高差控制。誤差越小，所需的三角形面片數(shù)量越多，形成的三維實體就越趨近于理想實體的形狀。但精度的提高會使STL文件變大，同時分層處理的時間將顯著增加，有時截面的輪廓會產(chǎn)生許多小直線段，不利于輪廓的掃描運動，導(dǎo)致表面不光滑且成型效率降低。所以，從CAD軟件輸出STL文件時，選取的精度指標和控制參數(shù)應(yīng)根據(jù)CAD模型的復(fù)雜程度以及快速成型精度要求的高低進行綜合考慮。當(dāng)前14頁，總共63頁。5.STL文件的優(yōu)勢（1）文件生成簡單。幾乎所有的CAD軟件皆具有輸出STL文件的功能，同時還可以控制輸出的精度。（2）適用對象廣泛。幾乎所有三維模型都可以通過表面三角網(wǎng)格化生成STL文件。（3）分層算法簡單。STL文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，分層算法也相對簡單得多。（4）模型易于分割。當(dāng)零件很大，難以在成型機上一次成型時，就需要將零件模型分割成多個較小的部分，進行分別制造，而分割STL模型相對簡單得多。（5）接口通用性好。能被幾乎所有的快速成型設(shè)備所接受，已成為行業(yè)公認的快速成型數(shù)據(jù)接口標準。15當(dāng)前15頁，總共63頁。6.STL文件的局限（1）近似性。STL模型只是三維CAD模型的一個近似描述，并不能十分精確地還原模型的曲面。（2）信息缺乏。STL文件只能無序的列出構(gòu)成模型表面的所有三角形面片的幾何信息，其中并不包含面片之間的拓撲鄰接信息，而這些信息的缺乏常會導(dǎo)致信息處理與分層的低效。同時，將三維CAD模型轉(zhuǎn)換為STL模型之后，還會丟失公差、零件顏色和材料等的信息。（3）數(shù)據(jù)的冗余。STL文件含有大量的冗余數(shù)據(jù)，因為每個三角形面片的頂點都分屬于不同的三角形，所以同一個頂點會在STL文件中重復(fù)存儲多次。（4）精度損失。在STL文件中，頂點坐標都是單精度浮點型，而在三維CAD模型中，頂點坐標一般都是雙精度浮點型，會造成一定程度的數(shù)據(jù)誤差。（5）錯誤和缺陷。STL文件還易出現(xiàn)很多錯誤和缺陷，例如重疊面、孔洞、法向量和交叉面等；16當(dāng)前16頁，總共63頁。4.3.2CAD三維數(shù)據(jù)格式

與三維面片模型格式相比，CAD三維數(shù)據(jù)格式可以精確的描述CAD模型。目前，常用CAD三維數(shù)據(jù)格式主要有三種，分別為STEP標準接口、實體模型格式IGES和表面模型格式DXF。1.STEP標準接口STEP(StandardforTheExchangeofProduct,產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準)是一種產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準格式，該標準已經(jīng)成為國際公認的CAD數(shù)據(jù)文件交換全球統(tǒng)一標準。STEP格式可以完整描述所交換的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其信息量完全可以滿足從CAD軟件到快速成型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要，但是，STEP格式也包含了許多快速成型系統(tǒng)并不需要的冗余信息，要基于STEP格式實現(xiàn)快速成型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，還需在算法、文件內(nèi)容的提取等方面進行大量研究工作。17當(dāng)前17頁，總共63頁。4.3.2CAD三維數(shù)據(jù)格式

常用CAD三維數(shù)據(jù)格式主要有三種，分別為STEP標準接口、實體模型格式IGES和表面模型格式DXF。2.實體模型格式IGESIGES（InitialGraphicExchangeSpecification，初始圖形交換規(guī)范）是一種商用CAD系統(tǒng)的圖形信息交換標準。IGES的優(yōu)點在于它是一個通用的標準，幾乎可以應(yīng)用在所有的商用CAD系統(tǒng)上，并能使用各種點、線、曲面、體等實體信息來精確地描述CAD模型。但IGES文件往往會包含大量的冗余信息，而且基于IGES格式的切片算法也比基于STL格式的切片算法更為復(fù)雜。3.表面模型格式DXFDXF（DrawingeXchangeFile，繪圖交換文件）是Autodesk公司制定的一種圖形交換文件格式，AutoCAD一直使用DXF格式文件來進行不同應(yīng)用程序之間的圖形數(shù)據(jù)交換。DXF文件可讀性好、易于被其他程序處理，但是，DXF格式文件數(shù)據(jù)量大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在描述復(fù)雜的產(chǎn)品信息時很容易出現(xiàn)信息丟失問題。18當(dāng)前18頁，總共63頁。4.3.3二維層片數(shù)據(jù)格式常用的二維層片數(shù)據(jù)格式主要有兩種：SLC格式和CLI格式。只是STL文件的補充，是一種中性文件，與RP設(shè)備和工藝無關(guān)，它的出現(xiàn)使三維模型與RP設(shè)備之間的聯(lián)系更豐富，對逆向工程與RP技術(shù)的集成具有重要的意義。與STL文件相比的優(yōu)點：1）大大降低了文件數(shù)據(jù)量2）由于直接在CAD系統(tǒng)內(nèi)分層模型精度大大提高3）省略了STL分層，降低了RP系統(tǒng)的前處理時間4）因是二維文件，錯誤較少、無需復(fù)雜的檢驗和修復(fù)程序。19當(dāng)前19頁，總共63頁。4.3.3二維層片數(shù)據(jù)格式1.SLC格式SLC格式是Materialise公司為獲取快速成型三維模型分層切片后的數(shù)據(jù)而制定的一種存儲格式。是CAD模型的2.5維的輪廓描述，它由Z方向上的一系列逐步上升的橫截面組成，這些橫截面由內(nèi)、外邊界的輪廓線圍合成實體。SLC格式的截面輪廓依舊只是對實體截面的一種近似，因此精度不高，此外，該格式的計算較為復(fù)雜、文件龐大、生成也比較費時。20當(dāng)前20頁，總共63頁。4.3.3二維層片數(shù)據(jù)格式常用的二維層片數(shù)據(jù)格式主要有兩種：SLC格式和CLI格式。2.CLI格式

CLI文件是目前快速成型設(shè)備普遍接受的一種數(shù)據(jù)接口文件，它是三維模型分層后加工路徑的數(shù)據(jù)文件存儲格式，也可以分為ASCII碼和二進制碼兩種格式。CLI文件主要由頭文件和幾何數(shù)據(jù)兩部分組成。頭文件主要記錄計量單位、文件創(chuàng)建日期、總層數(shù)及用戶數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)部分主要記錄用于描述二維截面的層、描述多邊形輪廓線的多線段、填充線等數(shù)據(jù)單元。

與SLC格式不同，CLI格式直接對二維層片信息進行描述，因此文件中的錯誤較少且類型單一，而且文件規(guī)模較STL文件小的多。但是CLI格式把直線段作為基本描述單元，因而降低了輪廓精度，且零件無法重新定向。

21當(dāng)前21頁，總共63頁。4.4數(shù)據(jù)處理軟件模塊在快速成型系統(tǒng)中，需要不同的軟件來完成不同階段的特定功能?；贑AD模型的快速成型軟件系統(tǒng)一般由以下三部分組成：CAD造型軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和監(jiān)控軟件。CAD造型軟件負責(zé)構(gòu)建模型、設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)并輸出中間格式文件；

數(shù)據(jù)處理軟件負責(zé)讀入與檢驗文件、將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何模型、選擇成型方向、排樣合并、模型實體分層、掃描路徑規(guī)劃等；

監(jiān)控軟件負責(zé)輸入分層信息、設(shè)定加工參數(shù)、生成數(shù)控代碼、控制實時加工等。

快速成型軟件系統(tǒng)中的CAD軟件可借助商用CAD造型系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控軟件則一般由快速成型系統(tǒng)廠商自行研發(fā)，其中數(shù)據(jù)處理軟件是整個快速成型軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵，其效率直接影響到制件的尺寸精度、表面粗糙度、零件強度以及加工時間。22當(dāng)前22頁，總共63頁。1.STL文件診斷和修復(fù)模塊該模塊主要是檢查和分析STL模型文件中存在的錯誤并進行修復(fù)，基于CAD模型直接分層的數(shù)據(jù)處理軟件不需要此模塊?？焖俪尚凸に噷TL文件的正確性和合理性有較高的要求，主要是要保證STL模型無裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面，如果不糾正這些錯誤，會造成分層后出現(xiàn)不封閉的環(huán)和歧義現(xiàn)象。錯誤原因的查找和自動修復(fù)一直是快速造型軟件領(lǐng)域研究的一個重要方向。數(shù)據(jù)處理各模塊基本功能簡述如下：數(shù)據(jù)處理軟件一般包含五個主要模塊：STL文件診斷和修復(fù)模塊、加工取向模塊、分層模塊、層片路徑規(guī)劃模塊、顯示模塊。23當(dāng)前23頁，總共63頁。2.加工取向模塊零件加工時的成型方向?qū)α慵圃斓木扔泻艽笥绊?，因此，在選擇成型方向時，要綜合考慮加工設(shè)備的空間要求、成型效率、添加支撐以及排樣合并等因素。3.分層模塊分層模塊的數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵模塊，按照來源數(shù)據(jù)的格式，可分為CAD模型直接分層與STL模型分層；按照分層方式，還可分為等厚度分層及自適應(yīng)分層。4.層片路徑規(guī)劃模塊該模塊用于填充分層后得到的截面輪廓，它將界面輪廓向?qū)嶓w區(qū)域內(nèi)偏移一個光斑半徑，然后對填充方式進行設(shè)計，不同的填充方式會影響零件的精度、強度以及加工時間。5.顯示模塊該模塊可以顯示每層輪廓，并與用戶進行交互。針對不同的CAD模型來源或者快速成型工藝，可能還需要更多的功能模塊。例如：FDM工藝的模型需要添加支撐，固定零件、保持零件形狀、減少翹曲變形必須的。24當(dāng)前24頁，總共63頁。4.5數(shù)據(jù)處理過程

基于STL文件的快速成型數(shù)據(jù)處理主要包括以下內(nèi)容：STL模型文件處理、快速成型前工藝處理、數(shù)據(jù)模型分層處理、以及層片掃描路徑規(guī)劃。具體步驟如下：

首先，將STL模型文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，對模型文件進行處理，主要查找模型文件的錯誤并進行修復(fù)；

然后，進行快速成型前的工藝處理，如確定成型方向、添加支撐等，具體的處理方式與成型方法、成型材料及相應(yīng)的原型后處理過程密切相關(guān)；

隨后，使用分層數(shù)據(jù)處理軟件將模型轉(zhuǎn)化為快速成型設(shè)備所能接受的分層文件格式；

最后，根據(jù)分層的信息，進行層片的掃描路徑規(guī)劃，為最終成型做好準備。25當(dāng)前25頁，總共63頁。4.5.1STL模型文件處理1.STL文件常見錯誤在快速成型制造領(lǐng)域，STL模型文件常見的錯誤主要有以下幾種。（1）間隙錯誤：由三角形面片丟失引起的，當(dāng)CAD模型的表面有較大曲率的曲面相交時，相交部分容易出現(xiàn)因三角形面片的丟失而形成的空洞。（2）法向量錯誤：由于生成STL文件時三角形頂點記錄順序混亂，導(dǎo)致不符合右手法則。

快速成型技術(shù)對STL文件的質(zhì)量有較高的要求，用于快速成型制造的STL模型要無裂縫、無空洞、無懸面、無重疊面或交叉面，如果這些錯誤存在卻得不到糾正，會導(dǎo)致分層處理后產(chǎn)生多種問題（比如出現(xiàn)不閉合的環(huán)），影響快速成型的效率和質(zhì)量，因此文件錯誤的查找和自動修復(fù)一直是快速成型軟件的重點研究方向。間隙錯誤法向量錯誤26當(dāng)前26頁，總共63頁。4.5.1STL模型文件處理1.STL文件常見錯誤在快速成型制造領(lǐng)域，STL模型文件常見的錯誤主要有以下幾種。（3）頂點錯誤：即三角形面片頂點落在另一個三角形面片的某條邊上，違背了STL文件共頂點規(guī)則。（4）重疊和分離錯誤：主要由計算三角形頂點時的舍入誤差造成。（5）面片退化：指小三角面片的三條邊共線，常發(fā)生在曲率變化劇烈的兩相交曲面的相交線附近，主要是因CAD軟件的三角網(wǎng)格化算法不完善所致。重疊和分離錯誤面片退化27當(dāng)前27頁，總共63頁。（6）拓撲信息紊亂：主要由某些細微特征在三角網(wǎng)格化時的自動圓整造成，導(dǎo)致出現(xiàn)如下圖所示三種不允許出現(xiàn)的情況，有此類錯誤的STL模型必須重建。一條邊同屬四個三角面片頂點位于某個三角面片內(nèi)面片重疊28當(dāng)前28頁，總共63頁。2.錯誤修復(fù)STL文件的錯誤往往源于CAD模型存在的問題。對于較大的錯誤，如模型出現(xiàn)空洞、面片丟失等，最好返回CAD軟件中處理；而對于一些較小的錯誤，則可使用快速成型數(shù)據(jù)處理軟件提供的自動修復(fù)功能進行處理，不需再返回CAD軟件重新輸出，從而節(jié)約糾錯時間，提高工作效率。

比利時MaterialiseN.V.公司開發(fā)的Magics軟件就是全球知名的STL模型處理平臺，該軟件具備強大的STL文件編輯和修復(fù)功能。29當(dāng)前29頁，總共63頁。2.錯誤修復(fù)Magics軟件提供的STL修改工具可對STL模型進行全局和局部兩個層次的修改。全局修改針對整個模型，能自動修復(fù)三角形面片的矢量錯誤、間隙錯誤、重疊面錯誤、面片交叉錯誤等；局部修改允許用戶手動逐一修改自動修復(fù)后仍存在的殘留錯誤，當(dāng)所有的錯誤三角形面片修復(fù)完成后，模型將成為一個連貫的整體。

使用該軟件修復(fù)錯誤的主要步驟如下：（1）導(dǎo)入零件的STL數(shù)據(jù)文件，對STL模型進行分析；（2）自動修復(fù)法向量錯誤；（3）自動修復(fù)損壞的邊界

；（4）修復(fù)殘留錯誤。

30當(dāng)前30頁，總共63頁。4.5.2快速成型前工藝處理STL文件修復(fù)完成后，還需要進行快速成型前的工藝處理，這些處理一般包括以下三個方面：定向、排樣及合并、原型分割拼合，添加支撐。1.定向、排樣及合并

在快速成型過程中，成型方向是原型制作精度、時間、成本、強度及所需支撐多少的重要影響因素，因此在成型之前，首先要選擇一個最優(yōu)化的分層（成型）方向。手機面板的兩種成型方向31當(dāng)前31頁，總共63頁。選擇成型方向主要需考慮以下幾條原則：（1）使垂直面數(shù)量最大化。（2）使法向上的水平面最大化。（3）使原型中孔的軸線平行于加工方向的數(shù)量最大化。（4）使平面內(nèi)曲線邊界的截面數(shù)量最大化。（5）使斜面的數(shù)量最少。（6）使懸臂結(jié)構(gòu)的數(shù)量最少。32當(dāng)前32頁，總共63頁。在進行工藝處理時，需要根據(jù)原型的具體用途來確定成型方向：

如果制作該原型的主要目的是評價外觀，那么選擇成型方向時，首先考慮的應(yīng)是保證原型表面的質(zhì)量；

而如果制作原型的主要目的是進行裝配檢驗，那么選擇成型方向時，首先考慮的則是裝配的成型精度，表面質(zhì)量可通過后處理的打磨改善。根據(jù)原型精度要求和成形設(shè)備的加工空間，合理安排原型的擺放位置和成形方向，以使成型空間得到最大利用，提高成形效率。必要時需將一個原型分解成多個部分分別成型，也可將多個STL文件模型調(diào)入合并成一個STL模型并保存。33當(dāng)前33頁，總共63頁。排樣是根據(jù)原型的精度要求和成型設(shè)備的加工空間大小，合理安排原型的擺放位置，使成型空間得到最大化利用的一種方法，可以有效提高成型效率。原型排樣合并是指將多個STL模型合并保存為一個STL模型，這樣可以同時加工多個模型。一個原型制作的時間是各層制作時間的總和，而每層的制作時間包括掃描時間和輔助時間。由于制作單個原型和多個原型所需的輔助時間基本接近，可以通過一次制作多個原型來減少制作每個原型的輔助時間，提高成型效率。34當(dāng)前34頁，總共63頁。2.制件分割拼合通常來說，當(dāng)制件的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，或是制件的成型支撐無法去除，又或是制件的尺寸超出了成型機的工作范圍時，就需要對制件進行分割和拼合。Magics軟件即擁有對制件進行分割的功能，它使用工具中的分割命令繪制分割線，將制件分割為幾個部分，分別打印完成后，再將各部分組裝在一起。如果分割參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng)，甚至不用膠水就能完成組裝。35當(dāng)前35頁，總共63頁。36當(dāng)前36頁，總共63頁。3.添加支撐

理論上，快速成型技術(shù)能夠加工任意復(fù)雜形狀的制件

，但層層堆積的成型原理，要求制件在成型過程中必須具有支撐?？焖俪尚椭械闹蜗喈?dāng)于傳統(tǒng)加工過程中的夾具，對成型中的制件起固定作用。制件的支撐

有些快速成型工藝的支撐是在成型過程中自然產(chǎn)生的，如LOM工藝中切碎的紙、SLS工藝中未燒結(jié)的材料以及3DP工藝中未黏結(jié)的粉末都可以成為后續(xù)層的支撐。

但對于SLA工藝和FDM工藝，則必須由人工添加支撐或者通過軟件自動添加支撐，否則會出現(xiàn)懸空而發(fā)生塌陷或變形，影響零件原型的成型精度，甚至使零件不能成型。37當(dāng)前37頁，總共63頁。3.添加支撐

按其作用不同，支撐可分為基底支撐和對零件原型的支撐兩種。

對制件的支撐是為了避免制件某些部位出現(xiàn)懸空而發(fā)生塌陷或變形，影響制件的成型精度，或者導(dǎo)致無法成型?；字蔚闹饕饔糜幸韵氯鞣矫妫海?）便于將零件從工作臺上取出。（2）保證預(yù)成型的制件處于水平位置，消除工作臺不平整所引起的誤差。（3）有利于減小或消除翹曲變形。添加支撐的方法有手工和軟件自動添加兩種，手工添加法因質(zhì)量難保證、工藝規(guī)劃時間長和不靈活，應(yīng)用很少。添加支撐時，需注意考慮以下因素：1）支撐的強度和穩(wěn)定性2）支撐的加工時間3）支撐的可去除性38當(dāng)前38頁，總共63頁。添加支撐時，需注意考慮以下因素：支撐的添加方法

添加支撐的方法有手工和軟件自動添加兩種，手工添加法因質(zhì)量難以保證，工藝規(guī)劃時間長且不靈活，目前已經(jīng)很少應(yīng)用。（1）支撐的強度和穩(wěn)定性

支撐是為原型提供支撐和定位的輔助結(jié)構(gòu)，良好的支撐必須保證足夠的強度和穩(wěn)定性，使自身和其承載原型不會變形或偏移，保證零件原型的精度和質(zhì)量。（2）支撐的加工時間

支撐加工必然要消耗一定時間，在滿足支撐作用的前提下，加工時間越短越好。因此，在滿足強度的前提條件下，支撐應(yīng)盡可能小，也可加大支撐掃描間距，從而減少支撐成型時間。

目前，許多FDM成型機已經(jīng)采用雙噴頭進行成型，一個噴頭加工實體材料，另一個加工支撐材料，實體材料和支撐材料并不相同，如此不僅可以節(jié)省加工時間，也便于去除支撐材料。39當(dāng)前39頁，總共63頁。添加支撐時，需注意考慮以下因素：（3）支撐的可去除性

制件制造完成后，需將支撐和本體分開。如果制件和支撐黏結(jié)過分牢固，不但不易去除，還會降低制件的表面質(zhì)量，甚至可能在去除時破壞制件。顯然，支撐與制件結(jié)合部分越小，越容易去除。故兩者結(jié)合部位應(yīng)盡可能小。在不發(fā)生翹曲變形的條件下，建議將結(jié)合部分設(shè)計成鋸齒形以方便去除。

目前，F(xiàn)DM工藝普遍使用水溶性支撐材料，成型完畢后將制型置于水中，支撐即可融化，去除非常方便。40當(dāng)前40頁，總共63頁。4.5.3數(shù)據(jù)模型的分層處理

對數(shù)據(jù)模型的分層處理是快速成型數(shù)據(jù)處理中最核心的部分，分層處理的效率、速度及精度的高低，直接關(guān)系到快速成型能否成功。分層是將模型以層片的方式來描述，無論模型多復(fù)雜，對每一層而言都只是一組二維輪廓線的幾何?？焖俪尚蛿?shù)據(jù)模型的分層處理就是對已有的三維模型進行分層，將其轉(zhuǎn)換為快速成型系統(tǒng)所能接受的層片數(shù)據(jù)文件或兼容的中間格式數(shù)據(jù)文件。在對模型進行分層處理前，首先需要選擇一個合理的分層方向以及一個合適的分層厚度，這兩者是影響分層處理結(jié)果的重要因素。41當(dāng)前41頁，總共63頁。1.基于STL模型的分層

快速成型數(shù)據(jù)處理技術(shù)的分層算法按使用的數(shù)據(jù)模型格式，可分為基于STL模型的分層和CAD模型直接分層；按照分層方法可以，則可分為等厚度分層和自適應(yīng)分層。42當(dāng)前42頁，總共63頁。43當(dāng)前43頁，總共63頁。

由于STL模型的表面是由一個個三角形面片組成，因此當(dāng)兩個相鄰分層平面切在同一個三角面片上時，就會在該三角面片上形成階梯。

44當(dāng)前44頁，總共63頁。

由上面的公式可以看出，當(dāng)三角形面片的法向一定時，分層厚度越大，階梯高度越大，原型表面越粗糙；分層厚度一定時，三角形面片法向與分層平面法向（成型方向）的夾角θ是影響所形成階梯高度的直接因素；當(dāng)θ為90o時，該三角面片上不形成階梯，此時層片輪廓是對該處實體輪廓的精確擬合。

在工業(yè)應(yīng)用中，保持從概念設(shè)計到最終產(chǎn)品的一致性非常重要。很多情況下，原始的CAD模型能夠精確表達設(shè)計意圖，但轉(zhuǎn)換成STL文件時的三角形網(wǎng)格化處理就降低了模型的精度。

對于方形物體而言，使用STL格式來表示精度還是比較高的，但對于圓柱形、球形物體來說，用STL格式表示的模型精度就不盡如意了，因此直接從CAD模型中獲取截面描述信息的CAD模型直接分層算法應(yīng)運而生。

45當(dāng)前45頁，總共63頁。2.CAD模型直接分層

與基于STL文件的分層相比，直接對原始CAD模型進行分層更容易獲得高精度的模型。而CAD模型的直接分層算法可以從任意復(fù)雜的三維CAD模型中直接獲得分層數(shù)據(jù)，并將其存儲為快速成型系統(tǒng)能接受或兼容的格式文件，驅(qū)動快速成型系統(tǒng)工作，完成原型加工。

基于STL模型的分層與CAD模型直接分層的比較如下圖：基于STL模型分層基于CAD模型直接分層46當(dāng)前46頁，總共63頁。

對CAD模型直接分層，就是用一組平行的分層平面對三維CAD模型進行分層，其實質(zhì)是將分層平面與三維CAD模型相交并記錄下交線數(shù)據(jù)，也就是所需要的二維輪廓數(shù)據(jù)。

具體步驟大致是：

在確定分層方向后，做出剖切基準線及剖分平面，確定相關(guān)尺寸（實體高度、切片厚度、并以程序自動循環(huán)出的層數(shù)作為剖切循環(huán)次數(shù)）；

然后開始分層，程序自動循環(huán)直至分層完畢。在分層過程中，每切一次都應(yīng)該保存二維輪廓數(shù)據(jù)，以供后置的編程軟件讀取并生成掃描路徑，最終傳送到快速成型系統(tǒng)中，進行輪廓加工。2.CAD模型直接分層47當(dāng)前47頁，總共63頁。

在加工高次曲面時，直接分層方法明顯優(yōu)于基于STL模型的分層方法。相比較而言，使用原始CAD模型進行直接分層具有如下優(yōu)點：（1）能減少快速成型的前處理時間。（2）無需STL格式文件的檢查和糾錯過程；（3）降低模型文件的規(guī)模，對于遠程制造的數(shù)據(jù)傳輸很重要；（4）直接采用快速成型數(shù)控系統(tǒng)的曲線插補功能，提高制件的表面質(zhì)量；（5）提高制件的精度。48當(dāng)前48頁，總共63頁。對原始CAD模型直接分層的做法也存在一些潛在的問題和缺點，簡述如下：（1）難以為模型自動添加支撐，且需要復(fù)雜的CAD軟件環(huán)境。（2）文件中只有單個層面的信息，沒有體的概念。（3）在獲得直接分層文件之后，就不能重新指定模型加工方向或旋轉(zhuǎn)模型，因此需要設(shè)計者具備更專業(yè)的知識，在設(shè)計時就考慮好支撐的添加位置，并明確最優(yōu)的分層方向與厚度?；贑AD模型的直接分層的處理對象是精確的三維模型，因此可以避免許多STL格式的局限性所導(dǎo)致的問題，但由于各類CAD系統(tǒng)之間往往不兼容，造成CAD模型直接分層的通用性較差，目前正在研究改進之中。49當(dāng)前49頁，總共63頁。3.等厚度分層

等厚度分層就是用等間距的平面對數(shù)據(jù)模型進行分割，并計算每一個切割平面與數(shù)據(jù)模型的交線，最終得到的封閉交線就是每一層截面的輪廓邊界。

對三維CAD模型來說，是等間距的分層平面與零件幾何模型的交線，而對STL模型來說，是等間距的分層平面與若干個小三角平面之間的交線，形成的輪廓線則是由這一系列交線的線段集來表示。實體模型分層前的剖面圖分層后的剖面圖50當(dāng)前50頁，總共63頁。從上圖可以看出，快速成型的疊加制造原理會不可避免的導(dǎo)致原型表面出現(xiàn)所謂的“階梯效應(yīng)”，這種階梯效應(yīng)會對制件的某些性能造成影響，主要體現(xiàn)在以下三個方面：1）對制件結(jié)構(gòu)強度的影響對殼體制作的等厚度分層會導(dǎo)致圓角處層與層之間結(jié)合強度下降，但如果都采用最薄的層厚度切片，則加工時間會成倍增加。2）對制件表面精度的影響分層的厚度會導(dǎo)致制件出現(xiàn)階梯狀表面，影響制件表面的光滑度，使制件表面質(zhì)量變差。3）階梯效應(yīng)導(dǎo)致的制件局部體積缺損（或增加）

圓角過渡表面的法向量與成型方向夾角越小，制件的體積缺損就越嚴重。51當(dāng)前51頁，總共63頁。4.自適應(yīng)分層

自適應(yīng)分層法是為了解決等厚度分層法存在的問題而出現(xiàn)的，它可以根據(jù)制件輪廓的表面形狀自動改變分層厚度，以滿足制件表面的精度要求：當(dāng)制件表面傾斜較大時，選擇較小的分層厚度以提高成型精度，反之，則選擇較大的分層厚度以提高加工效率。

自適應(yīng)分層與等厚度分層方法的比較如下圖所示。等厚度分層自適應(yīng)分層52當(dāng)前52頁，總共63頁。

目前，自適應(yīng)分層算法可歸納為兩類，一類是基于相鄰層面積變化的算法；另一類是基于分層高度處三維實體輪廓表面曲率的算法。

基于相鄰層面積變化的自適應(yīng)分層算法，即根據(jù)相鄰兩個層片的面積變化情況來決定分層高度，在當(dāng)前層片面積與前一層片的面積比的絕對值大于（小于）一定值時，則改變分層厚度。

基于分層高度處三維實體輪廓表面曲率的算法，即在確定某一層的分層厚度時，首先計算系統(tǒng)允許的最大分層高度下的各相交三角形面片上生成的最大階梯高度，當(dāng)最大階梯高度大于所要求的值時，則減小分層高度，直到所選取的分層高度使的所有相交三角形面片上生成的最大階梯高度都小于一定值時，就將此高度作為這一層的分層高度。

由上可見，這種算法需要進行非常多次的試切處理，會增加了大量計算，影響處理速度。53當(dāng)前53頁，總共63頁。4.5.4層片掃描路徑規(guī)劃

快速成型技術(shù)是一種離散的分層制造技術(shù)，零件三維模型分層處理后得到的只是模型的截面輪廓，在后續(xù)過程中需要根據(jù)每層片截面輪廓信息生成掃描路徑，包括輪廓掃描的路徑和填充掃描的路徑。截面輪廓的掃描路徑54當(dāng)前54頁，總共63頁。

輪廓掃描路徑有可能出現(xiàn)自相交，形成無效環(huán)。如果不對這些無效環(huán)進行處理，就有可能生成錯誤的加工路徑，甚至無法生成填充掃描路徑，嚴重影響制件的尺寸和形狀。

在成型過程中，噴頭或激光頭會以一定掃描路徑對輪廓內(nèi)部的實體進行填充，這一過程稱為填充掃描，占用了快速成型加工的大多數(shù)時間。而在一個封閉輪廓區(qū)域內(nèi)進行填充掃描時，有以下幾種掃描路徑可供選擇：1.平行掃描

平行掃描是快速成型最基本也是最常用的填充掃描路徑，采用此種路徑進行填充掃描時，所有的掃描線均平行，掃描線的方向可以是X向、Y向或XY雙向。55當(dāng)前55頁，總共63頁。

平行掃描類似于計算機圖形學(xué)中的多邊形填充算法，它用水平掃描線自上到下（或自下到上）掃描由多條首尾相連的線段構(gòu)成的多邊形，計算掃描線與多邊形的相交區(qū)間，用區(qū)間的起點和終點控制掃描長度，從而得到一條掃描路徑，如此反復(fù)，即可將多邊形的區(qū)域填充完畢。

對單獨一條掃描線的計算步驟為：（1）求交——計算掃描線與多邊形各邊的交點。

（2）排序——將所有的交點按遞增順序進行排序。（3）交點配對——將排序后的交點配對，如第一個與第二個配對，第三個與第四個配對，等等。每對交點就代表掃描線與多邊形的一個相交區(qū)間。

（4）掃描線生成——由已經(jīng)配對的起點和終點得到區(qū)域內(nèi)的一條掃描路徑。56當(dāng)前56頁，總共63頁。

平行掃描方法簡單且容易實現(xiàn)，但也有一些缺點：

首先，掃描過程中的啟停次數(shù)隨著制件的復(fù)雜度而增加，比如SLS設(shè)備需要光開關(guān)，即當(dāng)掃描到制件實體部分時光開關(guān)打開，掃描到非實體部分時光開關(guān)則關(guān)閉，而頻繁的開關(guān)操作會有損激光器壽命；

其次，平行掃描是沿一個方向?qū)⒁徽麄€層片掃描完畢，每個掃描線的方向相同，這就意味著每條掃描線的收縮應(yīng)力方向一致，增加了翹曲變形的可能性。57當(dāng)前57頁，總共63頁。2.分區(qū)域掃描

平行掃描雖然簡單易行，穩(wěn)定可靠，但掃描效果差，制件極易產(chǎn)生翹曲變形，而用于激光掃描時，不僅會在掃描中產(chǎn)生大量空行程，而且需要不斷地開閉激光器，效率較低。

分區(qū)域掃描在一定程度上克服了掃描線過長，激光頻繁開關(guān)的問題。它將整個層片劃分為若干個區(qū)域，然后在劃分好的區(qū)域內(nèi)分別進行往返掃描，填充完一個區(qū)域后，再進行下一個區(qū)域的填充。分區(qū)域掃描可以顯著提高制件的成型效率，在制件精度、強度等均能滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用此種高效的掃描方式。58當(dāng)前58頁，總共63頁。

分區(qū)域掃描遇到空行程時，掃描線會在局部區(qū)域折返掃描這