（机械制造及其自动化专业论文）理想材料零件数字化制造中的定向优化算法研究.pdf

理想材料零件数字化制造中的定向优化算法研究 摘要 理想材料零件( i d e a lf u n c t i o n a lm a t e r i a lc o m p o n e n t s ，i f m c ) 是指按照零件 的最佳使用功能要求来设计制造的，由均质材料、呈梯度变化的组织成分、按 一定规律分布的细结构材料咀及嵌入器件构成，实现材料组织结构和零件性能 最佳组合的零件。理想材料零件满足了尖端技术对零件的梯度功能和智能化等 性能的苛刻要求，同时也能达到节约资源的目的，因此对理想材料零件的设计 制造技术的研究势在必行。i f m c 的制造是零件几何形状与材料同时制备的并 行过程，必须采用数字化制造技术。快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 技术是数字化制造的基础技术之一，它将零件的制造由 三维空间转换到二维空间，不仅使复杂零件制造成为可能，而且能根据设计特 征，定制零件内部的材料分布特征。因此，一般采用r p m 的工艺方法来制作 理想材料零件。 在r p m 工艺全过程中，待加工零件生长方向的选择是零件c a d 模型数据 前处理的一个重要环节，它会影响零件表面粗糙度、制造效率、制造成本和制 造过程可靠性等。由于i f m c 内部变化的材料分布特征，使得传统r p m 工艺 中的定向优化算法不能完全适应i f m c 的分层制造。本文以i f m c 的单纯剖分 数据为基础，根据i f m c 的材料特性和数字化制造特点，综合考虑其几何和材 料特征，研究i f m c 重心和三维凸壳的求解算法，提出了以零件制作时间最短 及基础面面积最大作为优化目标，以零件整体稳定性及限定的台阶误差为约束 条件的定向优化算法，并通过计算实例，对算法的可靠性进行了验证。 针对i f m c 内部材料的非均匀性，本文改变了传统的s t l 数据文件格式， 本文采用四面体网格剖分形式，以同时表述零件的几何信息、拓扑信息和材料 信息。实现了理想材料零件r p 制造中数据前处理的自动化和数据格式的统一 化( 前处理包括数据模型构造、选择定向、添加支撑和切片处理，其中数据模 型构造和切片处理部分已由本课题组完成) 。本文提出的i f m c 的重心坐标求 法，不仅是定向算法中的重要组成部分，而且会对i f m c 的其他方面研究产生 重要作用。 在w i n d o w s 2 0 0 0 操作平台上，采用v c + + 编程技术，结合o p e n g l 图形库 的三维显示功能，开发了定向优化软件模块，实现理想材料零件c a d 模型三 维实体显示、模型平移、旋转、缩放，面向自适应切片的自动定向等功能。本 软件模块采用面向对象的编程方法，具有良好的可扩充性和可移植性，以及较 友好的用户界面。 关键词：理想材料零件、快速原型制造、定向、优化 理想材料零件数字化制造中的定向优化算法研究 a b s t r a c t i d e a lf u n c t i o n a lm a t e r i a ic o m p o n e n t s ( i f m c ) i sa nh e t e r o g e n e o u so b j o c tw h i c hi s d e s i g n e dt o a c h i e v et h eb e s tu s ef u n c t i o n ，a n dc o n s t r u c t e d b yc o m p o s i t i o nm a t e r i a l s ， p e r i o d f u n c t i o n a l m e s o s t r u c t u r e ( p m s ) ，f u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l s ( f g m 、a n d h o m o g e n e o u sm a t e r i a l s i f m cc a nm e e tt h es e r v i c ef u n c t i o n a la n di n t e l l i g e n td e m a n d s o fh i g ht e c h n o l o g y , a n dt h u s r e s e a r c h e so nd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go fi f m ca r e h a v i n gb e e nah o ts p o ti nr e c e n ty e a r s t h eh e t e r o g e n e o u sc h a r a c t e r i s t i co fi f m cc a l l s f o rt h ed i g i t a lc o n c u r r e n td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ( d c d m ) t e c h n o l o g y r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ( r p m ) t e c h n o l o g y , o n eo ft h ef o u u d a t i o n a lt e c h n o l o g i e so f d c d m ，i sa ne m e r g i n gt e c h n o l o g yf o rc r e a t i n gp h y s i c a lp r o t o t y p e sf r o mc a dm o d e l s l a y e rb yl a y e r t h ea d d i t i v e s u b t r a c t i v e c h a r a c t e r i s t i co fr p mi u s tm e e t st h e r e q u i r e m e n to fd c d mf o ri f m c ，s or p mt e c h n o l o g y i s0 1 2 eo ft h em o s tf e a s i b l e m e t h o d sf o rm a n n f a c t u r i n gi f m cu n t i ln o w s i n c et h ep r o c e s so fr p mi sb o t t o m t o - u pb u i l d i n g p r o c e s s ，v e r yl i k et h eg r o w t h o fa p l a n t ，i t 1 s n e c e s s a r y t o s e l e c tas u r f a c eo ft h e c o m p o n e n ta s b o t t o mb e f o l et h e c o m p o n e n t i sb u i l t ，n a m e l y , t of u l f i l io r i e n t a t i o nf o rt h ec o m p o n e n t m o d e l 0 r i e n t a t i o ni s v e r yi m p o r t a n tf o rm o s tr p m t e c h n o l o g i e sa si t a f 艳c t st h es u r f a c ef i n i s ho f c o m p o n e n t e m c i e n c y , c o s t ，a n dr e l i a b i l i t yo fc o m p o n e n tp r o c e s s a sf o ri f m c a p a r tf r o mf a c t o r s m e n t i o n e da b o v e ，d i f f e r e n to r i e n t a t i o nw i l lh a v ed i f i e r e n tm a t e r i a le r r o r a l t h o u g ht h e r e i sn oo r i e n t a t i o no f fw h i c ha l lt h ea b o v ef a c t o r sc a nb e o p t i m i z e d i ti sp o s s i b l et oc h o o s e t h em o s ti m p o r t a n to n eo rs e v e r a lf a c t o r sa s o p t i m i z a t i o no b j e e t i v e t od e t e r m i n ea c o m p a r a t i v e l yo p t i m a lb u i l do r i e n t a t i o n b e c a u s eo ft h en o n h o m o g e n e o u sm a t e r i a i c h a r a c t e r i s t i co fi f m c ，t h e a l g o r i t h m s o fo r i e n t a t i o n o p t i m i z a t i o nf o rc o n v e n t i o n a l h o m o g e n e o u sp a r ta r en o ts u i t a b l ef o ri f m c a f t e rr e s e a r c h i n gt h ef e a t u r e so fi f m c b a s e do nt h e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s f o rc o n v e n t i o n a l h o m o g e n e o u sp a r t a n e w a l g o r i t h mo f o r i e n t a t i o no p t i m i z a t i o nf o ri f m ci sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i no r d e rt of i n d t h eb u i l do r i e n t a t i o nf o ri f m c a no p t i m i z a t i o n e q u a t i o nw i t ht h em u l t i o b j e c t i v eo f m i n i m u ms l i c en u m b e ra n dm a x i m u mb o t t o ms u r f a c ea r e ai s e s t a b l i s h e d u n d e rt h e r e s t r i c t i o no ft h es t a b i l i t ya n dt h eg i v e ns t a i r s t e p e r r o r t h e n ，a na l g o r i t h mw i t h o u t 1 i m i t a t i o nt oa n y p a r t i c u l a rr p mt e c h n i q u e t os o l v et h ee q u a t i o ni sp r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h eh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i co fi f m c ，an e wd a t af o r m a t b a s e do ns i m p l es u b d i v i s i o no fm o d e lw i t ht e t r a h e d r o n ，i n s t e a do fs t l f o r m a t ，i sa p p l i e d s i m u l t a n e o u s l y t od e s c r i b e g e o m e t r y ，t o p o l o g y a n dm a t e r i a l i n f o r m a t i o no ft h e c o m p o n e n t s oa st or e a l i z ea u t o m a t i z a t i o no fd a t ap r o c e s s i n ga n du n i f i c a t i o no fd a t a f o r m a td u r i n gt h ew h o l er p m p r o c e s so fi f m c m o r e o v e r , am e t h o do fc a l c u l a t i n g g r a v i t y c e n t e rc o o r d i n a t eo fi f m ci sa l s o p r o p o s e d ，w h i c hi s o n eo ft h e i m p o r t a n t c o n t e n ti nt h ea l g o r i t h mo fo r i e n t a t i o no p t i m i z a t i o na n d ，i su s e dt od e t e r m i n ew h e t h e r t h e c o m p o n e n t i ss t a b l eo rn o ti nt h i so r i e n t a t i o n 理想材料零件数字化制造中的定向优化算法研究 as y s t e ms o f t w a r em o d u l ei sd e v e l o p e dw i t hv c + + o nw i n d o w s2 0 0 0p l a t f o r m i t h a st h ef u n c t i o n sa sf o l l o w i n g ：d i s p l a y i n g ，m o v i n g ，r o t a t i n g ，e n l a r g i n ga n dr e d u c i n go f 3 dc a dm o d e l ，a n da u t o m a t i c o r i e n t a t i n g o fi f m cb a s e do n a d a p t i v es l i c i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：i d e a lf u n c t i o n a lm a t e r i a lc o m p o n e n t ，r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g o r i e n t a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 理想捌料零利：数字化制造中的定向优化算法研究 第一章绪论 1 1概述 人类进入2 1 世纪，宇航、电子、原子能和海洋技术等领域的迅猛发展使传 统的均质或经简单表面涂覆的零件不能满足性能要求。例如，轨道上的卫星抛 物天线要具备抵抗摄氏一l8 0 1 2 0 度的恶劣温度变化的能力，其开口直径目前一 般为2 5 - 3 0 m ，对制造误差和轨道上的热变形要求达到型面均方根误差为 o 2 l t l i t ，；据预测，未来几年要研制开口直径为l o m 的天线，对型面的均方根误 差要求仍为0 2 m m ，这就要求材料的线膨胀系数必须接近于零；再譬如，压电 材料具有将机械能转变成电能的功能，由其制成的传感器已广范应用于机器 入、医疗器械、水下声纳等领域，但为迸一步提高其信号转换效率，就要降低 材料的宏观体弹性模量，或使材料具有负的泊松比，理论计算表明，如果材料 的泊松比由03 降为1 ，则体弹性模量将降低1 0 倍，可显著提高压电传感器的 性能【2 1 。一般单质的材料很难同时兼顾单项指标和综合性能的要求，存在难以 克服的局限性，如单一陶瓷的脆性、有机材料的低模量、金属材料的比强度和 比模量不高等。如果把两种或两种以上不同性能的材料按一定的比铡、一定的 方式加以复合，或在内部加入细结构，将会产生一种优于原材料的特性，并使 材料具有可设计性。理想材料零件满足了尖端技术对零件的梯度功能和智能等 性能的苛刻要求，同时也能达到节约资源的目的，因此对理想材料零件的设计 制造技术的研究势在必行川。目前，国内外很多研究机构纷纷致力于非均质材 料零件设计、制造的研究，形成了先进制造技术领域的又研究热点 2 - 3 1 。 1 1 1 理想材料零件的定义及其数字化设计制造 ( 1 ) 理想材料零件的定义 理想材料零件( i d e a lf u n c t i o n a lm a t e r i a lc o m p o n e n t s ，简称i f m c ) 概念的 产生是仿生学的又一成果。自然界中的众多生物体结构经过长期的优胜劣汰， 其功能和结构达到了几乎完美的程度。例如竹子、骨骼之类的生物体结构，由 于内部材料体分比结构的变化，以及内部介观尺度上细结构的存在，使之具有 了一般结构所难以比拟的卓越性能。类似这样，按照零件的最佳使用功能要求 来设计制造的，幽均质材料、呈梯度变化的组织成分、按一定规律分匆的细结 构材料以及嵌入器件构成，实现材料组织结构和零件性能最佳组合的零件，就 是理想材料零件一j 。如图11 所示，它面向具体的力学、热学、电磁学等多方 面的梯度功能和智能等性能使用要求，在不同的区域，结合预设的几何特征、 工艺特性及l 信近区域的材料特性，选择最适合的构材，如单质材料、复合材料、 望塑塑翌雯壁垫至些圭! 丝! 塑壁塑垡些簦! 望堕壅一 功能梯度材料、周期性功能细结构，甚至包括内嵌的传感器、执行器等。 细结构 负泊松比 细结构 层片结构 图11 理想材料零件 f i g | 1i d e a lf u n c t i o n a lc o m p o n e n t s ( 2 ) 理想材料零件的数字化设计制造要求 从材料制备和零件制造技术研究的历史和发展趋势来看，可将制造技术分 为3 个层次：传统的制造技术，数字化的并行设计制造技术和生物制造技术。 传统的制造技术以材料的制备和零件制造相分离为主要特点，一般先制造 不同类型的原材料，再根据零件的性能要求进行选择，然后通过材料去除或受 迫成形的方法获得所需的零件；仿生制造技术是通过模仿生命体生长和发育成 形的自组织的机制和模式，实现由内在信息模型控制下的零件自生长成形，可 制造出任意复杂或具有生物特性的零件：数字化的并行设计制造技术以材料与 零件的一体化、集成化设计制造为主要特点，可根据零件功能要求进行零件的 外部几何拓扑形状和内部材料组织细结构的并行设计，并采用增材和去材相结 合的快速原型制造技术，按照数字化设计的信息，一次完成零件内部组织结构 和三维形体的制造。 理想材料零件的设计制造需要兼顾各组分材料的性能和零件的功能要求，把 材料的制备和零件制造过程相分离的传统的制造模式已经不能满足这种新型零 件的设计制造要求；仿生制造技术是最高层次的制造技术，也是制造技术所追 求的理想目标，但生物体的自组织作用的“自成形”原理和机制十分复杂，要 ：恪“自成形”技术应用在零件制造中的成形技术，还需要许许多多理论和技术 基础相支撑，将是一个十分漫长而遥远的过程。因此，传统的制造技术和仿生 医 理想材料零件数字化制造中的定向优化算法研究 制造技术都不适合于理想材料零件的制造。 数字化设计制造技术通过数字化设计使得零件的材料信息和几何、功能信 息数字化，制造过程中根据这些信息来控制数字化单元材料组织的结合与融 合，从而实现材料与零件的一体化制造。数字化设计制造技术以新材料科学、 计算物理学、计算力学、均匀化理论和快速成型技术等为基础，并能充分融合 材料去除加工和增长加工的优点，适合于理想材料零件的设计制造，并且资源 利用率较高，其研究工作方兴未艾。 理想材料零件的数字化设计制造是按指定宏观性能定做新材料零件，按生 产要求设计最佳的制备和加工方法。这一方面需要查明材料的组分、细结构和 性能的关系，另方面需要掌握材料的制备、合成加工的方法与条件。其核心 和关键是其材料细结构设计，旨在通过对其基本参数的选择、组合和协调，来 实现其宏观物理特性的梯度变化，使零件的某些指标满足特定的工程要求。这 实际 二是一个庞大的系统工程，要求零件结构设计制造的任务和材料设计制备 的任务并行实施，这就需要设计制造过程的全面数字化来实现，通过数值模拟 获取材料和零件的设计形式和最佳的工艺方案，以实现材料与零件高效优质制 各制造。 ( 3 ) 理想材料零件数字化设计制造系统 根据理想材料零件数字化设计制造的特点，其数字化设计制造系统主要由 数字化设计子系统、数字化去除加工子系统和数字化堆积成型子系统三部分组 成。而这三部分之间又通过网络互连，如图1 2 所示。 图1 2 理想材料数字化设计制造系统 f i 9 1 2d i g i t a ld e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mf o ri f m c 数字化设计子系统由计算机系统和相应的设计软件构成，主要完成零件的 理想材料至丛塑兰些型垄! 盟塞塑! i 些簦堕塑塞 一 一 眭能、结构与几何参数的优化和设计并可实现零件和产品的仿真和虚拟制造； 数字化去除加工子系统由各类型数控加工机床构成，它通过网络获得数字化殴 计的结果和加工的信息，利用数控加工机床实现对原材料和零件的数字化去除 加工；数字化堆积成型子系统由数字化堆积成型设备构成( 目前主要为各类快 速原型制造设备) ，它可以根据材料的构成和工件性能的要求采用相应的设备 完成一元或多元材料的直接成型制造。 理想材料零件的数字化设计制造研究领域广阔，它包括了多方面的现代设 计万法和先进制造技术。其中，快速原型制造技术是理想材料零件进行数字化 制造的一个重要基础技术，是实现理想材料零件数字化设计制造的重要技术之 1 12 快速原型制造技术概述 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) 技术，也称离 散堆积制造( d i s p e r s e d a c c u m u l a t e df o r m i n g ) 、材料累积制造( m i m ，m a t e r i a l i n c r e a s i n gm a n u f a c t u r i n g ) 、分层制造( l m ，l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g ) 、实体目 由成形制造( s f f ，s o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o n ) 、即时制造( i n s t a n t m a n u f a c t u r i n g ) 等【14 1 引，是二十世纪8 0 年代末开始商品化的一种高新制造技 术，也是目前非均质材料零件制造所普遍采用的制造方法。 ( 1 ) 快速原型制造的基本原理及其特点 快速原型制造技术将计算机辅助设计与制造( c a d & c a m ) 、精密伺服驱动、 计算机数控( c n c ) 、激光技术及材料科学等先进技术集于一体，突破传统的 去除成形、受迫成形的成形模式，应用分层堆积的概念制造零件6 1 。通过分 层获得堆积的路径、条件和方法，通过堆积材料“叠加”形成三维实体。分层 堆积的工作过程是：先将c a d 模型离散化，从某一方向将几何体切成许多“薄 片”即( 分层) ，然后在分层信息的控制下，在快速成型设备上按照这些轮廓 线，或者用激光束选择性地切割一层层的纸，或固化一层层的液态光敏树脂， 或熔化塑料粉、会属基陶瓷基粉来烧结一层层的粉末材料；或者用喷射源选 择性地喷射一层层的粘结剂、热塑性材料等，从而形成各截面轮廓，并逐步叠 加成三维产品。分层堆积原理的实质就是通过离散把三维制造问题转化为一 系列二维制造的叠加，是一个分解一一综合的过程。快速原型技术有以下特点 14 j ： 1 ) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用； 2 ) 原型的复制性、互换性高； 3 ) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越 4 ) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低 5 0 ，加工周期节约7 0 以上； 5 ) 高度技术集成，可实现了设计制造一体化。 理想捌料零利：数字化制造中的定向优化算法研究 ( 2 ) 快速原型制造技术的主要工艺方法 1 9 8 8 年，美国的3 ds y s t e m 公司生产出第一台快速原型机一一s l a _ 2 5 0 ， 丌创了快速原型技术发展的新纪元。在此后的1 0 多年里涌现了l 0 多种不刊形 式的快速原型技术和相应的快速成型机，并在工业、医疗及其他领域得到了普 遍的应用。下面简要地介绍一下最有代表性的几种快速成型技术”“。 1 ) 液态光敏聚合物选择性固化( s t e r e o l i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ，简称s l a ) 图1 3 中所示的s l a 加工系统由液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统 和计算机数控系统等组成，其中液槽中盛满液态光敏聚合物。开始时，可升降 工作台的上表面处于液面下一个截面厚度的高度，陔层液态光敏聚合物被激光 图1 3s l a 加工过程 f i 9 1 3t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r eo fs l a 束扫描而发生聚合固化，并形成所需的第一层固态截面轮廓后，工作台下降一 层高度，液槽中的液念光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层，刮刀按照设定的 层高作往复运动，刮去多余的聚合物，再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫 描固化，形成第二层所需固态截面轮廓，新固化的一层能牢固地粘结在前层 上，如此重复直至整个制件完毕。 2 ) 分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) l o m 工艺一般采用热敏感类箔材 ( 如纸等) 作为成形材料，其成型原 理如图14 所示。成形时，激光器先 按照最底层的c a d 三维实体模型的 切片平面信息数据对铺在工作台上 的箔材作轮廓切割，之后，工作台下 降层高度，重新送入2 层材料铺在 底层之上，并用加热辊滚压，与底层 粘牢，激光器按对应数据作轮廓切 割，如此反复至整个三维零件制作完 成。 图14l o m 原理示意幽 f i 9 1 4t h es k e l e t o nd r a w i n go fl o m 一望塑堑型至丛塑量些型兰! 塑壅旦垡些璺鲨塑茎一 3 ) 融积成型技术( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) f d m 的制造过程为：首先通过软件将零件的c a d 模型分为一层层极薄的 截面生成控制f d m 喷嘴移动轨迹的几何信息。运作时，f d m 加热头把热型 材料f 如聚脂塑糊、a b s 塑料、蜡等) 加工到临界状念，在计算机的控制下，喷 嘴沿着c a d 确定的平面几何信息数据运动并同时挤出半流动的材料，沉积到 化成精确的实际零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层并同样固化之，且 与已固化层牢固地连接在一起，如此反复形成三维实体。 4 ) 选择性激光烧结( s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ，简称s l s ) s i 。s 的成型过程与s l a 类似，用c 0 2 红外激光对盒属粉末或塑料粉术一层 层地扫描加热使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。 成型时，随着工作台的分步下降，铺粉器将粉末一层层撒在工作台j ：，再甩滚 筒将粉术滚平、压实，每层粉末的厚度均对应于c a d 模型的切片厚度。各层 经激光扫描加热的粉末被烧结到其基体上，而未被激光扫描的粉末仍留在原处 起芰撑作用，直至烧结出整个零件。 ( 3 ) 快速原型制造技术的工艺流程 l 构造三维模型i 一! 一一l l 模型近似处理l 图1 5 快速成型制造的全过程 f i g1 5t h ew h o l ep r o c e d u r eo fr p m 理想捌料零利：数字化制造中的定向优化算法研究 尽管快速原型制造工艺各不相同，但大致的工艺流程基本上可归纳j , j 以下 三个步骤 18 1 ( 图1 5 ) ： 1 ) c a d 数据处理它包括工件的三维模型构造、三维模型的近似处理、 模型成型方向的选择和三维模型的切片处理。 2 ) 分层叠加成型它包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合，是快速 成型的核心步骤。 3 ) 后处理它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表咖强化处 理等。 由于快速原型制造技术具有传统的制造方法所无法比拟的优势，所以近年 来发展迅速，已成为现代制造技术中的一项支柱技术，同时，其流程中的定向 优化、切片处理、工艺方法等关键步骤都被国内外研究者作为研究重点分别进 行了深入地研究，并取得了一定的成果。 ( 4 ) 快速原型制造中的定向优化 对待成型零件进行定向优化是快速原型制造工艺过程中c a d 数据处理中 的重要步骤。将工件的三维数据文件输入成型机后，可建立工件的三维实体模 型，用一定的显示软件对该模型进行旋转，可得到不同的零件成型方向。所谓 定向优化就是从上述不同的方向中选择一个最优的作为零件的成型方向对零 件进行生长成型。零件的成型方向会对工件的品质、材料成本、制作时f 自j 、零 件性能产生很大的影响，因此，定向是快速原型制造过程中的一个不可或缺的 步骤。 1 ) 成型方向对工件品质的影响。 无论何种成型方法，影响精度的主要因素是台阶误差。台阶误差( s t a i r s t e p e r r o r ) 是指由于层厚的存在而在各层间产生的台阶状的误差，它主要是用误差 三角形的高度来衡量的。由于快速原型制造技术实质上是一种2 5 维的制造模 式，其叠加过程所产生的台阶误差无法完全消除，但可通过一些方法来减小， 定向优化处理就是其中一种有效的手段。 具体地说，对于s l a 成型，影响精度的主要因素是台阶效应、z 向尺寸超 差和支撑结构的影响：对于s l s 成型，由于其无基底的支撑结构具有大截面的 部分易于卷曲，从而导致歪扭和其它问题，因此影响精度的主要因素是台阶效 应和基底的卷曲：对于f d m 成型，为提高成型精度，应尽量减少斜坡表面的 影响以及外支撑和外表面之间的接触。上述影响零件成型精度的因素无一不和 零件的生长方向相关。 2 ) 成型方向对支撑结构的影响 r p m 工艺在成型过程中都需要支撑一一无论是专门添加的，还是自然产生 的。有些工艺在成型加工时需要通过软件添加支撑结构，如f d m 和s l a ：另 外些工艺在成型过程中不需要另外添加支撑，而是用自身材料作为支撑，如 l o m 中切碎的纸、3 d p 中未喷粘结剂的粉末、s l s 中未烧结的材料都成为上 堡塑塑坚耋丛塑主些型堕! 盟塞囹垡些塞鲨婴塞一 层面的支撑。对f d m 和s l a 成型来说支撑结构的总体积关系到支撑材料成 本的大d 、，还会影响生长时间：由于在后处理中必须把支撑结构从工件中剥离， 会破坏工件表面质量，因而支撑结构与工件表面的接触面积大小也是衡量生长 方向好坏的一个标准。 3 ) 成型方向对制作时间的影响。 r p m 的一个重要特点为“快”，因而如何缩短生长时间是r p m 的一个研究 热点。根据零件成型的具体过程，工件的成型时间由前处理时间、分层叠加时 阳j 和后处理时间三部分组成，其中，前处理时间是成型数据的准备过程，通常 只占总制作时间的很小一部分，可不考虑。后处理时间取决于工件的复杂程度 和所采用的成型方法。对于无需支撑结构的成型，后处理时间可看成与成型方 向无关；当需要支撑结构时，后处理时间与支撑的体积有关，因此与成型方向 有关。因此，成型时间大致等于层成型时间及层与层之间的中间处理州蒯之和， 它随成型方向而变化。 4 ) 成型方向对材料成本的影响。 不同的成型方向会导致不同的材料消耗量，进而影响零件的制造成本。对 于需要外支撑结构的快速成型工艺，如s l a 和f d m ，材料的消耗量还要包括 制作支撑结构的材料需求，而支撑结构的大小和零件的生长方向直接相关。另 外，对于l o m 成形，由于其废料部分不能再用于成型，因此材料的消耗量与 不同成形方向是产生的废料量有很大的关系。 5 ) 成型方向对零件内部材料特性的影响。 由于本文中所处理的零件为非均质的理想材料所构成的，在某种意义上来 晓，内部材料特性比零件的表面质量更为重要。与零件外表面成型相似，内部 材料也会产生所谓的阶梯效应，不同的成型方向会有不同的误差效果，从而产 生不同的材料特性。 零件生长方向的选择会对很多因素产生影响，且各因素之间又有相互制约， 因此，要找到一个“绝对最优”的生长方向来使所有的因素都达到最优是不可 能实现的。在实际加工过程中，可以根据要求，选择个或几个最重要的因素 作为目标进行优化，以找到满足浚目标的“相对最优”的生长方向。 113 理想材料零件定向优化研究的必要性 在快速原型制造技术诞生之初，技术工人大多依靠经验用手工选择待成型 零件的生长方向，其效率和精确率都较低。2 0 世纪9 0 年代开始，国内外研究 机构纷纷成立专门的机构进行快速原型制造技术的研究，定向优化作为快速原 型制造技术中的一个重要问题得到了国内外研究者的关注，并相继提出了一些 较为有效和实用的定向优化算法1 1 9 - 3 ，有一些已被应用到实际制造过程中。 对于理想材料零件，出于其内部材料分布的不均匀性，在定向过程中，除 了零件的几何因素之外，还需要考虑其内部材料特性对成型方向的影响。但目 望塑坚型量笪塑主些型丝盟塞塑垡些星鲨婴至一 前所有的定向优化算法都是以传统的均质材料零件为对象提出的，它们只考虑 了零件几何因素对零件生长方向的影响，显然不能直接把这些算法直接用于理 想捌料零件，因此，完全有必要针对理想材料零件的特点，重新研究一种定向 优化算法，以满足其高效的数字化设计制造的要求。 1 2国内外研究概况 121r p 技术的发展及其在非均质材料零件制造中的应用 快速原型技术综合了计算机技术、机械手技术及复合材料学等多门学科的 专业技术，能够根据设计人的意图将任意复杂的机械零件通过计算机控制迅速 制成而无需经过切削加工。快速原型制造技术是近2 0 年来的一个重大研究热 点，在世界范围内得到了迅速发展。 ( 1 ) r p 技术的发展状况 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 19 7 8 年) 、 f 本的小玉秀男( 19 8 0 年) 、美国u v p 公司的c h a r l e sw h u l l ( 19 8 2 年) 和同本的 丸谷洋二( 1 9 8 3 年) ，在不同的地点各自独立地提出了r p 的概念，即利用连续 层的选区固化产生三维实体的新思想。c h a r l e sw h u l l 在他19 8 6 年的美国争 利( # 45 7 53 3 0 ) 中，提出了一个用激光照射液态光敏树脂，从而分层制作三 维物体的现代快速成型机的方案。随后c h a r l e sw h u l l 和u v p 的股东们一起 建立了3 ds y s t e m 公司，并依据此专利，于1 9 8 8 年生产出了第一台现代快速 成型机一一s l a 2 5 0 ( 液态光敏树脂选择性固化成型机) ，这是r p 发展的一个 罩程碑。随后许多关于快速成形的概念和技术在3 ds y s t e m 公司中发展成熟。 与此同时，其它的成形原理及相应的成型机也相继开发成功。1 9 8 4 年m i c h a e l f e y g i n 提出了分层实体制造( l a m i n a t e do b i e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 的方法， 并于1 9 8 5 年组建h e l i s y s 公司，1 9 9 0 年前后开发了第一台商业机型l o m 一1 0 1 5 。 1 9 8 6 年，美国t e x a s 大学的研究生c d e c k a r d 提出了s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) 的思想，稍后组建了d t m 公司，于1 9 9 2 年丌发了基于s l s 的商业成型 机( s i n t e rs t a t i o n ) 。s c o t tc r u m p 在19 8 8 年提出了f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) 的思想，1 9 9 2 年开发了第一台商业机型3 d m o d e l e r 。自从8 0 年代中期 s l a 光成型技术发展以来到9 0 年代后期，出现了十几种不同的快速成形技术， 除的述几种外，典型的还有3 d p ，s d m ，s g c 等 3 2 1 。 9 0 年代中术期是r p 技术蓬勃发展的阶段。我国的清华大学、西安交通大 学、北京隆源公司、南京航空航天大学和华中理工大学等单位，于9 0 年代初 率先开展r p 及相关技术的研究、开发、推广和应用，并相继推出了具有自主 知以产秘的快速原型系统。到1 9 9 9 年，国内已有数十台引进或国产r p 系统在 企业、高校、研究机构和快速成形服务中心运行。 从国内外快速成型技术研究及发展趋势来看，我们可以预见，快速成型技 理想材壮 零什数字化制造中的定向优化算法研究 术在未柬几年的发展方向大致有以下几点【i 刨： ( 1 ) 成型技术正在向着多种材料复合成型方向发展，无需装配一次制造多种 材料、复杂形状的零件和器件。这种将材料制备与结构成型一体化的快 速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、 电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。 ( 2 ) 快速成型将向降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，其目的是普及 快速成型技术和提高快速成型的应用范围。 ( 3 ) 提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进步进行模具加工 和功能实验提供基础。 ( 2 ) r p 技术在非均质材料零件制造中的应用 科学技术的发展对快速原型提出了新的时代要求，非均质、内含细结构零 件的成型工艺和成型设备成为快速原型技术领域的一大研究热点。对于象理想 材料零件这样具有复杂形状、非均匀材料特性零件的制造，除外部结构成型之 外，还需要进行材料选择和细结构的构造，目前流行的快速原型工艺不可能简 单的照搬过来。在所有的快速原型工艺中，可能用于理想材料零件成型的有粉 木成型工艺( 如s l s ) 和喷射成型工艺( 如f d m 、3 d p 等) 。国内外多家研究 机构和部门正在致力于非均质零件的成型研究，并已经取得了初步的成果。 美国卡内基梅伦( c a r n e g i em e l l o n ) 大学的le w e i s s 和斯迢福( s t a n f o r d ) 大学的r ，m e r z 在】9 9 7 年发表的文章中提出了一种多相组织的沉积型制造方 法( s h a p ed e p o s i t i o nm a n u f a c t u r i n go fh e t e r o g e n e o u ss t r u c t u r e s l 。与此相似， 西安交通大学卢秉恒教授等人也提出了用多个喷头熔积不同材料来制造微机 械的思想 3 2 】。 这种方法的原理如下：利用等 离子收电来加热金属丝材料，加 热头的结构如图1 ，6 所示，熔化 的材料熔积到工件逐渐成型。制 作一个多种材料的工件时需要多 个喷头，各喷头可分别喷出不同 的材料。在c a d 设计中，可以 i 殳汁出个完整的器件，器件中 的零件由不同材料组成，分层后 的材料信息将在每个层面中体现 出来。在每一层面上，根据各部 分所需要的材料要求，分别喷上 所需材料，这样逐层制造就可成 型出一个多种材料和部件的三维 实体器件。 图1 6 多种材料组织的熔积成型 f i g l 一6s d mf o rm a l t i m a t e r i a lb u i l d i n g 理想栩料零利：数字化制造中的定向优化算法研究 清华大学机械电子研究所采用常温多喷射成型技术( n o r m a lt e m p e r a t u r e m u l t i i n s u f f l a t i o nf o r r u i n g ) 来成型具有非均质多孔贯通结构的人体骨骼c 这种 方法是将混合后能够成型固化的材料分别装入不同容器，经多喷头喷射混合成 型，其突出优点是可以免除高温对活性物质的伤害。它最适合制作非均质和多 孔型结构，实现功能