（机械制造及其自动化专业论文）表面彩色模型快速成形中着色数据的生成.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 快速成形技术自2 0 世纪8 0 年代问世以来发展非常迅速，已经在很多行业获得了广 泛的应用。由于彩色模型模型能提供更多的信息，利用彩色模型进行信息交流更加便捷 和高效，利用快速成形技术直接成形出彩色模型一直是业界的愿望。近年来，彩色快速 成形技术吸引了越来越多研究者的注意，一些有关成形工艺和设备的研究已经展开，畜 的厂家甚至已经开发出了商业化的彩色快速成形设备。 大部分彩色模型通常只用于可视化目的，因此，只需在表面或剖面区域着色，称这 类模型为表面彩色模型。 要成形表面彩色模型必须首先对其进行数字建模并以适当的文件格式输出。本文介 绍了表面彩色模型的建模方法和目前所用的文件格式，并提出了一种新的文件格式 e s t l 格式。该格式采用了与s t l 格式类似的方法描述模型的几何外形，因此，保持了 s t l 格式的简单和易于后续处理的优点，采用新的几何外形描述格式方案还减少了数据 冗余；该格式的特点还在于它对模型表面上的复杂纹理的表达能力，对于表面上的简单 纹理映射，用从矩形纹理图案到三角片的仿射映射方法进行描述，而对于复杂的纹理映 射，则采用了直接保存每+ - - 角片上的复杂纹理映射结果图案的简单方法。该格式既简 单又能描述模型表面的复杂细节，适于作为一种描述表面彩色模型的中间格式。 要得到彩色快速成形所需要的数据，首先要对模型进行分层切片。本文提出了一种 适用于对用c o l o rs t l 或e s t l 格式描述的表面彩色模型进行分层切片处理的方法。与单 色模型的切片处理方法不同，这种方法实质上是一种体素化方法。其原理是：在计算每 一层的切片处理结果时，先计算每一三角片与一层的交集多边形，对该多边形在x y 平面 上的投影进行扫描以快速确定边界体素；对与某个边界体素相交的所有三角片，求出每 个三角片与该体素的交集多边形的面积，找出其中的最大者，若相应的三角片上只有简 单的颜色定义，则取其颜色为该边界体素的颜色，而若该三角片上有纹理映射定义，则 取其与该体素的交集多边形在纹理空间中的象区域上的平均颜色为该边界体素的颜色； 最后还要进行内部填充。这种方法解决了对用c s t l 或e s t l 格式表示的表面彩色模型 的分层切片处理问题，对开发用于对用p l y 或v r m l 格式表示的表面彩色模型进行切 片处理的方法也具有指导意义。 为了使成形出的表面彩色模型能够进行去除材料的后处理加工而不至于露出其内部 未着色部分，表面彩色模型的着色层应该有一定的厚度，这就要求对描述表面彩色模型 切片结果的彩色体数据进行着色层加厚处理。本文提出了一种加厚彩色体数据中的着色 层的处理方法。该方法采用了数学形态学算法的原理，用一个球形结构元素对体数据进 行探测，以快速找出处于加厚的着色层中的内部体素；对于每一个处于加厚的着色层中 的内部体素，找出离其最近的边界体素，并取该内部体素的颜色等于该边界体素的颜色。 i 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成 该方法原理简单，处理速度较快，运行可靠，还可以处理较大的体数据。 彩色模型的颜色是是通过着色装置赋予的，而着色装置通常只能直接提供青、洋红 和黄三种颜色，为了能使用这样的装置对表面彩色模型着色，对上面步骤中得到的彩色 体数据还需要进行半色调处理。本文对一种基于细分的二维半色调算法进行了改进，并 将其扩展到对彩色体数据的半色调处理上。改进主要在三个方面：随机选择每次细分时 误差传播的方向，检测和纠正出现较大局部误差的情况，以及给出了对较大的图象体数 据的处理方法。这种方法可以有效地避免误差的有序积聚和在半色调结果中出现分层现 象，半色调处理结果具有较小的总体误差，明暗体素分布更加均匀，在边界附近的处理 效果也同样较好。因此，尤其适用于处理着色层较薄的彩色体数据。 ：采用体数据表示方式的一个缺点是其较大的内存占用。考虑到这类体数据中存在大 量连续的同颜色体素，背景体素和内部体素的颜色属性值出现的频率又明显高于各边界 体素的颜色属性值的出现频率，所以采用了种结合h u f f i n a n 编码压缩方法和行程编码 压缩方法的压缩方法对切片结果体数据和经过加厚的切片结果体数据进行压缩处理，得 到了较高的压缩比。对二值半色调结果的压缩则是通过采用适宜的行程编码方案采用行 程编码压缩方法实现的，同样也具有较高的压缩比。 对大量表面彩色模型进行上述处理，通过对处理结果的仔细观察和分析，验证了上 述处理方法的可行性，最后，还选择了一个较简单的实例模型采用半手工方式进行了成 形验证。 关键词：快速成形：彩色；建模；切片；裁剪；数学形态学；数字半色调；数据压缩 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y h a sb e e np r o g r e s s i n gr a p i d l ys i n c ei tw a sf i r s td e v e l o p e di n t h ee i g h t i e so f1 1 1 e2 0 t nc e n t u r y c o l o r e dm o d e l sc a r lg i v em o r ei n f o r m a t i o nt h a nm o n o - c o l o r e d m o d e l s ，w h i c hm a k ec o m m u n i c a t i o nm o l ec o n v e n i e n lf a s t e r ，a n dm o r ee f f i c i e n t ，f o r m i n g c o l o r e dm o d e l sb yr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n i q u e sh a sb e e n t h eh o p eo ft h ei n d u s t r y i nr e c e n t y e a r s ，c o l o rr a p i dp r o t o t y p i n g a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s o m er e s e a r c h p r o j e c t so n t h e p r o c e s sa n de q u i p m e n tf o rf o r m i n g c o l o r e dm o d e l sh a v ea l r e a d yb e e nd o n e e v e nc o m m e r c i a l c o l o rr a p i df o r m i n ge q u i p m e n t sh a v e b e e n d e v e l o p e d m o s tc o l o r e dm o d e l sa r eu s e do n l yf o rv i s u a l i z a t i o np u r p o s e t h e yn e e dt ob ec o l o r e do n l y i nt h es u r f a c eo rs e c t i o n a l r e g i o n s t h e y a r ec a l l e ds u r f a c ec o l o r e dm o d e l s a d i g i t a lm o d e lm u s tb ec r e a t e df i r s ti no r d e rt of o r mas u i t ec o l o r e dm o d e l ，a n db e o u t p u ti nap r o p e rf o r m a t m e t h o d sf o rm o d e l l i n gs u r f a c ec o l o r e dm o d e l sa n df o r m a t sf o r d e s c r i b i n g t h e s em o d e l sw e r ei n t r o d u c e d an e wf i l ef o r m a t , t h ee s t lf o r m a t ，w d sp m p o s e d i t d e s c r i b e st h eg e o m e t r yo f am o d e li nas i m i l a rw a ya ss t lf o r m a td o e s ，s oi tr e t a i n st h ef e a t u r e o f s i m p l i c i t y a n de a s e o f p o s t p r o c e s s i n g w h i c h s t l f o r m a t h a s d a t a r e d u n d a n c y h a s a l s o b e e n d e c r e a s e db yt h eu s eo fan e wf o r m a ts c h e m e i t sc h a r a c t e r i s t i ci sa l s oi nt h ec a p a b i l i t yo f d e s c r i b i n gc o m p l e xs u r f a c et e x t u r eo fam o d e l i tu s e s 赶五1 1 cm a p p i n gf r o mar e c t a n g u l a r t e x t b r ei m a g et oe a c hf a c e tt od e s c r i b es i m p l et e x t u r em a p p i n go nas u r f a c e ，a n di td e s c r i b e s c o m p l e x t e x t u r em a p p i n g b ys i m p l ys t o r et h er e s u l ti m a g e o f t h ec o m p l e xt e x t u r em a p p i n go n t o e a c hf a c e lt h o u g h v e r ys i m p l e , i t c a nd e s c r i b et h ec o m p l e xs u r f a c ed e t a i lo fam o d e l s oi ti s s u i t e dt ob eu s e d 丛a l li n t e r m e d i a t ef o r m a tf o r d e s c r i b i n g s u r f a c ec o l o r e dm o d e l s n l e d i g i t a lm o d e l m u s tb es l i c e dp r i o rt of a b r i c a t i o n am e t h o df o rs l i c i n gc a dm o d e l si n c o l o rs t lo re s t lf o r m a tw a s p r o p o s e d d i f f e r e n t w i t ht h em e t h o df o r s l i c i n g am o n o - c o l o r e d m o d e l ，i ti sa c t u a l l yav o x e l i z a t i o nm e t h o d mp r i n c i p l ei sa sf o l l o w s f o rs l i c i n gal a y e r ，f i r s t c a l c u l a t et h ei n t e r s e c t i o np o l y g o no ft h el a y e ra n de a c hf a c e t ，a n ds c a nt h ep r o j e c t i o no ft h e p o l y g o no n t ot h e x y p l a n e t or a p i d l yf i n dt h eb o u n d a r yv o x e l s f o ra l lt h ef a c e ti n t e r s e c t i n ga b o u n d a r yv o x e l ，c a l c u l a t et h ea r e a o f t h ei n t e r s e c t i o np o l y g o no f t h eb o u n d a r yv o x e la n de a c ho f t h ef a c e t s ，a n df i n dt h em a x i n l u mo n e i ft h ec o r r e s p o n d i n gf a c e th a so n l yas i m p l ec o l o r d e f i n i t i o n , t h e na s s i g nt h ev o x e lt h es s m ec o l o ra st h ef a c e t o t h e r w i s et h ef a c e th a sa t e x t u r e i m l p p i n gd e f i n i t i o n , t h e n t h ev o x e li sa s s i g n e dac o l o re q u a lt ot h ea v e r a g ec o l o ro f ! t h e p o l y g o n a lr e g i o n i nt e x t u r es p a c e ，w h i c hi sm a p p e df r o mt h ei n t e r s e c t i o no f t h ev o x e la n dt h e f a c e t f i n a l l y , t h ei n t e r i o ro f t h el a y e rm u s tb ef i l l e d t h i sm e t h o dh a ss o l v e dt h ep r o b l e mo f s l i c i n gc a d m o d e l si nc o l o rs t lo re s t lf o r m a t i ti sa l s om e w a n g f u l 幻t l l ed e v e l o p m e n to f t h em e t h o df o rs l i c i n gc a dm o d e l si np l y o rv r m lf o r m a t i no r d e rt oa s s u r en o tb a r i n gt h eu n c o l o r e di n t e r i o ro fas a 1 r f a c ec o l o r e dm o d e la f t e r “s u b t r a c t i v e p o s tp r o c e s s i n g t h ec o l o r e dr e g i o n s o f 也em o d e ls h o u l db eo f ac e r t a i nt h i c k n e s s t l l i sr e q u i r e st h a tt h ec o l o r e dr e g i o n si nt h ev o l t t m ed a t a s e td e s c r i b i n gt h es l i c i n gr e s u l to fa 一 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成 m o d e ls h o u l db et h i c k e n e d s u c ham e t h o dw a sp r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c ha d o p t st h e p r i n c i p l eo fm o r p h o l o g i c a lo p e r a t i o n s as p h e r i c a lc o n s t r u c t i o ne l e m e n ti su s e dt or a p i d l yf i n d t h ei n t e r i o rv o x e l si nt h et h i c k e n e dc o l o r e dr e g i o n s f i n dt h en e a r e s tb o u n d a r yv o x e lt oe a c h i n t e r i o rv o x e li nt h et h i c k e n e dc o l o r e dr e g i o n s ，a n da s s i g nt h ei n t e r i o rv o x e lt h es a m ec o l o ra s t h en e a r e s tb o u n d a r yv o x e l t h em e t h o di sv e r ys i m p l ei np r i n c i p l e ，f a s t , r e l i a b l e ，a n dc a nb e u s e dt o p r o c e s sl a r g ev o l u m e d a t a s e t s n l cc o l o rf e a t u r eo fam o d e lf o r m e db yr p t e c h n i q u e si sa c h i e v e db yu s i n gac o l o r i n g m e c h a n i s m ，w h i c h c a n d i r e c t l ys u p p o r to n l ya f e wd i f f e r e n tc o l o r ss u c ha sc y a n ，m a g e n t a , a n d y e l l o w o t h e r c o l o r sa l ea c h i e v e db yc o l o rs y n t h e s i sa n d h a l f t u n i n g i no r d e r t oc o l o ram o d e l u s i n gs u c h ac o l o r i n gm e c h a n i s m ，t h et h i c k e n e dc o l o rv o l u m ed a t a s e tn e e d st ob eh a l f i o n e d a 2 d h a l f i o n i n ga l g o r i t h m b a s e do ns u b d i v i s i o nw a s i m p r o v e d , a n d e x t e n d e dt ot h ep r o c e s s i n go f c o l o rv o l u m e d a t a s e t s i m p r o v e m e n t sm a i n l y i n c l u d er a n d o m i z i n gt h ed i r e c t i o no ft h e p r o p a g a t i o n o f t h e q u a n t i z i n ge l t o r , d e t e c t i n g t h eo c c 恤e f l c eo f l a r g el o c a le r r o ra n d c o r r e c t t i n g i t , a n dam e t h o d f o rp r o c e s s i n gl a r g ei m a g e so rv o l u m e d a t a s e t s n 他a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y a v o i dt h eo r d e r e da c c u m u l a t i o no f t h ee l t o r , a n dt h eo c c e ao f t h el a y e r i n 4 ；e f f e c lt h et o t a l q u a n t i z i n ge r r o ro f t h el l a l f 【0 n 血gr e s u l tb yt h ea l g o r i t h mi sv e r ys m a l l 1 kd i s t r i b u t i o no ft h e b i n a r yv o x e l s i sr e l a t i v e l ye v e n t h eh a l f l u n i n gr e s u l ti nt h eb o u n d a r y r e g i o mi sa l s ov e r yg o o d s o ：t h ea l g o r i t h mi se s p e c i a l l ya p p l i c a b l et ot h eh a l f t o n i n go fc o l o rv o l u m ed a t a s e t sw i t ht h i n c o l o r e dr e g i o n s a d i s a d v a n t a g eo fr e p r e s e n t a t i o ni nv o l u m ed a t a s e t si st h eh u g em e m o r yr e q u i r e m e n t c o n s i d e r i n g t h a tt h e r ea r eal a r g en u m b e ro fc o n s e c u t i v ev o x e l sw i t hi d e n t i c a lc o l o ra t t r i b u t e s ， a n dt h ev a l u e so ft h ec o l o ra t t r i b u t e so ft h eb a c k g r o u n dv o x e l sa n dt h ei n t e r i o rv o x e bo c c u r m o r e f r e q u e n t l y t h a nt h o s eo f t h eb o u n d a , y v o x e i s ，ac o m p r e s s i o nm e t h o dc o m b i n i n gh u f f m a n c e d i n gm e t h o da n dr u nl e n g t hc o d i n gm e t h o di sa d o p t e dt oc o m p r e s sv o l u m ed a t a s e t s d e s c r i b i n g s u r f a c ec o l o r e dm o d e l s ，w h e r eh i 出c o m p r e s s i o nr a t i o sc a nb ea c h i e v e d f o r c o m p r e s s i n gh a l f l o n i n gr e s u l t so fc o l o rv o l u m ed a t a s e t s ，r u nl e n g t hc o d i n gm e t h o dw i t h a p p r o p r i a t ec o d i n g i sa p p r o p r i a t e ，w h e r e h i g hc o m p r e s s i o n r a t i o sc a na l s ob ea c h i e v e d m a n ye x e m p l a r ys u r f a c ec o l o r e dm o d e l sh a v eb e e np r o c e s s e da sd e s c r i b e da b o v e n l c r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ea b o v ed e s c r i b e dm e t h o d sa n da l g o r i t h m f i n a l l y , a s i m p l es r r f a c ec o l o r e dm o d e l h a sb e e nf o r m e d p a r t i a lm a n u a l l y b a s e do nt h er e s u l to f t h ea b o v e d e s c r i b e d p r o c e s s i n g , w h i c h i sa l s oa s i m p l ed e m o n s t r a t i o n t ot h e p r o p o s e d m e t h o d s k e yw o r d s ：r a p i df o r m i n g ；c o l o r ；m o d e l i n g ；s f i c i n g ；c l i p p i n g ；m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y ；d i g i t a lh a i f t o n i n g ；d a t ac o m p r e s s i o n 一 大连理工大学博士学位论文 望7 5 9 4 2 4 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成 ( 教育部博士点基金资助项目1 9 9 9 0 1 4 1 0 2 ) 计：学位论文1 4 5 页 表格8 个 插图1 0 1 幅 学位论文完成日期：2 q 盟生3 且 指导教师：鄞丕明教援 更握丞熬援 室主任：压三抖熬援 院( 系) 主任：翼拯丞数援 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获 得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：量左盖日期：兰翌皇，z 皇 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名互夺半 导师虢贯忆乏 兰翌量钲上月日 1 3 5 大连理工大学博士学位论文 本课题的基础是快速成形技术和计算机技术，所以，本章将首先介绍传统快速成形 技术t 其次介绍彩色模型和给出表面彩色模型的定义，然后介绍彩色快速成形技术的研 究与应用情况，最后介绍课题的研究目的与意义，以及本文的主要工作。 1 1 传统快速成形技术概述 从2 0 世纪8 0 年代末以来，由于消费者的价值观向多样性和个性化转变，导致市场 的快速多变。以往衡量制造技术的三大要素：质量、成本、生产率，已被新的衡量标准 t i m e ( 节省时间) ，q u a l i t y ( 提高质考黔，c o s t ( 降低成本) 和s e r v i c e ( 优质服务) 所取代。 在制造领域，为了尽快地响应快速多变的市场需求变化，需要在产品批量生产出来 之前就能对产品的外观和性能有一个直观的掌握，从而及时地与产品开发各方进行沟通， 获取市场反馈，及时修改设计中出现的错误，以及在产品上市之前进行市场推广和宣传 活动。原型制造是产品开发中的一个重要环节。 在医疗领域，精确的病体器官或组织模型有利于医生之间、医生与病人之间的交流， 治疗方案的确定，复杂手术的规划和操作演练，移植物的制造，可以减少手术风险，缩 短手术时间和降低手术费用。 在教育领域，模型能够提供对所表达事物的外形、结构和工作原理等的直观的描述， 可以提供比语言、文字和二维图片更多的信息，实际上，教育领域已经在使用大量的教 学模型。 其它需要使用模型的方面还包括建筑设计造型、地理信息表示和科学计算可视化( 如 有限元计算结果的可视化) 等。 传统原型制造靠手工进行，成本高，周期长，精度低，远远不能满足市场竞争目趋 激烈的要求。 为了解决这一问题，上世纪8 0 年代末期在美国首次出现了一种全新的制造技术快 速成型技p 忙- ( r p m ，r a p i dp r o t o g r p em a n u f a c t u r i n g ) 1 5 】a 这是种集c a d 、c n c 、激光 及材料科学于一体的新型技术，它采用基于离散堆积【6 】的快速分层制造工艺，把c a d 和原型制造集成起来，能直接从三维c a d 模型快速成形出产品原型，从而大大加快了原 型制造的速度。 1 1 1 快速成形技术的原理 快速成型技术也称为离散，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 li 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 t t r i n g ) 、实体 自由成形制造( 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 tm a n u f a c t u r i n g ) 等，这是 一种全新的制造技术，以极高的柔性获得制造业和学术界的极大关注 7 】。 】 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成 快速成形技术集多门现代科学技术于一体，将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 、计算机数字控制( c n c ) 、激光、材料喷射、精密伺服驱动和新材料等先进技 术集于一体，应用全新的生长制造原理，依据计算机上构造的产品三维设计模型，在其 高度方向对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓线，然后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、金属基陶瓷基粉来烧结一层层的粉末材料；或者用喷射装置选择性地喷射 一层层的粘结剂、热塑性材料等，从而形成各截面轮廓，并逐步叠加成三维零件或模型 【8 】。 r p m 技术的成型原理突破了传统加工中的成形法( 如锻压、冲压、拉伸、铸造、注 塑加工) 和切削加工的工艺方法，其本质是用堆积成形的方法制造三维实体。尽管它可 以用多种工艺方法来实现，但各种方法的基本原理都是一样的，都是基于离散堆积的 成型思想。 快速成型的般过程是【8 】： i 】用三维造型软件在计算机中生成一个产品的三维c a d 模型； 2 ) 将其转换为s t l 文件格式，然后运用分层切片软件从s t l 文件“切”出设定厚 度的一系列的片层；或者直接从c a d 文件切出一系列的片层； 3 、将上述每一片层的资料传到快速成型机，类似于计算机向打印机传递打印信息； 4 ) 通过堆积材料逐层成形并将新成形层与已成形部分连结在一起，直到完成整个零 件； 5 ) 去除废料、固化、烧结、渗透、打磨和抛光等后处理。 常用的快速成形工艺有如下几种 z 图i - 1s l a 的工艺原理 f i g 1 - 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l e o f s l a n 液态光敏聚合物选择性固化s l a 9 s l a 工艺也称为立体光刻，由c h a r l e s h u l l 于上世纪8 0 年代初提出并获得美国专利。 2 大连理工大学博士学位论文 s l a 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强 度的紫外光( 如九= 3 2 5 n m ) 照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从 液态转变成固态，如图1 一l 所示。 液槽中盛满液态光固化树脂。激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的 轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方液体就固化。成型开始时，工作平 台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点 固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一 层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再 进行下一层的扫描，新固化的层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完 毕，从丽得到一个三维实体模型。 s l a 方法是目前快速成形技术领域中研究得较多的方法，也是技术上最为成熟的方 法之一。采用s l a 工艺成形的零件的精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂 成形性能，使该工艺的加工精度能达到o 1m l n 但这种方法也有自身的局限性，比如光固化树脂有一定的毒性，使用激光所带来的 安全问题，成形设备和成形材料价格昂贵，成形机复杂，需要专业人员维护和操作等。 这些问题的存在使得采用该工艺的成形机不便于在普通办公场合下使用，也不利于普及。 图1 - 2 l o m 的工艺原理 f i g 1 - 2t h ew o r k i n gp r i n c i p l e o f l o m 2 1 叠层实体制造l o m l o m 工艺又称为分层实体制造，由美国h e l i s y s 公司的m i c h a e lr e y 西n 于1 9 8 6 年研 制成功 1 0 1 。 l o m 工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加 工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接：用激光器在刚粘接的新层上切 割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐 的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材( 料带) 分离；供 3 一 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成 料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域：工作台上升到加工 平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮 廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，就得到了分层制造的实体零件，如图 1 - 2 所示。 l o m 工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚 壁零件的速度较快，适于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘 曲变形，零件的精度较高，小于o 1 5 r a m 工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中 起n t 支撑作用，所以l o m 工艺无需加支撑。 3 ) 熔融沉积制造f d m 熔融沉积制造( f d m ) 工艺是由美国学者d r s c o t t c r u m p 于1 9 8 8 年提出的【“，1 2 】。 f d m 的材料一般是热塑性材料，如蜡、a b s 、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内 被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时有选择地将熔化的材料挤出； 材料迅速凝固，并与周围的材料结合在一起。如图1 3 所示。 图l - 3 f i ) m 的工艺原理 f i g 1 - 3t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f f l ) m f d m 工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型， 可以直接用于失蜡铸造。用a b s 制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估 等方面得到广泛应用。由于材料的挤出是连续的，不宜于精确控制，所以f d m 工艺的成形 精度相对较低。 4 ) 粉末材料选择性烧结s l s s l s 工艺称为选择性烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的c t ld e c k a r d 于1 9 8 9 年研制成功【1 3 。 s l s 工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在工作台或其上已成形零件的 表面上并刮平：用高强度的c 0 2 激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，被扫描到的材 料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的一层截面，并与下面已成形的 4 大连理工大学博士学位论文 部分连结在一起；当一层截面烧结完成后，铺上新的层材料粉末，并有选择地进行烧 结，直到烧结出最后一层，如图1 - 4 所示。 图1 - 4s l s 的工艺原理 f i g 1 - 4 t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f s l s s l s 工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料 的零件。特别是可以制造金属零件。这使s l s 工艺颇具吸引力。s l s 工艺无需加支撑， 因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。 5 ) 三维打印t d p 三维打印工艺是由麻省理工学院的e n m n u a ls a c h s 等人研制出来的【1 4 1 。 t d p 工艺与s l s 工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末、甚至淀粉 和石膏粉末等。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂 ( 如硅胶) 将零件的截面“印刷”在材料粉末上面( 如图1 5 所示) 。用粘接剂粘接的零件 强度较低，还须进行后处理。如先烧掉粘接剂得到有许多孔隙的零件，然后在高温下渗 入金属，使零件致密化，以提高强度。 鼎匈 中闻阶照打印最f 言一蘑 预制件 图1 - 5 t d p 的工艺原理 f i g 1 - 5t h ew o r k i n gp r i n c i p l e o f t d p 由于采用多喷口喷头，所以，成形速度较快。采用3 d p 专利技术研制的d s p c 成形 机的喷头有1 2 8 0 个喷口； s 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成 加工过程中未粘结粉末能起到支撑作用。因此，即使加工悬空结构也无需另加支撑。 该工艺的的另一个优点是材料来源广泛。可以使用包括陶瓷、金属、聚合物和复合 材料在内的各种能制成粉末的材料。 还可以用水溶液代替粘结剂，用淀粉、纤维素或石膏粉末作为成形材料，价格低廉。 6 ) 三维喷墨打印 三维喷墨打印快速成形工艺是由美国s o l i d s c a p e 公司( 前s a n d e r sp r o t o t y p ei n c ) 开 发的一种快速成形工艺 1 5 ，1 6 。 采用这种成形工艺成形一层截面的原理是：采用两个压电喷嘴，一个用于喷射成形 用的热塑性材料，另一个用于喷射支撑材料。喷出的两种材料在工作台基底或前一加工 层面上迅速冷却后形成固态截面轮廓和支撑结构，随后，用一铣刀铣平上表面，以对加 工层厚度进行精确控制，工艺原理如图1 6 所示。 由于喷头喷出的材料微滴直径最小可达8 0u l t i ，并且还结合使用了高精度铣削技术 以精确控制加工层厚度，所以，该工艺有很高的成形精度。s o l i d s c a p e 研制的成形机在三 个坐标方向上均可达到2 5 u m 英寸的精度，最小特征尺寸可达到0 2 m m 可直接加工出模 具级原型。最适于成形精密小型零件模型。 图1 - 6 三维喷墨打印的工艺原理 f i g 1 - 6 t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h r e e d i m e n s i o n a l i n k i e t p r i n t i n g n 低温冰成形i f r p 这是由我国清华大学激光快速成形中心开发的一种快速成形技术 1 7 ，1 8 】。 i f r p 工艺是通过喷射水微滴到低温环境中成形的，喷射出的水微滴在低温环境下很 快就与已经处于半凝固状态的已成形层结合在一起，最终形成冰质的模型。工艺原理如 图l - 7 所示。 由于水在凝固时略有膨胀( o 1 o 1 9 0 ) ，这就为消除成形残余应力提供了保证；水 又具有优良的可控性，粘度低，易于精细离散，获得极为细小的微滴，从而提高成形精 度：用水成形还具有成本低和无毒的优点。 6 犬连理工大学博士学位论文 图1 7 w r p 的工艺原理 f i g 1 - 7t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f l f r p 实验表明，冰型表面光洁度好，精度高，有望达到甚至超过s l a 原型精度。 冰型可直接用于冰型铸造工艺，也可在成形过程中用各种功能材料采取特殊工艺精