（机械制造及其自动化专业论文）基于超声波焊接技术的快速成型软件系统研究.pdf

摘要 摘要 随着快速成型制造技术的发展，以金属为材料的快速原型制造技术，直接指 向机械零件而非原型零件的快速制造，属于r p m 技术的学术前沿，既在学术上 有极其重要的意义，也有广泛的应用前景，它为机械零件的制造提供了一种崭新 的方法。 本文根据国家自然科学基金项目的要求( 项目编号：5 0 3 0 5 0 0 9 ) ，以薄金属板 作为造型材料，超声波焊接作为各层之间的连接手段，提出了本文的研究目的与 意义以及本文的主要研究内容，并开展了基于超声波焊接技术的快速成型工艺中 的软件系统的研究。 s t l 数据模型的正确与否直接影响后续工艺的具体实现，本文对s t l 模型 的正确性以及缺陷类型作了详尽的分析，并列举了几种典型的缺陷类型，提出了 一种对s t l 模型进行自动诊断的方法，并详细的讲述了如何将s t l 文件中的数 据读进来并存储到相应的空间。 分层算法是r p 数据转换的核心部分，本文在如何建立三角形面片之间的关 系上进行了深入地研究，建立了相应的数据结构，使得在三角形面片与分层面之 间在求交的过程中，只需要搜索与当前三角形相邻的几个三角形即可；一次求交 结束，即可得到一条封闭的截面轮廓，大大提高了分层处理的速度。 模型的可视化，有助于选择最佳的分层方向和检查s t l 模型是否有错误， 文中使用o p e n g l 语言实现了s t l 模型的三维真实感显示以及模型的旋转、平 移、缩放等功能。 采用超声波焊接技术将各个层片焊接在一起，为了使应力分布比较均匀，文 中对焊点的优化排列进行了有限元分析，并在此基础上提出了焊点的偏置生成算 法。 关键词快速成型；分层处理；超声波焊接 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er 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 gt e c i m o l o g y , t h e k e yt e c h n o l o g yo fr p mf o c u s e so nh o wt om a k et h em e c h a n i c a lm a c h i n ep a r t s ， w h i c ha i m e da td i r e c t l yt h ef u n c t i o n a lp a r tn o tt h em o d e l ，w h i c hr e s u l t si nt h eu p s u r g e o ft h es t u d yo nu s i n gm e t a lm a t e r i a l sa sm o d e l i n gm a t e r i a l sa n dh a saw i d e l y a p 毋i c a t i o nf o r e g r o u n d i ta l s ob r i n g sf o r w a r dan e wm e t h o df o rm a n u f a c t u r eo ft h e m e c h a n i c a lp a r t t h er e s e a r c hc o n t e n t si n t h i sp a p e ra r eb a s e do nan s f cp r o j e c t ( g r a n tn o ， 5 0 3 0 5 0 0 9 ) ，w h i c hn e e d st h a tt h es h e e tm e t a li su s e da sm o d e l i n gm a t e r i a l sf o rr a p i d m a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i cf u n c t i o n a lp a r t ，a n dt h eu l t r a s o n i cw e l d i n gi su s e da st h e l i n km e t h o di nt h i sp a p e r , t h eo b j e c t i v ea n dt h ev a l u eo ft h ep r o j e c ta r ep u tf o r w a r d a n dt h es l i c i n gp r o c e s so fm e t a l l i cf u n c t i o n a lp a r ti ss t u d i e db a s e do nu l t r a s o n i c w e l d i n g w h e t h e rt h ed a t am o d e li ns t lf i l e si sc o r r e c tc a ne 丘j c tt h er e a l i z a t i o no ft h e f o l l o w i n gp r o c e s s t h et r a n s f o r m a t i o na n dt h ep r o c e s so ft h ec a dd a t am o d e li s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ec r i t e r i at oe v a l u a t et h ev a l i d i t yo fs t ld a t am o d e la n d t h et y p eo fs t ld a t am o d e lf a u l ta r ca n a l y z e di nd e t a i l ，t h et y p i c a lf a u l tt y p e sa r e l i s t e dh e r ea na u t o m a t i cd i a g n o s i sm e t h o df o rt h es t ld a t am o d e li sp r e s e n t e d f i n a l t h em e t h o do fh o wt or e a di nt h es t ld m aw t f i c hw a sk e p ti nt h es p e c i a lm e m o r yi s a l s op r e s e n t e d s l i c ei st h ek e yi nr pd a t at r a n s l a t i o n h o wt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n sa m o n gt h e t r i a n g l e sw a ss t u d i e di nd e t a i l e di n t h i sp a p e r ，t h ec o n s t r u c tt h ec o r r e s p o n d i n gd a t a s t r u c t u r e ，t h e ni tn e e ds e a r c ho n l yt h r e et r i a n g l e sw h i c hb o r d e ru p o nw i t ht h ec u r r e n t t r i a n g l e i nt h es l i c ep r o c e s s i n g o n ec l o s e dc o n t o u rl i n ew a sr e c e i v e da f t e ro n e i n t e r s e c t i n gt h i sa r i t h m e t i cs a v e dm o r et i m et h a nt h e o l da r i t h m e t i c t h ev i s u a l i z a t i o no fs t lm o d e lc a nh e l pc h o i c et h eb e s ts l i c ed i r e c t i o na n d c h e c ko u tt h es t lm o d e li nt h i sp a p e rt h eo p e n g ll a n g u a g ew a su s e dt or e a l i z et h e r o t a t e ，t r a n s l a t ea n dz o o mf u n c t i o n t h em e t a ls h e e t sw e r el i n k e db yt h eu l t r a s o n i cw e l d i n g f o rt h eh e a ts t r e s sc a r l d i s t r i b u t eu n i f o r m i t y , t h ed i s t r i b u t i o no ft h ew e l d i n gp o i n t sw e r ea n a l y z e db ym a r c s o f t w a r ei nt h i sp a p e r , t h eo 自f s e ta r i t h m e t i cw a sp r e s e n t e di nt h ee n d k e y w o r d sr a p i dp r o t o t y p i n g ；s l i c ep r o c e s s ；u l t r a s o n i cw e l d i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：邂兰日期：丛! 让三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：狃 导师签名： 料蹶缒噬 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 现代科学技术的飞速发展，特别是以计算机技术为代表的信息产业的发展给 传统的制造业带来了生机和活力，同时也使市场环境发生了巨大的变化，竞争日 益激烈，卖方市场逐步演变为买方市场，中小批量乃至单件生产成了重要生产模 式，产品更新换代的周期越来越短，对瞬息万变的市场迅速做出快速反映的时间 往往成为产品竞争成败的第一要素。因此新的市场环境要求企业不仅能根据市场 的要求快速设计、开发与制造新产品，并进行必要的性能测试，征求用户意见， 进行修改，最后形成投放市场的定型产品。快速制造技术为企业适应新市场环境 提供了手段和能力。 快速成型( r p r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术就是在这样的背景下产生的，它是 先进制造技术群的一个重要组成部分。快速成型技术是8 0 年代后期发展起来的一 种新型制造技术 1 】，是近2 0 年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造行业的 影响可与5 0 6 0 年代的数控技术相比。快速成型技术是c a d 、数控技术、激光技 术、以及材料科学和工程的技术集成，它可以自动、快速地将设计思想物化为具 有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对产品设计进行快速评价、 修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力，快速成型技术的出现，反映了现 代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技术发展的重大影响。 1 2 快速成型技术的原理与主要的成型方法 1 2 1 快速成型技术的原理 物体的成型方式一般分为三类：去除成型( d i s l o d g ef o r m i n g ) 、添加堆积 成型( a d d i n g s t a c k i n gf o r m i n g ) 以及净尺寸受迫成型( n e t f o r c e df o r m i n g ) 。 在这三个成型方式中，去处成型和净尺寸成型技术属于传统的成型方式。多数情 况下，净尺寸成型难以次达到成品要求，并且会产生浇冒口、飞边等工艺废料； 去处成型在成型过程中会产生大量的切削屑，材料利用率同样降低，而且对于性 状不规则、内部结构复杂的零件来说，直接用去除成型工艺加工起来很困难，有 时甚至根本不可行，这时应该考虑用直接或间接添加成型工艺进行加工制造。 快速成型技术是一种基于离散堆积原理的成型方法，它对任意复杂程度的三维实 体制造过程离散为二维层片叠加的成型过程。这种技术的思路起源于三维实体被 切割成一系列为小单元的逆过程。离散化的过程就是用一系列沿实体高度( 去层 片叠加方向) 按一定间隔对实体的几何形状进行采样，获取当前该杜氏体边界的 二维轮廓信息的过程；堆积则是根据当前高度的层片信息，把成型材料有序的添 加到指定区域上，由点到线，再由线到面，完成一个层片的制造，层层叠加，完 北京工业大学工学硕士学位论文 成三维实体的制造过程。 分散过程计算机处理 ( 离散) 组合过程快速成型机 ( 堆积)完成 结构与性专用的设备 能强化 图1 - 1 快速成型机的流程图 f i g 。1 - 1t h e f l o w c h a no f t h e r p m a c h i n e 图1 1 是快速成型技术的具体的工作流程图：首先借助于计算机的三维建模 软件或者实体反求方法采集得到有关模型或零件的几何尺寸、结构和材料的组合 信息，从而获得目标模型的概念并以此建立数字化描述模型，即电子模型；然或 根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面 信息( 截面信息) ；再对分层后的数据进行定的工艺数据处理。加入加工参数， 生成数控代码；之后，将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统，采用 聚合、粘接、熔结、烧结等化学和( 或) 物理手段，有选择的逐点、逐面地固化 液体或固化材料，不断迸行材料的“三维堆砌”，从两制造出所需要形状的原型 和零部件。快速成型技术，既不同于受迫成型，也不同于传统的加工工艺，它采 用原材料堆积成型方法，零件形状对工具不构成任何约束，制造信息可以完全注 入产品，不受零件复杂程度的限制，具有高度的柔性，因此有人也称之为“自由 成型制造( f f f 一- f r e ef r o mf a b r i c a t i o n ) 1 2 1 ”和“实体自由成型制造( s f f - - s o l i d f r e e f o r mf a b r i c a t i o n ) ”叫法不一样但表达的含义是完全一样的；最近，也有 学者把r p 的内涵迸一步扩大，认为它是“c a d 模型的直接驱动，快速实现复杂 形状三维实体”的制造技术。 1 2 ，2 主要的快速成型技术工艺介绍 从1 9 8 7 年美国3 d s y s t e m 公司推出了第一台基于8 l a ( s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ：光体力刻) 工艺的快速成型机s l a 一1 以来，经过了近二十年的发展， 目前已经出现了十几种r p m 成型技术，各种文献对这些工艺方法有不同的分类 方式，如：根据单元制造与结合机理进行分类；根据原材料状态进行分类；或者 根据材料之间的连接机理进行分类。如果从研究成型质量的角度考虑，根据材料 连接机理对各种工艺方法进行分类更为合理一些，因此，可以把现有的各种成型 方法按照图l 一2 进行分类。下面对比其中比较成熟的方法作一些简单的介绍。 图卜2 快速成型技术的分类 f i g ，1 2s o r to f r p m ( 1 ) 立体光刻成型( s l a ) 立体光刻成型( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ， 简称s l a ) 亦称立体印刷” 3 1 4 1 i s ，或光固化成型，是第一个投入商业应用的r p 技术。其基本原理是：在液槽中盛满光固化树脂，在一定波长和强度的紫外光照 射下，被照射区域树脂固化。成型开始时升降平台在液面下一个确定的深度( 分 层厚度) ，聚焦后的激光束在液面上按n c 程序指定路线逐点扫描，逐点固化树脂， 未被照射的地方仍是液态树脂，当一层层面扫描完成以后，升降平台下降一个高 度，已成型的层面上通过重图树脂后又布满一层液态树脂，再进行第二层扫描， 新固化的一层树腊牢固的粘接在前一层上。如此重复，直到整个零件制造完毕。 ( 2 ) 熔融沉积造型法( f d m ) 熔融沉积造型( f u s e dd e p o s lt i o nm o d e l i n g ， 简称f d m ) 1 3 j 1 4 1 5 最早是由美国明尼阿波斯利工程师s c o t tc r u m p 于1 9 8 8 年发明 的，它的基本原理是：热熔材料丝在喷头中被加热熔化，喷头在n c 程序控制下 作x y 联动扫描，再扫描运动中喷出熔融材料，形成一层加工层面，并与上层层 面牢牢连接在一起。这样一层叠一层最后形成这个零件模型。其关键技术在于喷 头，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 摄氏度左右) 。 ( 3 ) 分层实体制造法( l o m ) 分层实体制造法( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) 【6 j 1 4 根据零件连续得分层几何信息切割箔材。最早出 现在1 9 8 5 年，主要制造商是h e l e s i s 公司。其基本原理是：先在工作台上铺上 一层箔材，然后用二氧化碳激光在n c 程序的控制下切割出本层轮廓，非零件部 分全部切碎成小块以便于去除。当完成本层以后，再铺上一层箔材，用磙子碾压 并加热，以热固化树脂粘接剂，是新铺上的一层牢固地粘接在已成型体上，再切 割该层轮廓，如此反复直至到加工完毕。最后去除切碎部分以得到完整的零件。 ( 4 ) 选择性激光烧结法( s l s ) 选择性激光烧结成型( s e l e c t i v el a s e r s i r t e r i n g ，简称s l s ) 1 6 jp j ，这项技术是由美国德州大学的c a r ld e c k a r d 和t o e b e a m a n 教授提出的，d e c k a r d 在他的硕士论文里开始研究此技术，并以此完成了 他的博士论文。s l s 的基本原理是：采用二氧化碳激光器作为能源，目前使用的 造型材料多为各种粉末材料。基本流程是先在工作台上铺上一层粉末，聚焦后的 激光束在粉末上按n c 程序指定的路线有选择性的逐点扫描，逐点烧结，被烧结 处裹覆在粉末外的树脂熔化，从而使粉末粘接在一起，未烧结的地方仍然是粉末。 当一层层面烧结完成后，工作台下降一层厚度的高度，再在其上铺一层粉末，进 行新一层的烧结。根据熔融树脂的特性新烧结的一层层面与上一层层面牢牢地固 化在一起。全部烧结完成以后，去处为烧结的多余粉末，再进行打磨、烘干等处 理便获得零件。目前常用的材料为尼龙、塑料、陶瓷和金属粉等。 ( 5 ) 三维印刷成型( t d p ) 三维印刷成型( t h r e ed i m e n s i o n a p r i n t i n g 简 称t d p 或者3 d p ) p j 也是一种不需要激光的r p m 技术。它是由美国麻省理工学院 的e n l i ：n a n u e ls a c h s 和m i c h a lc i m a 等联合开发的，其基本原理是使用粉末材料 和粘接剂，采用了与喷墨喷头打印相似的技术，喷头在每一层铺好的材料粉末上 有选择的喷射出粘接剂，有粘接剂的地方被糙接在一起，其他的地方仍然是粉末， 这样层层粘接后就得到一个空间的实体，去处粉末并进行烧结就得到了要求的零 件。 目前还有其他一些快速成型的工艺，比如说掩模固化成型( s g c ) 【4 】、激光 变长线扫描( l a s e rl e n g t h a l t e r a b l el i n e s c a n n i n g ) 【lo j 等等，这些工艺还 不是很成熟，有的虽然也已形成商品推向市场，但市场占有率非常的低，因此这 第1 章绪论 里就不再一一的详细介绍。 1 3 超声波焊接技术的原理与及其优点 1 3 1 超声波焊接技术的基本原理 超声波焊接( u l t r a s o n i cw e l d i n g ) 7 】【8 1 涉及声学、电子技术、计算机、计 量技术、机械、高分子材料、自动控制等学科。它是多学科的交叉领域，是多学 科成果的综合应用。 超声波焊接技术的原理是：利用超声频振动作用，去除工件表面的氧化膜， 显露出新的本体表面，在两个被焊工件表面分子的高速震动撞击下，摩擦发热并 亲和粘结在一起。它不仅可以焊接尼龙、塑料以及表面易氧化膜的铝制品等，还 可以在陶瓷等非金属表面挂锡、挂银、涂敷融化的金属薄层。 超声波焊接机主要由主电路、声学系统、启动加压系统、自动控制系统、机 械部分构成。其中声学系统是最主要的部分。声学系统主要有换能器、调幅器、 焊接头组成。 逆变器将5 0 h z 的工频交流电转换为2 0 k h z 高频交流电并提供给换能嚣。换 能器将高频交流电能转化为高频振动能。调幅器的作用是调整振动的幅度，焊头 将高频振动能传递到焊接件之间的焊接面上，使焊接面高频振动。超声波焊接的 基本过程是：向两个焊接面对接好的工件施加一定的静压力。在保持一定静压力 的同时将高频振动能传递到焊接面上，在这种振动作用下焊接面上产生瞬间高温 使焊接面间形成融化层，随后停止振动，并保持静压力一段时间使熔化层凝固， 从而实现焊接面的牢固结合。由于焊接时振动频率高于2 0 k h z ，这个频率高于入 耳的听觉范围，所以称之为超声波焊接。超声波焊接周期一般为1 秒到数秒，取 决于焊接件的大小和连接面积。其中保压时间仅为0 2 5 1 秒。 1 3 2 超声波焊接技术的优点 与传统的焊接技术相比，超声波焊接技术具有以下优点【9 】： ( 1 ) 焊接时间短。大约为1 秒到几秒，加上机械作业时间在内部超过1 0 秒。这样特别是和自动化程度高、大批量生产的场合； ( 2 ) 无表面损伤，不会产生外观异常现象； ( 3 ) 焊接部分以外的区域不发热； ( 4 ) 焊接前不需要任何前处理； ( 5 ) 焊接后能保证密封性； ( 6 ) 无需另行加工，能保证产品的一致性； ( 7 ) 操作简单，既能手工操作也能自动操作，是任何人都能做的简单作业； ( 8 ) 耗电少，工作场所基本无异味，对环境基本上无污染。 1 4 课题的选题背景、现状以及研究意义 14 1 课题的选题背景 为适应制造业的需要，快速原型技术设备由通用型向概念型、生产型和专用 型发展，r p 材料向最终零件的材料方向发展，快速原型技术已从r p 获得原型 ( p r o t o t y p e s ) 朝着快速制造( r a p i dm a n u f a c t u r i n g ，简称r m ) 获得零件( f i n a l p a r t s 、e n d u s ep a r t s 、f u n c t i o n a lp a r t s ) ，实现产品批量定制的快速制造 方向发展“2 “”。然而在目前的r p 成形工艺中所使用的材料有限，尤其在直接金 属模具、零件制造中，由于受到目前成形工艺的制约，可使用的材料进一步受到 限制；成形件的机械性能、耐热性能、尺寸精度、表面质量难以满足实际生产的 需要，常常只是直接成形金属毛坯，一些工艺还需要经过二次浸渗和表面加工处 理，进一步加长了制造周期；另外，主要问题是成形速度低与制造成本高，进一 步制约着现有直接金属零件制造技术的应用，因此如何快速地实现最终产品与模 具的快速制造即直接使用产品和模具的最终材料成形，如何进一步提高制造精 度，消除台阶效应，降低制造成本，提高成形速度，进步探索新的精密高效的 低成本制造方法，是目前急需迫切解决的基础应用研究问题。 功能零件的制造技术的研究，属于r p m 技术的学术前沿，既在学术上有极 其重要的意义，也有广泛的应用前景。以金属作为制造材料的r p m 研究，直接 指向机械零件而非原型零件快速制造，为机械零件的制造提供了新的方法。 1 4 2 金属材料的快速成型技术的研究现状 基于快速原型的快速金属产品与模具制造技术可分为直接快速制造技术和 间接快速制造技术。 1 4 2 1 直接金属零件模具制造工艺 直接金属零件模具的快速制造技术，目前研究集中在如何从已有的r p 工艺 中直接得到金属型以及开发新的适合于金属直接成形的工艺。主要有板材叠加制 造、粉末烧结堆积成型、金属丝材熔融堆积、金属微滴沉积成形和气相沉积成形。 ( 1 ) 金属板材叠加制造直接采用金属片材为材料，通过激光切割、电弧焊 接或粘接剂粘结金属片材成形金属件。如日本使用0 2 哪厚的钢板，板材两面涂 敷低熔点合金，通过焊接成形金属零件 1 6 1 1 。英国n o t t i n g h a m 大学的 p h i d i e k e n sa n dj d s p e n c e r 提出了一种基于三维焊接成形的方法t l g ，利用焊 接机器人制造金属模具 2 0 1 。这些工艺方法的主要弊端是金属零件或模具的性能 低，难以满足实际需要的技术要求。国内重庆大学提出采用真空固态压力热扩散 连接分层板的新方法，研究表明焊接后堆积成型方向上零件尺寸变化较小，其误 差仅为1 【2 “。目前主要进行了焊缝强度等基础试验。 ( 2 ) 金属粉末堆积成形主要是采用激光烧结或粘接剂粘结金属粉末成形， - 6 典型代表是粉末激光烧结( s l s ) 和三维打印( 3 d p ) 工艺。目前国外基于s l s 工艺的设备已经商品化，但是只能使用极其有限的成形材料，难以成形大型原型， 另外由于采用激光烧结设备昂贵，难以降低制造成本。国内华中理工大学基于 s l s 工艺以做了大量的高水平的基础应用研究【22 【2 ”。美国麻省理工学院采用3 d p 工艺用不锈钢金属粉，在保证金属粉对所喷射的化学粘结剂具有较好的湿润性的 条件下，便可制造出金属零件，零件在经去除粘结剂处理和渗铜处理，便可褥到 高密度件，对其表面进行抛光打磨处理后就可作模具使用1 2 。 ( 3 ) 金属丝材熔融堆积美国s t r a t a s y s 公司开发出能用f d m 工艺成形的金 属材料，将金属粉与粘结剂掺匀，然后挤压成具有足够弯曲强度的丝材，供f d m 设备成形使用，制造出不锈钢、钨及碳化钨材料的零件【2 5 1 。 ( 4 ) 金属微滴沉积成形金属微滴沉积成形主要采用金属液滴沉积喷射的 方式直接成形金属零件模具。美国s t a n f o r d 大学提出的形状沉积制造工艺【2 6 】， 是用块作为基本成形单位，具有较高的效率，可以制造大型原型。但由于使用铣 床成形基本单位，制造柔性受到限制。美国c a r n e g i em e l l o n 大学和s t a n f o r d 大学提出的多相组织沉积制造方法，利用等离子放电来加热金属丝，材料熔积到 工件逐渐成型，这种技术仅可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用 【2 ”。美国m i t 的液态金属微滴沉积技术，是通过电场偏转控制金属微滴直接成 形生成金属零件，但金属需要熔化口”。国内有色金属研究总院、6 2 5 所和清华大 学在激光同轴和偏轴粉末熔覆直接金属堆积成形方面，做了许多高水平的工作 2 9 1 1 3 0 1 3 l 】。 ( 5 ) 气相沉积成型美国c o n n e c t i c u t 大学提出了一种基于活性气体分解沉 淀的成型技术。使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体，沉积出一个材 料的薄层进行逐层制造，通过改变活性气体的成份和温度以及激光束的能量，可 以沉积出不同材料的零件【3 ”，但制造速度慢。 1 4 2 2 基于r p 的间接金属产品与模具快速制造工艺 基于r p 的间接金属产品与模具的快速制造工艺目前主要可以归结为四类即 精密铸造成形、电铸成形、粉末冶金成形和微滴喷射沉积成形。 ( 1 ) 精密铸造成形r p 技术与铸造技术相结合，是最直接、成本最低、性能 最好的工艺方法，如美国3 ds y s t e m s 推出q u i c kc a s t i n gt m 工艺、无焙烧陶瓷 型制造工艺等，但是成形模具的尺寸精度与表面质量较低，制造周期较长，也难 以实现功能剃度材料产品与模具的快速制造1 3 3 】 3 4 】 3 5 】。 ( 2 ) 电铸成形澳大利亚昆士兰州理工大学开发了基于s l 工艺的电铸制模 技术，先制造s l 原型，翻制硅胶模，电铸成形镍金属壳，安放金属框架，铝粉 增强的环氧树脂背衬壳层形成模具，可成形0 5 0 8 舢的铝板，优点是精度高， 缺点是成形速度慢、模具寿命有限【3 6 】。西交大、南航、大连理工大学等单位作 了大量高水平研究工作。 ( 3 ) 粉末冶金成形美国3 ds y s t e m s 公司推出的3 dk e l t o o l 和d r e x e l 北京工业大学工学硕士学位论文 u n i v e r s i t y 推出的快速烧结制造工艺，都需要翻制硅胶模，得到模具生坯件， 通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构( 约3 0 孑l 隙率) 的模具熟坯件，最后 经渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过机加工保证模具的精度，其不足 是需要高温烧结，工艺复杂吲州p 。 ( 4 ) 金属沉积成形东京大学和日产汽车公司的熔射制模法，因原型耐热性 不高，只能熔射低熔点锌合金，金属背衬采用树脂材料，造成模具的耐磨性和导 热性差【4 0 】。华中理工大学张海鸥教授近来开发出直接熔射不锈钢粉末沉积制造 皮革模具的方法，西安交通大学开发出基于电弧喷涂沉积的快速模具制造系统， 并也在汽车行业应用【4 j j 【4 “。清华大学以r p 原型为母模，利用涂层转移法翻制表 面合金化的基模，然后利用等离子喷涂不锈钢粉沉积到基模上，再进行金属材料 背衬，制造的模具具有较好的机械性能f 4 3 jl 删f 4 引。 综上所述，目前国内外发展了基于r p 的直接制造与间接制造快速模具技术， 直接制造模具技术目前存在精度低，材料性能差的缺点。熔融堆积金属( 黑色金 属、有色金属以及其它耐高温合金等) 的难度决定了难以迅速商品化。间接制造 技术由于需要工艺转换，周期长，且存在精度损失，难以制造出高精度、表面质 量好的模具。然而模具存在一个巨大的市场，世界范围内已经达到6 5 0 亿美元产 值的水平，这个市场对于模具加工技术的要求是全面的，如精度、材料、寿命、 尺寸、形状复杂程度以及快速性。 1 43 课题的选题意义 快速制造是目前快速成型技术与制造技术中的新的研究热点之一，国外发达 国家如美国、英国，越来越多的人转向快速制造技术研究。在分层制造工艺中， 现有的一个主要问题是金属板材之间的连接问题，目前的低熔点台金连接、电弧 焊接、螺栓紧固连接等方法，均没有达到满意的效果，难以获得高强度、耐高温 性能的零件与模具。 超声波焊是利用超声波频率的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、 塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法。金属超声波焊接时，既不向工件输送电流， 也不向工件引入高温热源。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现 的，因而是一种固态焊接。其优点是可适用于多种组合材料的焊接；容易焊接高 热导率及高电导率的材料。金、银、铜、铝等材料在电阻点焊中是比较难焊的， 但是在使用超声波焊接时，这些金属成为最容易焊接的几种材料。与电阻点焊相 比较，耗用功率仅为电阻点焊的5 左右。焊件变形小于3 5 。焊点强度及强 度稳定性平均提高约1 5 2 0 ；对工件表面的清洁度要求不高mj 。因此，利用 超声波焊接实现片材连接，采用去除加工技术在每层切割出零件或模具的形状， 层层堆积与加工，可以获得高质量的制件，是一种高效低成本的快速制造方法， 具有重要的科学意义和工程应用价值。 1 5 课题的研究内容和章节安排 1 5 1 课题的主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目“产品与模具的快速数字分层制造方法 应用基础研究”，下面对这个项目做一下简单的介绍。 本项目主要目标是提出一种新的精密高效低成本加工与成型方法，研究该方 法的成型机理、工艺参数、材料形态与种类对工件的物理性能指标的影响规律。 该方法的原理是直接采用c a d 数据驱动，通过离散堆积与去除成型相结合的方 法，实现最终产品与模具的快速制造。主要工艺过程是通过采用超声波焊接实现 片材的层与层之间的连接，在材料层界面上不需要粘接剂、不需要熔化、不需要 高温可以获得真实的固态结合。每一层根据c a d 数据文件采用铣刀去除材料，然 后层层堆积，进行超声波焊接与加工，直至完成整个制造过程，移去多余的材料， 即可获得表面质量好、尺寸精度高、机械性能高的工件，实现产品与模具的快速 数字驱动分层制造。 基于超声波焊接的产品与模具快速制造方法的原理是采用薄片材料，如金 属、塑料片材或带材等，材料表面不需要涂覆任何粘接剂。在加工时，热压辊压 实片材，然后采用超声波焊接，层层之间的结合实现固体连接，每一层完成后， 根据c a 3 数据信息，驱动刀具进行平面加工，然后再堆积加工形成新层，直至完 成零件与模具的制造，是一种新的精密高效低成本加工与成型技术。该制造方法 的装置示意图如图1 - 3 所示。 图1 - 3 基于超声波焊接的快速制造方法系统原理图 f i g 1 3t h et h e o r yo f t h er p ms y s t e mb a s e do i lu l t r a s o n i cw e l d i n g 每一层首先超声波焊接完成，然后再平面切割，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；再在新层上焊接新层和切割截面轮廓。如此反复 北京t 业大学工学硕士学位论文 直至零件的所有截面焊接、切割完，得到分层制造的实体零件或者需要的模具。 该方法的主要优点是：( 1 ) 在成型过程中，材料不存在相变问题，克服了传 统快速成型制造中因相变引起的收缩、应力与应变等问题；( 2 ) 不需要在高温下 成型，一般是材料熔点的3 0 5 0 温度范围内就可以实现材料之间的固态牢固结 合，不需要熔化材料，因此节省能源，保证了工作环境，降低了环境污染；( 3 ) 采用二维平面加工实现复杂零件与模具的快速制造，降低了制造难度与对数控系 统高维制造的要求；( 4 ) 对成型材料没有特殊的要求，从材料上也降低成本与拓 宽了可推广应用的领域；( 5 ) 对成型室的温度、湿度等环境条件没有特殊要求， 设备不需要必须放置在温度相对稳定的车间内，如传统的r p 工艺必须使用空调 器保持工作间的温度与空气湿度；( 6 ) 由于克服相变、热膨胀、收缩等弊端，直 接制造大型工件与模具成为可能。 论文以此项目作为依托，主要负责控制软件的开发部分，主要对下列内容进 行了研究： ( 1 ) s t l 模型数据的读入： ( 2 ) s t l 模型的分层处理算法的研究； ( 3 ) 对超声波焊点的分布进行有限元分析； ( 4 ) 利用o p e n g l 技术实现s t l 模型的显示、旋转、平移以及缩放等功能。 1 5 2 论文的章节安排 本论文共分为六个章节，以及最后的结束语，下面按章节叙述如下： 第1 章：绪论简单介绍了快速成型的概念，目前在国内外的发展情况，以 及课题的来源、背景、意义及要完成的内容。 第2 章：s t l 格式文件的读入本章介绍了s t l 文件的产生过程和文件格式， 以及如何读入到系统中。 第3 章：s t l 格式文件的分层处理与程序实现实现了对s t l 模型的分层处 理。 第4 章：数据的输出本章介绍了r p 系统和数控系统之间的数据转换格式 c l i 格式，以及焊点的生成算法。 第5 章：o p e n g l 技术在软件中的应用本章对o p e n g l 语言做了简要介绍， 并实现了视图变换、平移、旋转等功能。 第6 章：焊点分布的有限元分析本章用m a r c 软件建立了层面模型，并对 焊点产生的应力分布做了有限元分析。 结束语：结论与展望对全文进行了总结，并对金属功能件的快速成型制造 方法提出了展望。 2 1 引言 第2 章s t l 格式文件的读入 在第一章中已经介绍了快速成型的般流程：首先由c a d 三维造型软件生成 产品的三维c a d 曲面模型或实体模型，然后将c a d 数据模型转化成一种快速原型 制造系统所能接受的输入数据模型；再利用分层软件得到一层一层的截面轮廓信 息，有了描述截面轮廓信息的层片文件就很容易转化成n c 代码进行制造了。 目前，从c a d 模型到r p m 系统的数据转换处理过程如图2 一l 所示 4 7 ，通常有 三条途径可从c a d 模型获得通用的层片文件，即：从c a d 模型直接分层( 图2 一l 中的左路) ；先将c a d 模型 转化成s t l 文件，再对s t l 文件进行分层( 图2 1 中 的中路) ；利用反求工程中 直接分 馨器黑篙雪军斋嚣：件进行分层( 图2 1 中的 。 右路) 。事实上，目前最常 用的还是中路，即对 s t l 文件分层后得到c l i 文件，由此可见s t l 文件 的重要性。 2 2s t l 格式文件简介 2 2 1s t l 文件名称的由来 图2 - i r p 中的数据处理 f i g 2 - 1t h ed a t u mp r o c e s si nr p 等 文 s t l 文件是美国3 ds y s t e m s 公司提出的用于c a d 模型与r p 系统之间数据转 换的文件格式，它得名于该公司推出的光固化成型系统s t e r e ol i t h o g r a p h y s y s t e m s t l ，现在已经成为了r p 技术领域内一个事实上的“准工业标准”。1 4 8 】 也正是s t l 文件的出现，使得侠速成型技术已经完成了市场化的转变，并迅速投 入到实际应用中，如今s t l 数据格式已经被3 0 余家c f d 软件公司所采用，比如： c a d k e y 、i b m 、i n t e r g r a p h 、c o n t r o la u t o m a t i o n 等公司，而且越来越多的c a d c a m 系统都增加了输出s t l 文件的功能模块，如s d r c 公司的i - d e a s 、e d s 公司的 u n i g r a p h i c s 、m d t v 公司的e u c l i d 、p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、a u t o d e s k 公司 的a u t o c a d 等等。而且几乎所有类型的快速成型系统都采用s t l 数据格式。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 2s t l 文件的两种格式 s t l 文件是通过对c a d 实体模型或曲面模型进行表面三角形化离散得到的， 相当于用一种全由小三角形面片构成的多面体来近似逼近原来的c a d 模型。从几 何上看，每个三角形面片用三个顶点表示。每个顶点由其坐标( x ，y ，z ) 表示， 由于必须指明材料包括在面片的那一边，所以每个三角形面片还必须有一个法向 量。对于多个三角形相交于一点的情况，由于与此点有关的每个三角形面片都要 记录该点，因此这个点被重复的记录多次，造成数据的冗余。从整体上看，s t l 文 件是由多个这样的三角形面片无序地排列集合在一起组成的，其b n f 格式定义如 下： ：= ( 三角形面片i ：= ：= ( y 坐标 s t l 文件一般有两种格式：a s c i i 格式和二进制格式。a s c i i 格式如图2 - 2 所示，图中第一行为说明行，记录了s t l 格式的文件名，从第二行开始记录三角 形面片，首先记录三角形面片的法向量，然后记录环，依次给出三个顶点的坐标， 三个顶点的顺序与该三角形面片法向量符合“右手法则”。这样一个三角形面片 的信息记录完毕，开始记录下一个三角形面片，直到将整个模型全部的三角形面 片纪录完毕。在a s c i i 格式文件中，有七个关键词：s o l i d 、f a c e tn o r m a l 、o u t e r 1 0 0 p 、v e r t e x 、e n d l o o p 、e n d f a c e t 、e n d s o l i d 。它们必须小写并且用空格与其 它项分开。 图2 - 2s t l 文件的a c s i i 格式 f i g 2 2t h ef o r r a a to fs t l f i l ei na s c i i 二进制格式的s t l 文件存储方式是：前8 0 个字节作说明用，其后四个字节 用来存放三角形面片的总数( 整型数) ，然后空两个字节，开始记录三角形面片 第2 嚣s t l 格式文件的读入 信息( 法向量和三个顶点) ，法向量分量和坐标值采用浮点数，每个数字占据四 个字节，在每个三角形面片记录结束后，空两个字节，然后循环记录三角形面片 信息，直至文件结束。由于采用二进制格式表达s t l 文件，其数据量比用a s c i i 码格式的数据量小得多，a s c i i 码格式的s t l 文件一般是二进制格式的s t l 文件 的5 6 倍，a s c i i 码格式文件可读，多数情况下用于测试和演示，而数据转化 和传送大多采用二进制格式的s t l 文