（材料加工工程专业论文）光固化快速成形中柱形支撑自动生成算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 快速成形技术是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的- r l 新兴技术，它的出现给传统 的制造业带来了革命性的变革。光固化快速成形技术是世界上研究最早、精度最高、 应用最广泛的一种快速成形技术。工艺支撑生成技术是光固化快速成形中的关键技 术，它能约束零件的变形，是光固化快速成形技术顺利制作零件所不可缺少的，近年 来已经成为光固化快速成形技术进一步发展的难点之一。为了开发出拥有自主知识产 权的光固化快速成形系统，本论文展开了对光固化快速成形系统中支撑自动生成算法 的研究。 本课题“光固化快速成形中柱形支撑自动生成算法研究”，是在认真学习和研究 前人成果的基础上，根据现有的支撑生成方法的优点及存在的问题，结合目前光固化 快速成形系统的工艺特点，探索另一种支撑结构形式，以期能够丰富光固化成形工艺 软件体系，满足各种复杂构件对适应性成形工艺支撑的需求。 柱形支撑是本文提出的一种新的光固化快速成形工艺支撑形式，并用两种不同的 算法实现了s t l 格式实体柱形支撑的自动生成，即遍历布点射线支撑生成算法与遍历 曲面三角面片支撑生成算法。并在此基础上进一步实现了z i f 格式的十字柱形支撑和 点状柱形支撑的自动生成技术。目前本文的研究工作已经取得了很好的计算机仿真与 实验效果，已成功应用于光固化快速成形系统中，成功地解决了光固化快速成形技术 中的难点问题之一。 关键词：快速成形光固化柱形支撑 1 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n g i sa n e w l ye m e r g e dt e c h n o l o g y t h a tw a s d e v e l o p e di nl a t e1 9 8 0 s i t h a sd r a m a t i c a l l yc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gs t y l e s t e r e o l i t h o g r a p h yh a sb e e n r e s e a r c h e de a r l i e r s t e r e o l i t h o g r a p h yc a ng e n e r a t ep a r t sw i t hh i g ha c c u r a c ya n dh a sb e e n w i d e l yu s e d t e c h n o l o g i cs u p p o r ti sn e e d e dt o c o n f i n et h ec h a n g eo fp a r t sf o r md u r i n g m a k i n gi ns t e r e o l i t h o g r a p h y r e c e n t l ys u p p o r td e s i g n i n g i sb e c o m i n gab o t t l e n e c kp r o b l e m i ns t e r e o l i t h o g r a p h y i no r d e rt od e v e l o pt h es t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，t h ea l g o r i t h m o f t e c h n o l o g i cs u p p o r tg e n e r a t i o n f o r s t e r e o l i t h g r a p h y i sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h et h e s i s t h er e s e a r c ho i lt h ea u t o m a t i cp i l l a r s u p p o r tg e n e r a t i o na l g o r i t h mf o r s t e r e o l i t h g r a p h y ”i sb a s e do n t h em e r i t sa n dd e m e r i t so f t h e p r e d e c e s s o r s w o r ka n de x i s t e d a m o m a t i c s u p p o r tg e n e r a t i o na l g o r i t h m s ，c o m b m e d t h e t e c h n o l o g i c c h a r a c t e r so f s t e r e o l i t h g r a p h ys y s t e m ，t of m d o u tan e w s u p p o r ts t r u c t u r e ，s t r e n g t h e nt h es o f t w a r es y s t e m o f s t e r e o l i t h g r a p h ya n d m e e tt h en e e d so f v a r i o u s p a r t s i nt h et h e s i s ，w ep r e s e n tan e ws t r u c t u r eo f t e c h n o l o g i cs u p p o r tf o rs t e r e o l i t h g r a p h y , s o l i d p i l l a rs u p p o r t t w o s o r t so fa u t o m a t i c s u p p o r tg e n e r a t i o na l g o r i t h m ，e r g o d i c s t a t i o n i n gr a y ss u p p o r tg e n e r a t i o na l g o r i t h m a n d e r g o d i c c u r v e d t r i a n g l e ss u p p o r t g e n e r a t i o na l g o r i t h m ，a r ei n t r o d u c e dt or e a l i z es u p p o r ti ns t lf o r m a t m o r e o v e r , t h ec r o s s p i l l a rs u p p o r ta n dt h ep o i n tp i l l a rs u p p o r t ，w h i c ha r ei nz i ff o r m a t ，a r er e s e a r c h e di nt h e t h e s i s i ti ss h o w nt h a tt h e a l g o r i t h m sh a v er e a l i z e dt h er e a l - t i m es i m u l a t i o no fp i l l a r s u p p o r tg e n e r a t i o na n dh a v eg o t t e nag o o dr e s u l ti nm a k i n gp a r t s t h es o f t w a r eo fp i l l a r s u p p o r tg e n e r a t i o na l g o r i t h m sh a sb e e na p p l i e dt ot h es y s t e mo f s t e r e o l i t h o g r a p h y k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g s t e r e o l i t h o g r a p h y p i l l a rs u p p o r t _ _ - - - _ _ - - _ - _ _ - _ l - - _ _ _ _ _ - 一 i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：耋够谚 日期：伽降铲月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保蜜回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 崔学彳 j 靴绎 指导教师签名： 日期：归口牛年中月形日日期：渺忙舻月；汐日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 快速成形技术概述 1 绪论 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，r p & m ) ，又称快速原型制造 技术，是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品 开发项目服务的一项关键性技术，它能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构 和功能的三维实体，低成本制作产品原型甚至零件，非常适合当代市场竞争的需要。 因为该技术对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推 动作用，所以自问世以来，已经在制造业、工业设计、文化艺术、建筑工程以及医疗 卫生等领域得到了广泛的应用，并由此产生了一个新兴的技术领域。 快速成形技术是在现代c a d c a m 技术、激光技术、计算机技术、数控技术、精 密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，其获得零件的途径不同于 传统加工中的材料去除法或变形成形法，而是在计算机控制下，基于离散、堆积原理 采用不同方法堆积材料最终完成零件的成形与制造技术，即快速成形技术制造零件采 用的是增材法，用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法【“。从成形角度来看，任何 零件均可看作是由无数个空间薄片叠成的三维几何体，薄片的形状就是几何体的截面 形状，如果能够将这些薄片逐片制作出来，然后依次逐层粘合在一起，最终可得到期 望的零件，这就是快速成形技术的基本原理【2 】【3 】。快速成形技术将一个十分复杂的三 维制造过程转化成了简单的二维面片过程的叠合，所以可对任意复杂形状的零件进行 制作。 快速成形工艺一般由前处理、原型制造和后处理三部分组成。前处理过程是指零 件的三维c a d 造型及其数据转换，具体包括三维模型构造、三维模型的近似处理、 三维模型的切片处理三个过程；原型制造就是根据零件模型离散化的截面信息，利用 快速成形设备将原材料逐层或者逐点堆积出三维物理实体的过程，具体包括截面加工 和截面叠加两个过程；后处理是指去除成形零件的附着物、费料、辅助支撑，改善零 件的表面质量，提高制件的强度等处理过程 4 】【5 1 。 快速成形技术从最早的光固化快速成形方法开始，经过不断的发展和创新，到目 前为止已经出现了很多种快速原型加工方法和成形工艺。目前市场上发展比较成熟和 较实用的分层制造工艺主要有以下几种： 1 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 光固化成形( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) ：用激光束对液态光敏树脂进 行逐层扫描固化，最后形成三维实体。 2 ) 分层实体制造成形( 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 ，l o m ) ：也称薄形材料选 择性切割。它根据三维模型每一个截面的轮廓线，在计算机控制下，用激光束对薄形 材料( 如底面涂胶的纸) 进行切割，逐步得到各层截面，并粘结在一起，形成三维产 品。 3 ) 熔融沉积成形( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) ：用逐步送进热融塑料丝的 方法来堆积产品的各层轮廓，从而形成产品原形。 4 ) 选择性激光烧结成形( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) ：用激光束对塑料、尼龙、 金属、陶瓷等粉末材料进行扫描熔化，从而构成产品的各层轮廓，一层层地烧结成产 品的原形。 另外还有掩模固化法( s g s ) 、立体三维印刷法( 3 dp r i n t i n g ，3 d p ) 、喷粒法( b p m ) 、 金属板料数控无模成形技术等新的工艺方法【6 】f7 1 ，正在不断地发展成熟嘲【9 】f 10 1 。以上各 种不同种类的快速成型制造工艺因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不 同，但是基本原理却都是一样的，即“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分 过程。 上个世纪8 0 年代末以来，快速成形技术发展迅速，尤其是9 0 年代以后，其平均 增长速度高达4 0 以上，到了1 9 9 6 年，全世界己安装了近2 2 4 3 套快速成形系统，创 造了可观的经济效益。美国在这一领域一直处于领先地位，而欧洲、日本和中国在快 速成形技术上也取得了长足的进步。 美国在快速成形方面具有代表性的研究机构有3 ds y s t e m 公司、 m i t ( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t e o ft e c h n o l o g y ) 、d a y t o n 大学、u t ( t e x a su n i v e r s i t ya t a u s t i n ) 、c a r n e g i em e l l o n 大学等，还有日本的东京大学、c m e t 公司等，而德国、 新加坡、以色列等国也在快速成形技术方面投入了大量卓有成效的研究 5 l 。 鉴于快速成形技术在制造技术中的重要作用和巨大发展潜力，从1 9 9 4 年以来， 我国已先后有2 0 多家企业和机构纷纷引进国外的快速成形设备，如海尔、春兰、海 信等，并创造了一定的经济效益，但是设备利用率不高。而一些较小的企业，虽然对 快速成形技术也有需求，但是由于价格昂贵和加工成本较高而望而却步。 国内对快速成形技术进行研究和自行开发快速成形设备是从2 0 世纪9 0 年代开始 的。首先是华中科技大学、西安交通大学、清华大学等一些大学和研究机构开始对快 _ _ - _ - - _ 一_ 一 2 华中科技大学硕士学位论文 速成形技术进行研究，然后是北京隆源实业服务有限公司、殷华快速模具制造有限公 司等开始从事快速成形设备的研制和生产a 华中科技大学主要从事基于l o m 和s l s 工艺的设备、工艺和材料的研究，并且 已经实现产业化和商品化。近年来也开展了对s l a 和f d m 两种工艺的研究和样机开 发。清华大学主要从事基于l o m 和f d m 工艺的设备、工艺和材料的研究，并已实 现产业化。西安交通大学则在s l a 设备、工艺和材料的研究方面取得了很大的进展， 也实现了产业化1 2 1 。而北京隆源公司主要从事基于s l s 工艺的设备、工艺等的研究 丌发，并已经产业化p j 。 快速成形技术同样得到了国家政府的重视，在全国范围内先后建立了近十几个快 速原型生产力促进中心，如陕西省激光快速成型与模具制造工程研究中心、江苏省生 产力促进中心等，旨在促进快速成形技术在我国的迅速推广和发展，使该项技术真正 为企业带来效益，提高企业产品在国内市场乃至国际市场上的竞争力。目前快速成形 技术在我国的推广和发展正呈现出大好的势头。 1 2 快速成形系统的应用软件 软件是快速成形系统的灵魂【1 3 】，快速成形制造系统需要应用软件的支持。在快速 成形技术发展的初期，人们的注意力主要集中在成形工艺上，而随着快速成形技术研 究的不断深入，快速成形系统上配套的应用软件显得越来越重要，因为软件的处理精 度和速度、软件对复杂模型的处理能力等，都对快速成形技术的进一步发展有很大的 影响，进而甚至成了快速成形技术发展和应用的一个主要难点之一。应用软件的先进 性和完善程度对快速成形制造产品的精度等有很大影响，因此新型高性能应用软件的 开发目显重要，而其中最为关键的是从c a d 模型到快速成形系统接口的数据转换和 处理软件。国外研究快速成形的公司和科研机构对此都非常重视，并投入了大量的人 力和资金进行软件的研究和开发。 快速成形系统上的应用软件是基于w i n d o w s 操作系统，采用v i s u a lc + + 语言开发 的。由于w i n d o w s 和v i s u a l c + + 能提供丰富的资源，为能在最短的时间内设计出友好 的人机界面提供了方便。v i s u a lc + 十和面向对象程序设计方法降低了编程的工作量， 提高了程序编制的效率，增加了程序的可靠性、可扩充性和可移植性，为快速成形系 统上应用软件的开发提供了很多便利。 快速成形的软件系统一般由三部分组成：c a d 造型软件，数据检验与处理软件和 华中科技大学硕士学位论文 监控系统软件。c a d 造型软件负责零件的几何造型以及s t l 文件的输出等；数据检 测与处理软件负责对输入的s t l 文件检验合理性并修正错误、做几何变换、选择成型 方向、零件排样合并、进行实体分层等：监控系统软件完成分层信息输入、加工参数 设定、生成n c 代码、控制实时加工等。其中c a d 软件是快速成形技术的支持性软 件，一般采用市场上较为流行的c a d 造型软件，如p r o e n g i n e e r 等。数据检验与处 理软件和监控系统软件一般由快速成形设备生产厂家自行开发。 快速成形软件系统的主要模块一般有c a d 数据接口( 一般为s t l 格式) 、s t l 校 验和修复模块、显示模块、支撑模块、工艺处理模块、分层模块、层片路径规划模块 等。 1 ) c a d 数据接口：读写s t l 、d x f 、i g e s 、s t e p 等格式的c a d 模型，以及 c l i 、s l c 和h p g l 等格式的二维层片模型。 2 ) s t l 校验和修复模块：由于c a d 系统输出接口不完善，会造成s t l 文件的 错误，而s t l 模型的错误有可能对成型过程造成影响，甚至使其失败。所以必须将错 误检查出来，并根据具体情况进行必要的修复。 3 ) 显示模块：显示三维和二维的图形，与用户进行交互。 4 ) 支撑模块：设计和添加工艺支撑。由于快速成形技术都是逐层制造原型零件 的，所以所有的快速成形工艺在成形过程中都需要支撑。有的工艺的支撑是在成形过 程中自然产生的，如l o m 、s l s 和3 d p 工艺；有些工艺的支撑需要专门添加，如f d m 和s l a 工艺。根据成形工艺特点和工艺参数以及原型的外形添加合理的辅助工艺支 撑结构，才能使这些快速成形工艺顺利完成。 5 ) 工艺处理模块：根据原型件精度的要求以及成形设备的加工空间，合理安排 原型件的位置和方向，以使成形空间得到最大的利用，提高成形效率。必要时需要将 一个原型件分解成多个部分来分别成形。其他的还有平移、旋转、缩放、镜像、计算 机加工模拟等功能。 6 ) 分层模块：对进行过工艺处理的原型和支撑，按照设定的高度参数进行分层， 得到在各个分层面上的零件轮廓。 7 ) 层片路径规划模块：在分层得到的轮廓的基础上进行合理的规划和设计，生 成各种快速成形工艺的不同扫描路径。不同成形工艺的路径规划一般包括理想加工轮 廓线的补偿、得到填充轮廓线、区域扫描填充方式的设计、扫描路径顺序的规划四个 方面。这四个方面对成形件的尺寸精度、表面粗糙度、强度和加工时间等都有很大的 _ _ 一 4 华中科技大学硕士学位论文 影响，应根据不同的工艺特点，采用不同的方式处理。 快速成形系统的应用软件在功能上划分为两个层次，即上层c a d 、c a m 模型数 据处理与下层系统控制两部分。在1 陕速原型制作过程中，上层软件的主要任务是提供 友好的人机操作界面、接受c a d 模型的s t l 格式文件输入、显示三维c a d 模型、 接受用户的参数输入与系统工作状态显示，完成分层切片处理，根据用户输入的加工 参数生成扫描轨迹的c n c 信息，并传送到下层系统控制的软件模块中。下层软件则 主要完成系统的实时测量与加工过程的运动控制，以及各种辅助控制任务等。 快速成形系统上的应用软件可以在一台计算机上运行，得益于w i n d o w s 操作系统 的多线程功能可以实现数据处理和加工控制的并行化。分别属于上下两个层次的数据 处理模块和加工控制模块被分别设计成两个独立的线程，两个模块之间的通信由两个 线程之间的通信来解决。两个模块各自的单线程封装性保证了两大模块互不干扰，避 免了繁琐的结构问题，同时也简化了快速成形系统的软件开发工作。 国外的各大快速成形系统生产商一般都开发了自己的数据变换接口软件，如3 d s y s t e m 公司的a c e s 和q u i c k c a s t ，h e l l i s y s 公司的l o m s l i c e ，d t m 的r a p i d t o o l ， s t r a t a s y s 的q u i c k s l i c e 、s u p p o r t w o r k s 和a u t o g e l l ，c u b i t a l 的s o l i d e r d f e ，s a n d e r p r o t o t y p e 的p r o t o b u l l d 和p r o t o s u p p o r t 等。 由于c a d 与r p m 的数据变换接口软件开发的困难性和相对独立性，国外涌现出 了很多作为c a d 与r p 系统之间桥梁的第三方软件，这些第三方软件一般都以常用的 数据文件格式作为输入输出接口。输入的数据文件格式有s t l 、i g e s 、d x f 、h p g l 、 c t 层片文件等，而输出的数据文件一般为c l i ( c o m m o nl a y e ri n t e r f a c e ) 。以下是国外 比较著名的一些第三方接口软件。 1 ) b r i d g e w o r k s 由美国的s o l i dc o n c e p t 公司在1 9 9 2 年推出，经过不断的改进，现在已经发展到 v e r s i o n4 0 以上。该软件可通过对s t l 文件特征的分析，自动为零件添加各种支撑。 2 ) m a g i c s 由比利时m a t e r i a l i s e 公司在1 9 9 3 年推出，现在已经发展到v e r s i o n8 1 。该软件包 括m a g i c sr p 、t o o l i n gm o d u l e 、t o o l i n ge x p e r tm o d u l e 、s u p p o r tg e n e r a t i o n ( s g ) m o d u l e 、v o l u m es u p p o r tg e n e r a t i o n ( v o l u m es g ) m o d u l e 、c t o o l sa n ds l i c em o d u l e 、 i g t o s t l & v d t o s t l m o d u l e s 等模块。该软件可以对s t l 文件进行显示、测量、整合、 错误检验、布尔运算、自动添加支撑、分层、制造时间估计等处理，功能比较完备， 华中科技大学硕士学位论文 使得对s t l 文件的处理变得方便、迅捷、准确，从而提高了快速成形制造的效率和质 量。概括起来m a g i c sr p 软件具有如下功能： ( 1 ) 三维模型的可视化，即在m a g i c sr p 中可以方便地观看s t l 零件中的任何 细节，并能对其进行测量和标注； ( 2 ) 可以实现s t l 文件的自动检查和修复； ( 3 ) 快速原型制作工作的准备功能，即能够接受s t l 、m g x 、d x f 等格式文 件。快速放置工具能够将多个零件快速而方便地放在平台上。底部平面功能能够在几 秒钟将零件转到所希望的成型角度； ( 4 ) 分层功能，即可将s t l 文件切片，并且能够输出不同的文件格式，还能够 快速简便的执行切片校验； ( 5 ) 对s t l 文件的操作，即允许直接在s t l 文件上修改设计结果，这一功能具 体如下说明： 即使是非常复杂的零件也能通过偏置功能方便地抽出薄壳，因为在成形过程中 产生的内部应力较少，所以做出的零件更精确，成型速度更快； 能够沿着设定的路径分割零件； 能把面拉成实体； 三角缩减使s t l 文件大小更趋向合理化； 布尔操作； 能创建s t l 格式体素( 如：球体、圆柱体、立方体、四面体、棱柱体等) ； z 轴补偿提高了零件在竖直方向的精度： 由上面的介绍可以得知，该软件功能多、性能优良，界面美观，是一个优秀的第 三方接口软件。 3 ) s o l i d v i e w 由美国s o l i dc o n c e p t 公司在1 9 9 4 年推出，可以在w i n d o w s 3 1 ，w i n d o w s 9 5 ， w i n d o w sn t 等操作系统下进行s t l 文件的线框和着色显示，以及对s t l 文件的旋转、 缩放等操作。 4 ) s t l m a n a g e r 由美国p o g o 公司在1 9 9 4 年推出，主要用于s t l 文件的显示和支撑的添加。 5 ) s t l v i e w 由美国软件工程师i g o rt e b e l e v 在业余时间所写的一个软件，现己发展到v e r s i o n 华中科技大学硕士学位论文 7 0 。该软件同s o l i d v i e l w 类似，可用于s t l 文件的显示和变换，同时它还有错误修 复、添加支撑等功能。 6 ) s u r f a c e r - - r p m 由美国l m a g e w a r e 公司在1 9 9 4 年为其s u r f a c e r 软件增加的用于快速成形数据处理 的模块。 除了上面的这些第三方数据接口软件外，还有美国c l e m s o n 大学开发的 c i d e s 【16 1 1 7 1 1 8 1 、a n t h o n yd m a r t i n 开发的a d m e s h ，x o x 公司的s h a p e s ，b r o c k r o o n e y 的b r o c k w a r e ，i - d e a s 的r p 模块，c a d d s 的i 冲模块等。 由于数据接口软件的开发往往需要很高的专业水平，而且耗费大量的财力和时间， 所以现在国外出现了r p m 生产商采用直接购买第三方数据接口软件而非自己开发的 趋势，即实现了快速成形应用软件的商品化。如1 9 9 6 年3 ds y s t e m 公司与i m a g e w a r e 公司达成协议，采用i m a g e w a r e 关于i 冲的一系列模块作为“3 ds y s t e ms lt o o l k i t ”； 而s a n d e r sp r o t o t y p e 公司也采用了s t l m a n a g e r 作为自己的数据接口软件：另外德国 的f s 公司也购买了m a g i c s 软件的部分模块。 从技术角度讲，数据转换和处理软件开发的难度集中在s t l 文件的自动纠错、工 艺支撑的自动添加、快速模具制造时的实体空腔化或网格( 1 a t t i c e ) 化处理、扫描矢 量的生成等环节。目前国外软件综合起来在这些方面都已经处理的比较好，而且有人 工智能化的趋势。 1 3 光固化快速成形技术概述 在各种快速成形技术中，光固化快速成形技术是目前世界上研究最早、最深入、 技术最成熟的一种快速成形方法，是世界上第一个被商品化的快速成形技术，并且被 认为是应用最广泛的一种快速成形技术【l ”，是美国3 ds y s t e m 公司在2 0 世纪8 0 年代 后期推出的，至今在快速成形领域中仍牢牢地占据着主导地位，在全世界安装的各类 快速成型机中，光固化快速成型机( s l a ) 约占6 0 。 光固化快速成形技术具有制作效率高，材料利用率接近1 0 0 等优点，能成形各 种形状特别复杂( 如空一t x , 零件) 、特别精细( 如首饰、工艺品等) 的零件，是目前公 认的精度最高的快速成形方法。用光固化快速成形方法制作的快速原型件透明晶莹， 表面光洁度好，强度和硬度都很高，可以直接作为功能件使用。光固化成形技术还可 以被用于微小机械加工领域。 7 华中科技大学硕士学位论文 光固化快速成形( s l - - s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 这一名称在国内有立体光刻、立体印刷、 光造型等多种译法。光固化快速成形技术以光敏树脂为加工材料，在计算机控制下， 紫外激光按零件的各分层截面数据在液态光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域 的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层：一层固化完毕后，制作平 台下降一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再涂覆上一层新的液态树脂以 便进行下一层的扫描固化；新固化的一层牢固地粘结在前一层上；如此重复，直到整 个零件原型制作完毕【2 。光固化快速成形的基本原理如图1 1 所示。 图1 1 光固化快速成形技术原理图 光固化快速成形技术是多学科的交叉和多项技术的高度集成，所以其整体性能的 发展依赖于各种单元技术的发展。光固化快速成形技术可分为硬件、软件、材料和成 形工艺四大组成部分。各部分的发展既相互促进，又相互制约。硬件部分包括激光束 精确光斑的获得、激光束光点的精确扫描和定位；高精度、高可靠性、高效率的树脂 再涂层系统。材料方面包括树脂各种性能的研究，如固化速度、固化收缩率、粘度、 机械性能等，还要考虑树脂的易储藏、无毒无味等要求。零件的精度和成形效率主要 决定于制作的工艺。软件主要是指数据处理的精确性和快捷性，整个成形过程的控制 以及面向用户的易操作性，软件的设计开发要能够满足光固化成形的工艺要求。 目前研究光固化成形技术的主要有美国3 ds y s t e m 公司、德国e o s 公司、日本 c m e t 公司、d e n k e n e ne n g i n e e r l n g 公司、a u t o s t r a d e 公司和中国的西安 交通大学等。3 ds y s t e m 公司的光固化快速成形技术直处于领先地位，1 9 9 7 年该公 司的s l a 机器的销售量占市场份额的2 6 。该公司自1 9 8 8 年推出s l a 一2 5 0 机型以 后，又于1 9 9 7 年推出s l a 一2 5 0 h r 、s l a 一3 5 0 0 、s l a 5 0 0 0 三种机型，在技术上有了 8 华中科技大学硕士学位论文 长足的进步，1 9 9 9 年又推出了s l a 一7 0 0 0 机型、及最新的v i p e rs i 2s y s t e m 机型f 2 ” 2 2 1 。 同本方面打破了s l a 技术使用紫外光源的常规，在日本化药公司开发新型光敏树脂 的协作下，由d e n k e ne n g i n e e r i n g 公司和a u t o s t r a d e 公司率先使用6 8 0 n m 左右波长的半导体激光器作为光源，降低了s l a 设备的成本1 1 】 2 3 1 。特别是 a u t o s t r a d e 公司的e d a r t s 机型，采用一种光源从下部隔着一层玻璃往上照射 的约束液面型结构，使得设备成本大大降低。 光固化快速成形技术有很多优点【2 4 j ： 1 ) 系统工作稳定，一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无需专人 看管，直至整个工艺过程结束： 2 ) 尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在o 1 m m 以内； 3 ) 表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶状不平及不同层 面间的曲面不平； 4 ) 系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的制件； 光固化快速成形技术适合制作中小型制件，能直接得到塑料产品，但是在光固化 快速成形过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件截面上的 孤立轮廓和悬臂轮廓定位，因此必须设计一些支撑结构，并在成形过程中制作这些支 撑结构，以便确保制件的每一结构部分能可靠固定，同时也有助于减少制件的翘曲变 形。在制件的底部也设计制作了支撑结构，为了成形完毕后能方便地从工作台上取下 制件，而不会使制件损坏。成形过程完成后，应该小心地去除支撑结构，从而保证得 到最终所需的制件f 2 5 】。 光固化快速成形技术虽然不需要机械加工中所需的工装夹具，但是必须在零件制 作过程中添加支撑结构。光固化快速成形技术中的支撑结构就如同机械加工中的工装 夹具一样，是必不可少的，支撑能够约束零件的变形，并使零件得以顺利制作，若没 有支撑，光固化过程根本无法进行。光固化快速成形中，零件的支撑结构具有很大的 作用【2 6 l 2 7 】【2 8 ： 1 ) 防止刮平板和升降平台的碰撞； 2 ) 防止由于升降平台的变形和不平整引起的零件制作误差； 3 ) 使零件制作完毕之后易于移去： 4 ) 在加工过程中保持零件加工的稳定性； 5 ) 防止由于树脂从液态变为固态时收缩引起的变形和翘曲； 一一 9 华中科技大学硕士学位论文 6 ) 对于一些“孤岛”特征，由于其前一层不能支撑它，所以从底部开始给这些 特征做一些基础，以便制作； 7 ) 支撑零件的大平面表面，使其不变形、下陷，并且防止由于制作平台在树脂 中的上下移动引起的“伞降”效应。 8 ) 防止零件在制作过程中的翻倒，补偿平台和液态树脂表面的夹角误差； 9 ) 增强中空零件的强度和防止其后置固化的变形； 如果没有底部支撑，则在零件制作完成之后，将无法将零件取出来，即使勉强将 零件取出来，也必然会破坏零件的底部结构；而对于大平面、一定角度下的倾斜面、 悬臂结构，如果没有支撑结构的话，则会在制作过程中发生较大的翘曲变形，也就根 本没有精度可言了；对于零件中的悬吊特征，如悬吊点、悬吊边、悬吊面，虽然在制 作过程中不会发生变形，但是由于这些特征是悬空的，所以在加工过程中会漂走，以 致无法用光固化成形技术来正常制作 2 9 】。 目前随着光固化快速成形技术的不断发展，工艺支撑的结构设计和自动掭加已经 成为影响光固化快速成形技术进一步发展的难点之一，国内外许多快速成形研究机构 都对其投入了大量的人力物力进行开发其自动生成软件，尽力解决这一问题，并取得 了一定的成果。 1 4 国内外光固化快速成形技术中零件支撑设计的研究现状 1 4 1 国外s l a 中零件支撑设计的研究现状 光固化快速成形技术比较有代表性和研制比较成功的美国3 ds y s t e m 公司和日本 c e m t 公司，都在他们的光固化快速成形设备上开发了相应的支撑设计软件。3 d s y s t e m 的s l a - - 5 0 0 与c e m t 的s o u p - 5 0 0 成形机上的支撑设计软件，虽然在形式上 和具体的实现细节上有所不同，但是两者的基本原理却是一样的。 日本c e m t 公司设计了自动支撑设计和人机交互式支撑设计两种支撑生成方法。 自动支撑设计方法是首先找出零件的x 。i 。、y 。、x 。、y 。a x ：然后从零件的最顶层 开始分析其支撑生成过程，从每一层的x 。、y 。处开始作一条条的扫描线，一直 做到x 。、y 处，扫描线之间间隔一定的距离，将扫描线与切片截面轮廓求交， 落在该层轮廓中的线段即为该层的支撑线段；再用同样的方法求出下面一层的支撑线 段，同时在求下面一层的支撑线段时将上一层的支撑线段直接延续到下面一层；就这 _一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 样一层一层生成下去，直至整个零件的支撑生成完毕。但是这种方法因为在支撑生成 的过程中，没有考虑上下面之间的相互关系，只是分别地对每层进行分析，因而容易 给一些不需要支撑的部分也加上支撑。另外因为每条扫描线间隔均为一定值，对于小 于这个间隔的零件特征就容易漏加支撑，这是该方法无法克服的一个严重的缺点。 交互式设计方法是从分层后的数据着手，在一个二维图形编辑环境下，从切层数 据中找出需要加支撑的区域，然后根据区域的形状设计支撑截面形状，再确定该支撑 高度方向的尺寸，最后设置该支撑的制作形式，即是用十字线扫描还是用其他方式扫 描。这样，对零件每层的截面形状进行分析，确定出每个支撑的截面形状、高度尺寸、 扫描方式，直至设计完所有的支撑以后，对支撑进行切层，最后将切层好的支撑数据 和零件数据组合生成制作数据l j o 】。在这种交互式设计方法中，要进行多次层层之问的 布尔运算，才能确定需要加支撑的区域，而且要求操作者对零件的特征非常熟悉，否 则极易漏掉某些特征的支撑，因而工作相当繁琐。一般情况下，在设计支撑的过程中， 要不断地在零件的三维图形显示和二维截面显示之间进行来回的切换，即使是这样也 极易发生错误，因此这种方法对操作者的知识要求特别高，必须经过长时间的严格培 训才能胜任此项工作。一般进行支撑设计时，要求c a d 设计人员和支撑设计人员同 时在场，因为对于一些复杂的零件，支撑设计人员很难在短时间内熟悉零件的结构特 征，必须在c a d 设计人员的协助下才能完成支撑设计。 美国3 ds y s t e m 公司在设计支撑时，为了克服以上缺点，不在支撑设计的软件下 进行，而是由c a d 设计人员直接在三维实体造形软件上进行，因为一般大的c a d 设 计软件如p r o e n g i n e e r 等均有装配功能 3 l 】【3 2 】，c a d 设计人员在设计完零件的三维 实体造形以后，可以在装配模块下设计一些零件的支撑，这样将支撑作为一个零件和 原零件进行装配，因为c a d 设计人员比较熟悉零件的特征，设计起来比较方便。但 是因为c a d 设计人员不知道如何给零件加支撑以及加什么样的支撑，因此这种支撑 设计方法要求c a d 设计人员非常熟悉零件支撑设计的要求或者在零件支撑设计人员 的帮助下爿能完成零件的支撑设计，因此这种支撑生成技术也不是很成熟、实用。 很多第三方数据接口软件也实现了支撑的自动添加。如比利时m a t e r i a l i s e 公司在 1 9 9 3 年推出的m a g i c sr p 软件的m a g i c ss g 模块专门用于实现光固化成形工艺支撑的 自动添加，能在很短的时间内自动设计并生成支撑。该模块直接与3 ds y s t e m 公司的 光固化成形设备相兼容，接收s t l 或者s l c 格式的文件，该模块先整体生成支撑， 然后在每一个需要加支撑的表面上允许用户手动修改和选择别的支撑类型，生成的支 1 1 华中科技大学硕士学位论文 撑可在p o i n t 、l i n e 、w e b 、b l o c k 、c o n t o u r 、g u s s e t 、c o m b i n a t i o n 等多种形式中加以 选择，例如经常采用的p o i n t 支撑，可使支撑容易去除，并能保证被支撑面的表面光 洁度。支撑生成模块在具体生成支撑的过程中有五个步骤： 1 ) 在设备设置里面定义各种支撑生成所需的参数： 2 ) 支撑的自动生成； 3 ) 允许用户根据自己具体的要求，手动修改支撑类型与参数； 4 ) 对支撑可以进行二维或者三维的局部修改； 5 ) 保存与输出支撑，可以输出s t l 或者s l c 格式的支撑形式； m a g i c sr p 软件允许用户在可以修改s t l 文件的r p 模块与生成支撑的s g 模块之间 进行自由切换，非常方便实用。 1 4 2 国内s l a 零件支撑设计的研究现状 国内的西安交通大学在光固化快速成形中零件支撑设计方面比较具有代表性。西 安交通大学在光固化快速成形技术研究中提出的零件支撑设计方法取得了很大的研 究成果，实现了零件支撑的自动生成以及一些交互生成方法。另外，清华大学和华南 理工大学在零件的支撑设计方面也有一些研究成果。 西安交通大学提出的自动支撑实现方法有基于多边形布尔运算的自动支撑生成和 基于s t l 文件的支撑自动生成两种方法。 基于边界识别的多边形布尔运算的自动支撑生成算法是首先将零件的顶层作为初 始层，对顶层进行零件内外边界的识别口3 】【3 4 1 【3 5 1 ，识别出各个多边形的内外边界，并识 别出哪些内边界属于那些外边界；然后在边界识别的基础上进行边界之帕j 的布尔运 算，就获得了顶层零件的实体多边形；再对零件的下面一层进行内外边界的识别，并 求出该层零件的实体多边形，用零件上面一层的实体多边形和下面一层的实体多边形 作差运算，就获得了零件上面一层所