（机械制造及其自动化专业论文）基于激光诱导化学液相沉积的快速成型技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 快速成型技术是上世纪八、九十年代发展起来的一种新型制造技术，它 是计算机、数控、激光和新材料科学等学科的技术集成。这一技术与传统制 造技术的显著区别在于其分层制造思想和从概念设计、详细设计到原型制造 一体化的设计和加工方式。激光诱导化学液相沉积技术是利用激光的热效应 或光效应来增强或激发化学镀过程，从而在金属、半导体或绝缘基体上不用 掩膜而实现微区金属镀覆的新技术。 本文以基于激光诱导化学液相沉积的快速成型技术这样一种新型快速成 型工艺为研究对象，主要工作包含以下几个方面：开发出了快速成型分层软 件，成功实现了对三维模型的分层和扫描填充；针对实际需要，搭建了激光 头运动平台，开发出了平台控制软件，利用控制软件和运动平台可以对激光 头的运动进行控制，使激光束按照三维模型分层后的扫描填充轨迹运动；建 立了激光诱导化学液相沉积过程中激光光斑局部区域的热力学模型，采用工 程分析软件进行了仿真与求解；以4 5 钢为基板进行了激光诱导化学镀铜实 验，分析了反应过程中各种因素( 如激光功率、激光头运动速度) 对镀层质 量的影响，成功实现了三维模型分层后其中一层的沉积，并得出了最佳沉积 条件。 关键词：快速成型激光诱导化学液相沉积分层软件 p m a c 多轴运动运动控制器模拟分析 a b s tr a c t r a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n i q u ei san e ws u b je c tt h a tw a sd e v e l o p e di n 19 8 6 ，i ti sa ni n t e g r a t e d p r o c e s so fc o m p u t e r , c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) ，l a s e ra n dn e wm a t e r i a l ss c i e n c e t h em o s td i s t i n c t l yd i s c r i m i n a t i o n b e t w e e nr p ma n dc o n v e n t i o n a l m a c h i n i n gp r o c e s s i s i t s 1 a y e r - w i s e m a n u f a c t u r i n gc o n c e p t ，a sw e l la si n t e g r a t e dd e s i g n & p r o d u c i n gf a s h i o nf r o m c o n c e p td e s i g n ，d e t a i ld e s i g nt op r o t o t y p i n g l c l d ( l a s e r - i n d u c e dc h e m i c a l l i q u i dd e p o s i t i o n ) t e c h n o l o g yi sac h e m i c a lp l a t i n gp r o c e s st h a ti sr e i n f o r c e do r e n c o u r a g e db yh e a to rl i g h tr e a c t i o no fl a s e r i ti sak i n do fn e wt e c h n o l o g yt h a t d o e sn o tn e e d c o v e r i n gm o d e la n dr e a l i t i e sm e t a lp l a t i n gm i n u t ea r e ao n m e t a l ，s e m i c o n d u c t o ra n di n s u l a t o r i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hb a s e do nl c l di san e wt e c h n o l o g yo fr a p i d p r o t o t y p i n g ，t h em a i nc o n t e n t sa sf o l l o w s ：t h es l i c i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e d ，i t c o u l df i n i s ht h es l i c ea n d s c a n n i n g - h a t c h i n go ft h r e e d i m e n s i o nm o d e l s u c c e s s f u l l y ；p m a cc o n t r o l l i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e d ，t h ee q u i p m e n tw h i c h c o n t r o l l e dl a s e r sm o v i n gw a sb u i l tf o ra c t u l u s i n g l a s e r sm o v i n gc a nb e c o n t r o l l e dp r e c i s e l yb yt h es o f t w a r ea n dt h ee q u i p m e n t ，t h u st h el a s e rc a nm o v e f o l l o w i n gt h et r a c kw h i c hw o u l db eg i v e na f t e rt h es l i c eo ft h r e e d i m e n s i o n m o d e l ；t h e r m o d y n a m i c so ft h ep a r to ff a c u l a rl a s e rb e a mo ft h ep r o c e s so fl c l d w a s m o d e l e d ， c a l c u l a t i n g a n d e m u l a t i n gb y e n g i n e e r i n ga n a l y t i c a l s o f t w a r e ；l c l dc h e m i c a ld e p o s i t i o ne x p e r i m e n to fc o p p e ro n4 5s t e e lp l a t e sw a s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , v a r i o u sf a c t o r s ( f o re x a m p l e ，t h ep o w e ra n ds p e e do f l a s e r ) w h i c hw o u l di n f l u c e dt h e q u a l i t y o fd e p o s i t i o nw a sa n a l y z e d ，t h e d e p o s i t i o nf o ro n el a y e ro ft h r e e d i m e n s i o nm o d e la n dt h eb e s tc o n d i t i o no f d e p o s i t i o nw a sa c t u a l i z e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；l c l d ；s l i c i n gs o f t w a r e ； m u l t i - a x i s m o t i o nc o n t r o l l e r - p m a c ；s i m u l a t i o na n d a n a l y s i s 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( 或我个人) 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，也不包含为获得西南科技大 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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 酶晰同嗍1 五分 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 雠晰阂翮虢鲥凇啡加川 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1绪论 1 1快速成型技术 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术是九十年代发展起来的 一项先进制造技术，是一种集精密机械、计算机、数控、激光、新材料于一 体的高新技术。r p 技术的最大特点就是成型过程基本不受模型复杂程度的限 制，并可使模型或模具的制造周期缩短几倍乃至数十倍，从而大大缩短了新 产品开发的周期，提高了企业对市场的响应速度，对促进企业产品创新及缩 短产品开发周期有积极的促进作用，极大地增强了企业的市场竞争力。 快速成型技术采用的是离散堆积成型原理，其过程是：先由三维c a d 软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，对 其按一定厚度进行分层，将原来的三维曲面或实体模型变成二维平面信息( 截 面信息) ，这就是离散的过程；分层后的数据进行进一步处理，转换成加工参 数，产生加工代码；在计算机控制下，r p 加工系统以平面加工方式，有序地 连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，这就是材料堆积的过程( 如 图1r p 工作原理图) 。 r p 技术的具体实现工艺多种多样，一般根据所采用成型材料以及对材料 的处理方式不同，可将其基本归纳为以下几种方法，分别简介如下晗1 ： ( 1 ) 选择性液体固相法 选择性液体固化法是将激光聚焦到液态光固化材料( 如光固化树脂) 表 面，使其按事先设定的规律进行固化，先由点到线再到面，从而完成一个层 面的建造。这种方法的典型工艺包括立体光刻( s l - - - s t e r e o1i t h o g r a p h y ) 、 实体磨削固化( s g c 一- - s o l i dg r o u n dc u r i n g ) 和激光光刻( l s l i g h t s c u l p t i n g ) 等。 ( 2 ) 层片添加法 层片添加法是采用激光或刀具，对箔型材料进行切割来获得模型的一个 层面。层片添加法使用的箔型材料有许多种，如涂覆纸( 涂有粘接剂覆层的 纸) 、涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材等。层片添加法的典型工艺是 分层实体制造( l o m - - - 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 ) 。 ( 3 ) 选择性粉末熔结粘结法 选择性粉末熔结粘接法的基本原理是利用特殊的粉末将其铺成一定密 实度和平整度的层面，然后再有选择地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 c - l 三维c a d 梗型 a 土d 造 s t l 文件 型 上 一 分层 i r 数 j p 据 莱 处 二维层片数据 统理 l - i 扫描埴充 监 控 轮廓埴充数据 系 激光诱导化学液 统 相沉积( 成型加 工) 图卜1r p 工作原理图 f i g 1 1w o r k i n gp ri n c ；i pi eo fr p 一个整体层面。粉末材料包括蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉以及金属粉 如铁、钻、铬及其合金。选择性粉末熔结粘结法的典型工艺包括激光选区烧 结( s l s - - - s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 和三维印刷( 3 d p - 3 d p r i n t i n g ) 等。 ( 4 ) 熔融挤压成形法 熔融挤压成形法是将热熔性材料通过加热熔化，再挤压喷出并堆积一个 成形层面，然后将下一个层面用同样方法形成，并与前一个层面熔结成一体。 热熔性材料包括a b s 、尼龙或蜡等。采用熔融挤压成形的典型工艺为熔融沉 积成形( f d m - f u s e dd e p o si ti o nm o d e li n g ) 。 ( 5 ) 喷墨印刷法 喷墨印刷法是将固体材料熔融，然后利用喷墨打印的原理将其有序地喷 出，一个层面又一个层面地堆积形成一个三维实体。采用喷墨印刷的典型工 艺是i n k j e tp r i n t i n g 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 激光诱导化学液相沉积技术 1 2 1化学镀技术简介 化学镀又叫自催化沉积镀，是在金属的催化作用下，通过可控制的化学 还原反应产生金属沉积的过程。与电镀相比，化学镀具有以下优势隋3 ： ( 1 ) 镀层厚度非常均匀。化学镀液的分散能力接近1 0 0 ，无明显的边缘 效应，几乎是基材( 工件) 的复制，因此特别适合形状复杂工件、腔体件、深 孔件、盲孔件、管件内壁等表面的施镀，而电镀法因受电力线分布不均匀的 限制是很难做到的。 ( 2 ) 通过敏化、活化等前处理，化学镀可以在非金属( 非导体) 如塑料、 玻璃、陶瓷及半导体材料表面上进行，而电镀法只能在导体表面上施镀，所 以化学镀工艺是非金属表面金属化的常用方法，也是非导体材料电镀前作导 电底层的方法。 ( 3 ) 工艺设备简单，不需要电源、输电系统及辅助电机，操作时只需把 工件正确悬挂在镀液中即可。 ( 4 ) 化学镀是靠基材的自催化活性起镀，其结合力优于电镀，镀层有光 亮或半光亮的外观、晶粒细、孔隙率低，某些化学镀层还具有特殊的物理化 学性能。 1 2 2 激光诱导化学液相沉积技术概述 激光诱导化学液相沉积( l a s e r i n d u c e dc h e m i c a ll i q u i dd e p o s i t i o n ， l c l d ) 技术，又叫激光诱导化学镀，是利用激光的热效应或光效应来增强或激 发化学镀过程，从而在金属、半导体或绝缘体基体上不用掩模而实现微区金 属镀覆的新技术。现代电子工业中，电子介质材料多为半导体或绝缘体，因 此，不用外加电源的激光诱导化学沉积技术引起了人们的重视。人们最早进 行的是激光诱导气相化学沉积( l c v d ) 的研究，它具有低温过程，可实现特殊 选择沉积，但是由于l c v d 需要真空室，条件要求苛刻，其应用受到了限制。 而激光诱导化学液相沉积可以在溶液中常温下一步沉积出金属，工艺简单， 条件易于实现，因而得到了较大发展。有些技术已在电子元件的线路制造和 修复中使用。与传统工艺相比，l c l d 技术具有以下优点1 ： ( 1 ) 高度选择性。可以微区局部镀覆金属，金属线条宽度可以达到2 帅。 ( 2 ) 广泛适应性。激光镀不但可以在金属( a 1 、f e 、w 、w o ) 上进行， 还可以在多种半导体( s i 、i n p ) 、绝缘体机体上直接镀覆a u 、a g 、p d 、n i 、 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 c u 等。 ( 3 ) 高速沉积性。激光诱导沉积速度比常规电镀要高上千倍。 ( 4 ) 可以实现微机控制。利用计算机控制激光束的扫描轨迹可以得到预 期的各种线路图形。 ( 5 ) 镀层与基体有一定相互扩散，结合力比一般方法好。 ( 6 ) 可在常温下工作，工艺简单，可以节约大量贵金属。 1 2 3国内外研究发展现状 国外方面，匈牙利s z e g e d 大学的n a n a i l 详细介绍了近几年采用l c l d 方法在多种基板材料上沉积金属的研究状况，指出由于l c l d 方法低成本、能 够在常压下工作等特点，l c l d 已经成为当代微制造技术的一个重要发展方向 】：芬兰o u l u 大学的k o r d a s k 近几年来开展了大量的工作，先后在聚酰亚 胺板上进行了用l c l d 方法沉积p d 、c u 、a g 等导电金属的研究，镀层用e d x 、 x r d 、f e s e m 、s e m 等进行了研究，最终认为和l i f t 、p l d 、l c v d 等方法相比， l c l d 具有较多的优势口3 。此外，他还介绍了在大规模集成电路制造中，一种 新的加成法印制电路板的制造方法，即在聚酰亚胺基板上用k r f 准分子激光 器打好通孔后，采用l c l d 的方法按照金属线的形状预镀一层2 0 一5 0n m 厚的 钯，然后把处理好的印制电路板进行常规化学镀c u ，研究结果表明，采用这 种方法制备的c u 金属层具有较高的纯度、优异的附着力和导电性哺1 ；美国 d r e x e l 大学的z o n g y a nh e 等提出了一种基于实体自由成型技术的化学液相 沉积技术( c h e m i c a ll i q u i dd e p o s i t i o nb a s e ds o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o n ， c l d - s f f ) ，该方法借鉴r p 思想，用喷嘴将化学反应物质喷向基板，通过控制 喷嘴的运动轨迹、喷射时间以及基板温度来控制化学沉积，实验证明，有许 多种材料都可以采取这种方法成型阳1 ；韩国浦项大学的k i md o n g s i k 等将l c l d 的思想进行了扩展，在固体表面进行激光刻蚀过程中，用喷嘴喷射化学液体， 和激光光束共同作用，能够大幅度提高刻蚀效果n 。 在l c l d 技术研究方面，国内也开展了部分相关的工作。上海复旦大学化 学系的王建、郁祖湛综合论述了十多年来国内外激光诱导金属沉积技术的最 新发展，主要介绍了激光诱导液相化学沉积以及固态膜法激光直接镀覆金属 技术的实验体系、机理，以及激光光束的特性、材料的光学特性与温度特性 对沉积过程的影响，并介绍了该技术在微电子领域的应用前景n 引；华侨大学 的黄妙良、林建明等利用1 0 7 9 5 n mn d ：y a g 激光作诱导光源，普通陶瓷、 环氧树脂作为基体，研究了激光功率、辐照时间、镀液组份、浓度对l c l d 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 镀覆金属镍、铜的影响规律，利用扫描电于显微镜及轮廓仪分析了镀斑形成 过程、微观形貌、厚度分布，结果表明：与普通化学镀相比，激光诱导的镀 覆速度要大约高两个数量级，镀层表面平滑、颗粒大小均匀、规则、分布致 密，镀斑的厚度在横向上呈类高斯分布n 3 “3 ；东北大学的孙克等用n d ：y a g 脉冲激光扫描照射单晶s i 基底表面a g n o 。薄膜，薄膜热分解产生的a g 沉积 在s i 基底表面形成沉积线，在激光功率为2 8 w ，频率为3 5 h z 时，最高扫描 速度为9 m m s 。然后以a g 颗粒为催化中心，在沉积线表面选区化学镀铜n 副； 上海交通大学的刘立兵等对于激光诱导选择性化学液相沉积快速成形技术进 行了原理性研究，在普通玻璃上用c 0 。激光器进行了激光诱导选择性化学液 相沉积铜的试验。对l c l d 技术的沉积原理和反应机理作了一定的分析，论证 了l c l d 快速成形技术在三维微细加工方面应用的可行性n 引；华中科技大学 的陈存华等在水溶液中，用c 0 。激光诱导沉积的方法在环氧树脂基材上沉积 金属银，并以a g 作为活化金属层进行化学镀铜。研究结果表明，c u 金属层 的附着力与a g 金属层的表面形貌、厚度及基材表面粗糙度等因素有直接的关 系n 7 1 。 综合国内外研究现状可以看出： ( 1 ) l c l d 技术不但可以在各种基材上直接沉积金属，而且工艺简单，沉 积速度快，沉积金属局域性好，沉积金属致密，表面质量较高，材料的使用 范围广。 ( 2 ) 该方法对激光的功率要求较低，配以r p 系统和装置，理论上能够制 造任意复杂形状的三维器件，是当代微制造技术的一个重要发展方向。 ( 3 ) 国内外大多数科技人员在这方面的研究都是注重激光高能量密度、 单向性、高空间分辨率等特点瞄准电子行业需求，已从激光诱导单一提高化 学沉积速度发展到研究制造微电子各种图形联线等应用技术，但是用l c l d 技术镀覆合金和复合材料研究的报告甚少。 ( 4 ) 关于l c l d 的研究报告相对比较少，研究内容大多集中在初级实验阶 段，关于激光光束和基板以及化学液体之间的热力学模型几乎未见报导。 ( 5 ) 目前国内外关于l c l d 的研究几乎都是采用外光路，给激光光斑的控 制带来较大的困难。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3论文选题的意义及主要研究内容 随着科学技术和社会生产发展的需要，当今的机械已由传统尺寸范围向 微型机械和巨型设备发展，由普通的机械与电子学结合( 机电一体化) 向与 微电子学、光学渗透结合的微光机电系统方向发展，由常规材料向高性能材 料方向发展，这促使新型机械成型技术与方法成为现代制造科学研究的重点 方向。 目前，国内外科技工作者在上述领域做了大量的研究工作，取得了丰硕 的成果，如电化学机械加工( e c m i ) 、电火花加工( e d m ) 、超声波加工( u s m ) 、 激光束加工( l b m ) 、离子束加工( i b m ) 、电子束加工( e b m ) 、等离子束加工 ( p a m ) 等，这些基于化学的、物理的、电化学的方法与传统的机械加工方法 相比，能解决传统的机械加工方法难以解决甚至不能解决的问题，因而自其 产生以来，显示出极大的潜力和应用前景。但是，作为现代制造技术的一个 重要方面，能够在常温常压下进行、高精度的、支持金属、合金直接成型的 快速成型制造技术离实用阶段还有相当的距离。为此，本课题针对激光诱导 化学液相沉积快速成型问题开展相关技术的研究。 本课题研究成果对机械工程科学中器件成型制造技术与材料科学、计算 机科学、激光技术、化学液相沉积技术的交叉融合具有重要的学术价值，对 支持金属和合金直接成型的r p 系统具有重要的参考价值。 本论文研究的主要内容包括： ( 1 ) 开发r p 系统软件。软件包括三部分主要功能：s t l 文件的缺陷检 查和修复问题及三维显示；基于邻边拓扑信息的分层；优化填充扫描算 法，以利用此算法生成基于二维层片轮廓线的填充扫描轨迹； ( 2 ) 开发运动控制软件以控制激光光束按生成的轨迹进行扫描； ( 3 ) 建立l c l d 反应过程中激光光束和基板以及化学液体之间的热力学模 型，进行计算机模拟仿真。 ( 4 ) 研究激光各种参数( 如功率、速度等) 对激光诱导化学液相沉积局域 镀镀层的影响规律。 ( 5 ) 进行三维模型分层后某一层的沉积实验，为后续三维器件的成型研究 奠定基础。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 快速成型软件系统研究 2 1 软件需求分析 2 1 1国内外现有r p 软件简介 我国从9 0 年代初开始引进和开发快速成型技术，国家将快速成型技术作 为“九五攻关和自然科学基金资助项目进行重点扶持。经过十几年的努力， 一些高校和研究机构在研究快速成型技术的同时，也研制开发了相应的快速 成型软件系统。如南京航空航天大学的r a p 软件系统，清华大学的快速成型 数据处理系统- - l a r k ，华中理工大学的h r p 快速成型叠层制造系统( l o m ) 的软 件系统，北京隆源自动成型系统有限公司a f s 激光快速自动成型机( s l s ) 的软 件系统，西安交通大学的l p s 型快速成形系统( s l a ) 的软件系统等。 国外各种快速成型设备一般都带有自己的快速成型系统软件，因此，市 场上的r p 软件多种多样，表2 - i 列出了部分功能较强、比较常用的几种r p 软件23 j 。 表2 - i国外部分r p 软件 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 现有r p 软件存在的问题 快速成型软件不但是实现离散、堆积成型的重要环节，而且对成型速度、 成型精度、零件表面质量等方面都有很大影响。随着快速成型技术的不断发 展，软件问题已成为发展的关键问题。目前快速成型技术中软件系统主要存 在以下问题： ( 1 ) 快速成型软件大多随机安装，无法进行二次开发； ( 2 ) 各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口； ( 3 ) 随机携带的快速成型软件只能完成一种工艺的数据处理控制程序； ( 4 ) 已经商品化的通用软件价格较贵，功能单，只能进行模型显示、 加工支撑、错误检查与修正中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题， 不易集成； ( 5 ) 商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、 成型精度和质量的要求； ( 6 ) 当前的数据转换模型缺陷较多，对c a d 模型的描述不够精确，从而 影响了快速成型的成型精度和质量。 2 1 3 r p 软件功能需求 r p 软件系统应具备以下功能： ( 1 ) 浏览s t l 文件的功能。对s t l 格式的文件进行三维实体显示，并对 场景中的三维实体实施交互式操作，包括旋转、平移、缩放等基本操作以及 视图的转换操作。 ( 2 ) 纠错功能。对输入的s t l 文件进行纠错，纠错方式应为自动智能化 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 的纠错。软件应能够提供自动检测功能，告知用户当前模型的错误单边数， 并能识别错误边所在的位置。 ( 3 ) 分层功能。对三维图形进行分层切片处理，分层应能按任意方向进 行，用户可自行输入分层参数如切片厚度、分层方向等，并能正确显示分层 结构。 ( 4 ) 填充扫描功能。对分层处理后的二维层片数据( c l i 格式的层片数 据) 进行处理，包括填充扫描路径的生成等功能。还应能对二进制和a s ci i 格式的c l i 文件进行错误检测和修复。 ( 5 ) 模拟加工过程。软件应能自动模拟后期的加工过程，既可以模拟单 层的填充又能够模拟整个模型的叠加过程，并可以控制叠加速度以便于观测。 2 2 软件总体结构 2 2 1设计思路 r p 软件工作过程是指从c a d 造型到分层后层片数据的输出，软件的设计 思路是由数据处理的整个过程来决定的。首先在专用c a d 软件平台上将设计 思想转化为三维实体模型，随后将三维模型转换成s t l 格式的文件( 大部分 c a d 造型软件系统都提供这一转换功能) ，软件将s t l 文件导入并显示出来， 其中要能提供实体显示、三角形显示、及线框显示等功能，然后进行数据整 理和纠错处理，接下来进行分层处理，将三维模型按某一取向( x 、y 、z 方 向) 进行离散化分层，最后进行扫描填充，生成填充路径，将每一层轮廓线 信息及对应的高度值写入c l i 文件存储。后续的加工控制软件根据扫描填充 生成的加工路径控制工件的加工。 2 2 2 软件主要模块及流程图 主要模块包括：分层取向模块、分层模块、扫描填充模块、显示模块。 各模块功能简述如下： ( 1 ) 分层取向模块。分层方向对零件制造的失真性有很大影响，在合理 选择零件的成型方向时要综合考虑加工设备的空间要求、成型的效率、添加 支撑及合并等因素。 ( 2 ) 分层模块。分层模块是整个数据处理软件的关键模块。按数据来 源来分，有基于c a d 模型的直接分层、s t l 分层及s t e p 分层等；按分层方式 来分，有直接分层、定层厚分层及适应性分层等。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 3 ) 扫描填充模块。分层后对各层要进行扫描填充，填充方法直接影响 零件的精度和强度及加工时间等。 ( 4 ) 显示模块。可以显示每层的轮廓，并可以与用户进行交互。 软件工作流程图如图2 1 所示。 c a d 软件暴婉三维造型 毒 生成s t l 文件 ； s t l 文件的三维梗型显示 ； 数据缺陷监测及修复 毒 1 分层切片处理 ； l 扫描埴充生成加工轨迹 ； i输出c u 文件 图2 - 1r p 数据处理软件流程图 fig 2 1fio w c h a r to fr pd a t ep r o c e s sin gs o f t w a r e 2 2 3开发环境的选择 w i n d o w sx p 是3 2 位的操作系统，它提供的服务覆盖面广，诸如多任务、 动态链接、图形用户界面等，而且w i n d o w sx p 系统是现在大部分用户的首 选，比较稳定，因此选择在w i n d o w sx p 平台上开发。 常用的编程语言有b a s i c 、c 、p a s c a l 和c + + 等。从程序代码效率看，c 语言基本上介于汇编语言与其他高级语言之间，具有代码精炼、执行效率高 的特点；从面向程序设计角度看，选择c + + 比较好，v is u mc + + 系列版本提 供了强大的类库( m f c ) 。在软件设计原则中有良好的人机界面要求，v c + + 具 有较强的界面设计功能。因此，采用v i s u a lc + + 6 0 来进行软件开发。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3s t l 文件的预处理及三维显示 2 3 1s t l 文件简介 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，现在已经成为了r p 技术领域内一个事实上的“准工业标 准川2 7 1 ，它是通过对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。 从整体上看，s t l 文件是由多个三角形面片无序地排列集合在一起组成的。 其规则如下： ( 1 ) 共顶点规则。每个小三角形平面必须与每个相邻的小三角形平面共 用两个顶点，也就是说，一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何一个 小三角形的边上，如图2 - 2 所示。 ( 2 ) 取向规则。用小三角形平面中的顶点排序来确定表面是内表面或 外表面，反时针的顶点排序表示该表面为外表面( 如图2 3 左图) ，顺时针的 顶点排序表示该表面为内表面( 如图2 3 右图) 。按照右手法则，当右手的手 指从第一个顶点出发，经过第二个顶点指向第三个顶点时，拇指将指向远离 实体的方向，这个方向也就是该小三角形平面的法向量方向。而且，对于相 邻的小三角形平面，不能出现取向矛盾。根据这个规则可以判断，图2 - 4 中 左图表达正确，右图表达错误( 法向量的取向矛盾) 。 正确 图2 - 2共顶点规则 f i g 2 - 2 c o m m o n v e r t e xr u i e 错误 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 外表面 圈2 - 3顶点排序 正确 图2 - 4 f ig 2 - 4 内表面 错误 ( 3 ) 取值规则。每个小三角形的坐标值必须是正数，不能是零或负值。 ( 4 ) 合法实体规则。s t l 格式文件不得违反合法实体规则，即在三维模 型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏( 即不能有裂缝 或孔洞) ；不能有厚度为零的区域；外表面不能从其本身穿过。 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。其存储的信息为 三角形片面的三个顶点的几何坐标以及该片面的法向量。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 a s c i i 格式的s t l 文件逻辑结构： s o li d ( n a m e ) f a c e tn o r m a l0 0 0 0 0 0 0 e + 0 00 0 0 0 0 0 0 e + 0 01 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 o u t e rl o o p v e r t e x2 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 2 9 8 3 3 1 2 e - 0 12 5 0 0 0 0 0 e + 0 0 v e r t e x1 8 4 3 4 0 2 e + 0 0 一1 3 3 7 7 7 7 e + 0 12 5 0 0 0 0 0 e + 0 0 v e r t e x2 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 1 3 3 7 7 7 7 e + 0 02 5 0 0 0 0 0 e + 0 0 e n d l o o p e n d f a c e t e n d s o lid ( n a m e ) 文件中的f a c e t 为一个三角形片面的开始，e n d f a c e t 为结束。其间的 n o r m a l 后紧接的三个数值为三角形片面的法向量；v e r t e x 后紧接的三个数 值为三角形片面的顶点几何坐标，一个三角形片共三个这样的顶点。在s o l i d 与e n d s o l i d 之间有若干个这样的三角形片面信息。 二进制文件的s t l 文件存储方式是： ( 1 ) 前8 0 个字节为文件头，一般存储的是s o li d ( n a m e ) 和空格，不 包括数据信息； ( 2 ) 紧接着的4 个字节用来标明数据信息的开始； ( 3 ) 其后，梅4 8 个字节存储一个三角形面片的数据。在这4 8 个字节中， 每4 个字节表示一个浮点型分量，其存储采用的是i e e e 标准。前三个为法向 量的分量，而后的九个浮点数，为三个顶点的坐标分量。 ( 4 ) 在每个三角形面片数据( 4 8 字节) 之间存在两个字节，起间隔作 用。 2 3 2s i t 文件的读取 在进行s t l 文件的三维显示之前，从s t l 文件中读取数据并以合理的结 构进行存储是至关重要的一步。a s c i i 格式的s t l 文件可以按行读取，然后 将表示数据的字符取出并将其转化成实型数据存储起来。整个过程如图2 5 所示。 二进制格式的文件是指采用二进制数据存储文件，二进制s t l 文件用固 定的字节数来给出三角形面片的几何信息。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 定义链表 ； 打开文件 毒 读取第一行字符存入s t r 中 寻找加m 峨l 关键宇爿各a o n m a 后的xj y ，z 分量存储到链表 l 读取下一行字符 毒 寻找v e z t e x 的关键字，将三组顶点的 xjy ，z 分量存储到链表 0 移动链表节点指针开辟新的存储空 间 0 i 读取下一行字符 关闭文件1 一 图2 5s t l 文件读取流程图 f i g 2 - 5 f i o w c h a r to fs t lf ii e sr e a d i n g 现就二进制s t l 文件给出一种读取伪代码： w h il e ( r e a d ( i n t d a t a b u f f e r ，5 0 ) ) f o r ( j 1 2 )1 2 表示一个三角形片面中的1 2 个数据 i f ( 阶码e j 不为0 ) e j = i n t d a t a b u f f e r j e 一1 2 7 ：将移码还原 m 为尾数 m j = o x 8 0 0 0 0 0 ；将m 前省去的1 补上并将m 转化为实 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 型； m j + = 1 o ； ) i f ( 阶码e 为o ) m = o ；) ) 其中j n t d a t a b u f f e r j f 为符号位，可根据其确定整个数的 正负； ) 其中i n t d a t a b u f f e r 为结构数组，可用c 语言中的位段定义该结构。 数据的动态存储可用m f c 提供的c a r r a y 定义，最好在使用前调用 s e t s i z e 函数。 比较这两种方式可知，二进制格式文件较小( 通常是a s c i i 格式的1 5 ) ， 节省存储空间，但a s c i i 码格式的文件可读性更强，能被人工识别并修改。 2 3 3s i l 文件的纠错处理 s t l 文件中每个三角形面片都是由一个外法向量和三个顶点坐标组成， 对于相邻三角形共享的顶点会在不同的三角形面片中记录多次，使s i l 文件 存在大量冗余数据，另外共享的顶点在不同的三角形面片中有不同的外法向 量，在显示模型时会造成物体表面不光滑，因此要对s t l 文件做一定的预处 理。 本课题分层软件中对s t l 文件进行了数据纠错处理。具体过程如下： ( 1 ) 检查是否存在法矢量错误。由于这个错误不影响后续的切片分层和 成型，因此给出诊断结果即可，不做修复。 ( 2 ) 处理定点分离的情况。将与冗余度不为2 的边相连的所有顶点找出 来作为候选分离顶点。若两候选分离顶点的距离小于设定值，则它们归并为 一个顶点。 ( 3 ) 如果多边形的边数为3 ，并且每一条边的冗余度都为3 ，那么此处 一定存在悬吊面片，对于这样的错误只要删除对应的三角面片就可以。 ( 4 ) 处理完( 3 ) 中的错误之后，余下的错误多边形的所有边的冗余度 一定都是1 。如果多边形的所有顶点在一条直线上，则一定是顶点错误，通 过添加或删除相应的三角形面片可以纠正这个错误。有两种方法：一是添加 两个三角形面片后删除大的三角形面片；二是添加一个大的三角形面片后删 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 除两个小的三角形面片。添加三角形面片的时候一定要注意所添加的三角形 面片的法矢量必须和删除的三角形面片一直。 ( 5 ) 经过上述处理之后，最终剩下的错误就是裂缝和孔洞了，纠正这类 错误的办法是用适当的方法对孔洞做三角划分，用组三角面片将之补上。 2 3 4s t l 文件三维实体模型的显示 本课题软件系统采用0 p e n g l 来对三维模型进行实体还原显示和检验。 使用o p e n g l 绘制图形时需要的几何数据主要包括三部分：三角形顶点坐标 集，三角形面片的法向矢量，三角形面表。其中，三角形面表包括每个三角 形的顶点，它一般采用的形式：s 1 ：p 1 ，p 2 ，p 3 。 读入s t l 文件后必须对其进行相应的数据处理，才能通过0 p e n g l 来正确 地显示s t l 格式文件的三维实体：( 1 ) 必须找出所有面片的三维坐标最大值 和最小值，以此来确定o p e n g l 显示的场景的大小；( 2 ) 找出整个场景的中心 坐标，计算每个三角形面片相对中心坐标的坐标值，以保证模型会显示在场 景的中央位置。在得到处理好的三角形顶点坐标后，就可以绘制物体表面了， 具体过程如图2 - 6 所示。 i初始化o p c n g l 环境 上 i 定义光照模型及材质属性 上 i绘告j 二雏霉体 上 i 进行视口及投影设置 上 l图像操作 图2 - 6s t l 文件显示流程图 本课题开发的r p 软件提供了三种图形显示方式：实体显示模式( 图2 7 ) ， 线框显示模式( 图2 8 ) ，三角形显示模式( 图2 - 9 ) 和点云显示模式( 图2 1 0 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 - 7实体显示 f i 2 7 s o i idd is p ia y 图2 - 9三角形显示 f i g2 - 9t r l a n g u i d ip i a y j 一 囤2 - 8线框显示 f i g2 - 8l i n d ip i a y ， 围2 - 1 0点云显示 f i g2 1 0 p o in tc i o u dd is p ia y 24分层处理和扫描填充及其优化算法 241基于邻边三角形拓扑关系的分层 由于快速成型是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此，加工前必须利 用分层软件，沿成型的高度方向，每隔定的间隔进行分层，阻便提取界面 的轮廓。间隔的太小根据被成型件的精度和生产率的要求来选定。间隔越小， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 精度越高，但成型时间越长；否则反之。分层实质上是将几何模型变成轮廓 线表述，这些轮廓线代表模型在切片层上的边界，它由一个个以z 轴正方向 为法线的平面与s t l 格式化的模型相交计算而得到，过程如下： ( 1 ) 将三维模型( 如图2 - 1l a 所示) 转换成的s t l 格式文件( 图2 一ll b ) 读入到软件中； ( 2 ) 沿z 轴方向，自上而下，每间隔一定高度，逐一用以z 轴正方向为 法向的平面与s t l 格式化的模型相交，求取交点( 图2 1 1 c ) ； ( 3 ) 将交点按右手法则相连成环路； ( 4 ) 由相应的环路构成各层的轮廓线( 图2 1 1 d ) 。 a d b i 结点的 x 值递增d x ； 若允许轮廓线的边自相交，则用冒泡排序法对a e l 表重新排序； 遍历a e l 表，把配对交点储存到填充扫描轨迹信息中； ) ) ； 扫描线与轮廓线顶点相交时，必须明确交点的取舍( 如图2 - 1 8 ) ：扫描 线与轮廓线相交的边分处扫描线的两侧，则计个交点；扫描线与轮廓线相 血 赢 气一一一一 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 3 页 交的边分处扫描线同侧，且y ； y ；+ l ，则计o 个交点；扫描线与轮廓线边界重合( 当要区分边界和边界内 区域时需特殊处理) ，则计1 个交点。具体实现时，只需检查顶点的两条边的 另外两个端点的y 值。按这两个y 值中大于交点y 值的个数是0 ，1 ，2 来决 定。 p l 图2 1 8扫描线与轮廓线相交 f i g 2 1 8 t h es c a n n i n gb e a min t e r s e c tw i t hc o n t o u rii n e 优化算法的主要思想是从边的角度来看，变被动为主动，由原来的以每 条扫描线为基