快速成型的基本原理

15　快速成型技术与项目实训

快速成型（Rapid Prototyping）技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。

快速成型技术问世以来，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、医学、实验分析模型、建筑行业等领域得到了广泛应用。

15.1　快速成型制造项目实训

15.1.1　实训目的和要求

（1）了解快速成型的基本原理及技术特征。

（2）了解几种不同快速成型技术的成型方法及特点。

（3）熟悉熔融沉积法（FDM）的成型原理，掌握ModelWizard及相应成型机的基本操作。

（4）能基本实现建模—编辑—造型的完整操作实践。

15.1.2　实训设备使用规程及操作安全守则

（1）操作设备者一定是熟悉设备性能或经过培训后能掌握设备基本操作的人员，初学者要在技术人员的指导下方可操作。

（2）设备处于正常工作过程中，不得随意触碰设备上的任何按键，不得随意打开设备门，不得随意使用或关闭设备计算机。

（3）设备运行时，严禁挪动或振动设备，不得随意断开电源。

（4）设备运行过程中，发现设备有异常声音或出现异味等现象时，应及时报告指导人员或立即停机并切断电源，严禁带故障操作或擅自处理。

（5）在设备初始化过程中检验工作台高度是否正常、喷头初始化时出丝是否正常。

（6）设备工作期间或工作刚结束，禁止用手触摸喷头，防止烫伤。

（7）工作结束时，关闭系统电源，关闭计算机。

15.1.3　项目实训内容

（1）三维实体造型设计，生成STL格式图形文件。

（2）应用ModelWizard，载入STL格式文件，完成一系列三维模型操作，将对应造型实际加工出来。

15.2　快速成型技术的重要特征

先进的RP系统，即是与CAD集成的快速成型制造系统，属于CIMS的目标产品的范畴。由于它直接由计算机数据信息驱动设备进行制造，因此它是一种数字化制造。RP技术迥异于传统的切削成型（如车、铣、刨、磨）、连接成型（如焊接）或受迫成型（如铸、锻，粉末冶金）等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型。

20世纪80年代后期发展起来的快速成形技术，被认为是近20年来制造领域的重大突破，对制造业的影响可与50～60年代数控技术相比，RP技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改和试验，大大缩短产品研制周期。快速成型技术的重要特征主要有以下几个方面：

（1）高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体。

（2）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。

（3）不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件加工只需要在一台设备上完成，因而大大缩短了新产品的开发成本和周期，加工效率也远胜于数控加工。

（4）曲面制造过程中，CAD数据的转化（分层）可百分之百的全自动完成。

（5）无须人工干预或较少干预，是一种自动化的成型过程。

（6）成型全过程的快速性，能适应现代激烈的市场竞争对产品更新换代的要求。

（7）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对现代科学技术发展的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。

15.3　快速成型的基本原理

基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。

15.3.1　三维模型的构造

在三维CAD设计软件（如Pro/E＼UG＼SolidWorks＼SolidEdge等）中获得描述该零件的CAD文件，如图15-3-1中所示的三维零件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近似处理。所谓面型化处理，是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式，从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。

图15-3-1中不同ch值时的效果，在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值作为逼近的精度参数，如图15-3-1为一球体，给定的两种ch值所转化的情况，（a）ch＝0.05；（b）ch＝0.2。对于一个模型，软件中给定一个选取范围，一般情况下这个范围可以满足工程要求。但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间及存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据在转换过程中会无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。

图15-3-1　不同ch值时的效果

15.3.2　三维模型的离散处理

通过专用的分层程序将三维实体模型（一般为STL模型）分层，分层切片是在选定了制作（堆积）方向后，需对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件（面型化后的CAD模型）求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。

15.4　快速成型的工艺方法

目前快速成型主要工艺方法及其分类见图15-4-1所示。文章仅介绍目前工业领域较为常用的工艺方法。

图15-4-1　目前快速成型主要工艺方法及其分类

15.4.1　熔积成型法（Fused Deposition Modeling）

图15-4-2　熔积成型法示意图

如图15-4-2所示，在熔积成型法（简称FDM）（也称熔融挤出成型）的工作过程中，龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的，当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始叠加制造一层。FDM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℃左右。

FDM制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图15-4-3（a）的高度，下一层熔丝将铺在没有材料支撑的空间。解决的方法是独立于模型材料单独挤出一个支撑材料，支撑材料可以用低密度的熔丝，比模型材料强度低，在零件加工完成后可以将它拆除。在FDM机器中层的厚度由挤出丝的直径决定，通常是从0.50mm到0.25mm（从0.02in到0.01in）这个值代表了在垂直方向所能达到的最好的公差范围。在x-y平面，只要熔丝能够挤出到特征上，尺寸的精确度可以达到0.025mm（0.001in）。FDM的优点是材料的利用率高，材料的成本低，可选用的材料种类多，工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低，结构复杂的零件不易制造，表面质量差，成型效率低，不适合制造大型零件。该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试、中等复杂程度的中小成型。由于甲基丙烯酸ABS材料具有较好的化学稳定性，可采用伽马射线消毒，特别适于医用。

图15-4-3　快速成型支撑结构图

15.4.2　光固化法（Stereo Lithography）

图15-4-4　光固化法示意图

光固化法是目前应用最为广泛的一种快速成型制造工艺，它实际上比熔积法发展得还早。光固化采用的是将液态光敏树脂固化（硬化）到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。如图15-4-4。成型开始时工作台在它的最高位置（深度a），此时液面高于工作台一个层厚，零件第一层的截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一个截面的固化层。然后工作台下降一个层厚，使先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达到b高度。此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。到达b高度后，光束在xy面的移动范围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状，一般此处应添加类似于FDM的支撑。当一定厚度的液体被固化后，该过程重复进行产生出另一个从高度b到c的圆柱环形截面。但周围的液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有在紫外线光束范围内。零件就这样由下及上一层层产生。而没有用到的那部分液态树脂可以在制造别的零件或成型时被再次利用。可以注意到光固化成型也像FDM成型法一样需要一个微弱的支撑材料，在光固化成型法中，这种支撑采用的是网状结构。零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件。

光固化成型所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度，通常是0.0125mm。倾斜的表面也可以有很好的表面质量。光固化法是第一个投入商业应用的快速成型技术。目前全球销售的SL（光固化成型）设备约占RP设备总数的70%左右。SL（光固化成型）工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在0.1mm；表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状特别复杂、特别精细的零件，设备的市场占有率很高。缺点是需要设计支撑，可以选择的材料种类有限，容易发生翘曲变形，材料价格较贵。该工艺适合成型制造比较复杂的中小件。

15.4.3　激光选区烧结（Selective Laser Sintering）

图15-4-5　激光选区烧结示意图

激光选区烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）是一种将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO2激光器作为能源，目前使用的激光烧结技术在加工室的底部装备了两个圆筒：一个是粉末补给筒，它内部的活塞被逐渐地提升通过一个滚动机构给零件造型筒供给粉末；另一个是零件造型筒，它内部的活塞（工作台）被逐渐地降低到熔结部分形成的地方。首先在工作台上均匀铺上一层很薄（100～200μm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，从而使粉末固化成截面形状，一层完成后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末仍然是松散的保留在原来的位置，支撑着被烧结的部分，它辅助限制变形，无需设计专门的支撑结构。这个过程重复进行直到制造出整个三维模型。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件，如图15-4-5。

目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。它可以直接制造工程材料的零件，具有诱人的前景。

SLS工艺的优点是原型件的机械性能好，强度高；无须设计和构建支撑；可选用的材料种类多；原材料的利用率接近100%，缺点是原型表面粗糙；原型件疏松多孔，需要进行后处理；能量消耗高；加工前需要对材料预热2h，成型后需要5～10h的冷却，生产效率低；成型过程需要不断充氮气，以确保烧结过程的安全性，成本较高；成型过程产生有毒气体，对环境有一定的污染。SLS工艺特别适合制作功能测试零件。由于它可以采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，进行渗铜等后处理，因而其制造的原型件可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相结合特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。

15.4.4　叠层制造（Lamited Object Manufacturing）

LOM（叠层制造）工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割—粘合—切割，直到整个零件模型制作完成。如图15-4-6。该法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。一旦零件完成，多余的材料必须手动去除，此过程可以通过用激光在三维零件周围切割一些方格形小孔而简单化。

LOM工艺优点是无需设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部；残余废料不易去除；可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。LOM工艺适合制作大中型成型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。

图15-4-6　叠层制造示意图

15.5　快速成型技术的发展方向

目前国内外快速成型的研究、开发的重点是快速成型技术的基本理论、新的快速成型方法、新材料的开发、模具制作技术、金属零件的直接制造、生物技术与工程的开发与应用等。另外，还要追求RPM（快速成型制造）更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RPM设备的安装使用外设化，操作智能化；使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。具体说来，有以下几点：

（1）采用金属材料和高强度材料直接成型是RPM的重要发展方向，采用金属材料和高强度材料直接制成功能零件是RPM（快速成型制造）的一个重要发展方向。美国Michigan大学的Manzumd采用大功率激光器进行金属熔焊直接成型钢模具；Stanford大学的Print，用逐层累加与五坐标数控加工结合方法，用激光将金属直接烧结成型，可获得与数控加工相近的精度。

（2）不同制造目标相对独立发展。从制造目标来说RPM（快速成型制造）主要用于快速概念设计成型制造、快速模具成型制造、快速功能测试成型制造及快速功能零件制造。由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距，两者将是相对独立发展的态势，快速测试型制造将附属于快速概念型制造。快速功能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很长一段时间内，仍将局限于研究领域。

（3）向大型制造与微型制造进军。由于大型模具的制造难度和RPM（快速成型制造）

在模具制造方面的优势，可以预测，将来的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的将是RPM（快速成型制造）向微型制造领域的进军。SL技术的一个重要发展方向是微米印刷（Microlithography），用来制造微米零件（Microseale Parts）。而针对我国的具体国情，快速成型技术今后的主要发展方向有：

（1）成型工艺、成型设备和成型材料的研发与改进；

（2）直接快速成型的金属模具制造技术；

（3）基于因特网的分散化快速原型、快速模具的网络制造技术研究；

（4）与生物技术相结合；

（5）进一步完善软件的功能。

15.6　熔融挤出成型实践

本节以北京太尔时代公司生产的快速成型机（图15-6-1）为主，介绍熔融挤出成型的实践过程。

15.6.1　系统结构

快速成型系统分为主机、电控系统两部分，主要由以下几部分系统构成：

●系统外壳

●主框架

●电控系统

●XY运动扫描系统

●升降工作台系统

●喷头

●送丝机构

●成型室

控制系统和主要机械部分结构如图15-6-2所示。

图15-6-1　快速成型机

图15-6-2　控制系统原理图

XY扫描系统由丝杠、导轨、伺服电机组成（三维打印机由步进电机、导轨、同步齿型带组成）。

升降工作台由步进电机、丝杠、光杆、台架组成。

送丝机构通过丝管和喷头连接，成型材料由料盘（图15-6-3）送入送丝机构，然后由送丝机构的一对滚轮送入送丝管，最终送入喷头（图15-6-4）中。

图15-6-3　料盘

图15-6-4　喷头

成型室内有加热系统，由加热元件、测温传感器和风扇组成，加热元件和风扇故障都会导致成型室温度过高或过低。

15.6.2　基本操作介绍

1）软件启动及命令介绍

支持和控制快速成型机工作的应用程序为ModelWizard。从桌面和开始菜单中的快捷方式都可以启动ModelWizard（三维打印专家）操作软件，界面如图15-6-5所示。

图15-6-5　软件界面

软件界面由三部分构成，上部为菜单和工具条，左侧为工作区窗口，有三维模型，二维模型，三维打印三个窗口，显示STL模型列表等；右侧为图形窗口，显示三维STL或CLI模型，以及打印信息。

控制三维打印/快速成型的命令包括：连接，初始化，调试，设为默认打印机，打印模型，取消打印，启动打印，自动关机等，如图15-6-6所示。

图15-6-6　三维打印机相关命令

各命令功能如下：

连接：连接三维打印机/快速成型系统，读取系统参数。系统每次启动后必须执行连接操作方可控制设备运行。

初始化：三维打印机/快速成型系统执行初始化操作。系统每次启动后必须执行该项操作，初始化执行完毕，喷头和工作台处于机器预设的初始位置。

恢复就绪状态：系统完成模型，或从故障状态（如用户取消打印）恢复后，如果可以继续打印模型，则可以使用命令恢复到就绪状态，继续打印模型。某些状态下，如运动系统错误，不能恢复到就绪状态，必须重新进行初始化。

调试：手动控制三维打印机/快速成型系统。

送进材料：自动送进材料。将材料送入送丝机构后，该命令可以自动送进材料到喷头中，用于自动装入新材料。

撤出材料：自动撤出材料。加热喷头到一定温度后，从喷头中自动撤出，用于更换材料。

更新料盘/喷头：更新料盘和喷头时使用，可帮助用户记录材料和喷头使用信息。

平台调整：按系统预设程序，在三个位置调整平台，使其与打印平面平行。系统会依次在各点停留两次，用户可在喷头停止时调整螺钉，调平工作台。

系统恢复：载入系统出厂时的设定参数，恢复到出厂状态。

打印模型：开始打印模型。打印命令将输出所有已载入的二维层片模型，即一次可以打印多个三维模型。

取消打印：取消打印任务。

启动打印：暂停/恢复打印。

自动关机：打印完成后关闭三维打印机/快速成型系统和计算机。

2）载入STL模型

STL格式是快速成型领域的数据转换标准，几乎所有的商用CAD系统都支持该格式。在CAD系统或反求系统中获得零件的三维模型后，就可以将其以STL格式输出，供快速成型系统使用。

载入STL模型的方式有很多：依次选择菜单【文件】、【载入模型】。选择一个或多个STL文件后，系统开始读入STL模型，并在最下端的状态条显示已读入的面片数（Facet）和顶点数（Vertex）。读入模型后，系统自动更新，显示STL模型，如图15-6-7所示。

图15-6-7　载入STL模型

模型载入后，通过【自动排放】命令，将模型放置在合适位置，以选择合适的打印/成型方向。选择成型方向有以下几个原则：

-271437861a）不同表面的成型质量不同，上表面好于下表面，水平面好于垂直面，垂直面好于斜面。水平方向精度好于垂直方向的精度，水平面上的圆孔，立柱质量，精度最好，垂直面上的较差。成型方向的选择主要从以上几个方面考虑。

-271437860b）水平方向的强度高于垂直方向的强度。

-271437859c）有平面的模型，以平行和垂直于大部分平面的方向摆放。

-271437858d）选择重要的表面作为上表面（上表面的成型质量比下表面质量高）

-271437857e）减少支撑面积，降低支撑高度。

-271437856f）如果有较小直径（小于10mm）的立柱，内孔等特征，尽量选择垂直方向成型。

-271437855g）如果需保证强度，选择强度要求高的方向为水平方向。

-271437854h）避免出现投影面积小，高度高的支撑面出现。

3）三维模型操作

（1）坐标变换

坐标变换是对三维模型进行缩放，平移，旋转，镜像等。这些命令将改变模型的几何位置和尺寸。坐标变换命令集中在【模型】、【几何变换】菜单中的【几何变换】对话框内，分别为：移动，移动至，旋转，缩放，镜像这五种，如图15-6-8所示。

图15-6-8　几何变换对话框

（2）三维模型合并、分解及分割

为方便多个三维模型处理，可以将多个三维模型合并为一个模型并保存。在三维模型列表窗口中选择零件，然后选择【合并】命令，合并后自动生成一个名为“Merge”的模型。

与合并操作相反的是分解操作，若一个三维模型中包含若干个互不相连的部分，则该命令将其分解为若干各独立的STL模型。激活要分解的三维模型，然后选择【分解】命令，该模型将分解为多个模型，并依次在每个模型后添加“序号”进行区别。

图15-6-9　分割模型

与模型分解有一个类似命令——“分割”。该命令将一个三维模型在一个确定的高度分解为两个三维模型。选中要分割的三维模型，然后选择【分割】命令，系统弹出如图15-6-9所示对话框。对话框中的移动标尺可以设定模型的分割高度，同时在标尺下面的编辑框中同样可以输入分割位置。当设定新的分割高度或拖动标尺时，图形窗口会实时显示该高度上的截面轮廓。设定分割高度后，图形窗口中的三维模型会在分割位置显示其轮廓。

（3）模型检验和修复

快速成型工艺对STL文件的正确性和合理性有较高的要求，主要是要保证STL模型无裂缝、空洞、无悬面、重叠面和交叉面，以免造成分层后出现不封闭的环和歧义现象。从CAD系统中输出的STL模型错误几率较小，而从反求系统中获得的STL模型较多。错误原因和自动修复错误的方法一直是快速成型软件领域的重要研究方向。根据分析和实际使用经验，可以总结出STL文件的四类基本错误：

①法向错误。属于中小错误。

②面片边不相连。有多种情况：裂缝或空洞、悬面、不相接的面片等。

③相交或自相交的体或面。

④文件不完全或损坏。

STL文件出现的许多问题往往来源于CAD模型中存在的一些问题，对于一些较大的问题（如大空洞，多面片缺失，较大的体自交），最好返回CAD系统处理。一些较小的问题，可使用自动修复功能修复，不用回到CAD系统重新输出，可节约时间，提高工作效率。本软件STL模型处理算法具有较高的容错性，对于一些小错误，如裂缝（几何裂缝和拓扑裂缝），较规则孔洞的空洞能自动缝合，无需修复；而对于法向错误，由于其涉及支撑和表面成型，所以需要进行手工或自动修复。在三维显示窗口，STL模型会自动以不同的颜色显示，当出现法向错误时，该面片会以红色显示处理，如果模型中出现红色区域，则说明该文件有错误，需要修复。

使用“校验并修复”功能可以自动修复模型的错误。启动该功能后，系统提示用户设定校验点数，点数越多，修复的正确率越高，但时间越长，一般设为5就足够了。

（4）三维模型的测量和修改

模型测量对于用户是个非常重要的工具，它可以帮助用户了解模型的重要尺寸，检验原型的精度，而无需回到CAD系统中。首先选择被测量的模型，然后选择菜单【模型】＞【测量】，可以进入测量和修改模式。测量是基于三种基本元素进行的：“顶点”“边”和“面片”。

当STL模型出现错误，自动修复功能不能完全修复后，可以使用修改功能对其进行交互修复。

（5）分层

分层是三维打印/快速成型操作的重要步骤。本软件自动添加支撑，无需用户添加。一次只能对一个模型分层，如果用户需要同时制作多个模型，可以将其合并为一个三维模型后分层，或者在打印/成型前，载入这几个模型的CLI层片文件，一同打印/成型。注意，这些CLI层片文件必须是相同层高的模型。

分层参数如图15-6-10所示：

图15-6-10　分层参数对话框

分层后的层片包括三个部分，分别为原型的轮廓部分，内部填充部分和支撑部分。轮廓部分根据模型层片的边界获得，可以进行多次扫描。内部填充是用单向扫描线填充原型内部非轮廓部分，根据相邻填充线是否有间距，可以分为标准填充（无间隙）和孔隙填充（有间隙）两种模式。标准填充应用于原型的表面，孔隙填充应用于原型内部（该方式可以大大减小材料的用量）。支撑部分是在原型外部，对其进行固定和支撑的辅助结构。

分层参数包括三个部分，分别为分层，路径和支撑。

大部分参数已经固化在三维打印机/快速成型系统中，用户只需根据喷嘴大小和成型要求选择合适的参数集即可，一般无需对这些预设参数进行修改。

分层部分有四个参数：分别为层片厚度、起始高度、终止高度和参数集。层厚为快速成形系统的单层厚度。起点为开始分层的高度，一般应为零；终点为分层结束的高度，一般为被处理模型的最高点。参数集为系统预置的参数集合，包括了路径和支撑部分的大部分参数设定。选择合适的参数集后，一般不需要用户再修改参数值。

路径部分为快速原型系统制造原型部分的轮廓和填充处理参数。

轮廓线宽：层片上轮廓的扫描线宽度，应根据所使用喷嘴的直径来设定，一般为喷嘴直径的1.3～1.6倍之间。实际扫描线宽会受到：喷嘴直径、层片厚度、喷射速度、扫描速度这四个因素的影响，该参数应根据原型的造型质量进行调整。

扫描次数：指层片轮廓的扫描次数，一般该值设为1～2次，后一次扫描轮廓沿前一次轮廓向模型内部偏移一个轮廓线宽。

填充线宽：层片填充线的宽度，与轮廓线宽类似，它也受到喷嘴直径，层片厚度，喷射速度，扫描速度这四个因素的影响，需根据原型的实际情况进行调整。以合适的线宽造型，表面填充线应紧密相接，无缝隙，同时不能发生过堆现象（材料过多）。

填充间隔：对于厚壁原型，为提高成型速度，降低原型应力，可以在其内部采用孔隙填充的方法：相邻填充线间有一定的间隔。该参数为1时，内部填充线无间隔，可制造无孔隙原型。该参数大于1时，相邻填充线间隔（n-1）个填充线宽。

填充角度：设定每层填充线的方向，最多可输入六个值，每层角度依次循环。如果该参数为：30，90，120，则模型的第3×N层填充线为30°，第3×N＋1层为90°，第3×N＋2为120°。

填充偏置：设定每层填充线的偏置数，最多可输入六个值，每层依次循环；当填充间隔为1时，本参数无意义。若该参数为（0，1，2，3），则内部孔隙填充线在第一层平移0个填充线宽，第二层平移1个线宽，第三层平移2个线宽，第四层平移3个线宽，第五层偏移0个线宽，第六层平移1个线宽，依次继续。

水平角度：设定能够进行孔隙填充的表面的最小角度（表面与水平面的最小角度）。当面片与水平面角度大于该值时，可以孔隙填充；小于该值，则必须按照填充线宽进行标准填充（保证表面密实无缝隙）。该值越小，标准填充的面积越小，会在某些表面形成孔隙，影响原型的表面质量。

表面层数：设定水平表面的填充厚度，一般为2～4层。如该值为3，则厚度为3×层厚。即该面片的上面三层都会进行标准填充。

支撑部分参数如下：

支撑角度：设定需要支撑的表面的最大角度（表面与水平面的角度），当表面与水平面的角度小于该值时，必须添加支撑。角度越大，支撑面积越大；角度越小，支撑越小，如果该角度过小，则会造成支撑不稳定，原型表面下塌等问题。

支撑线宽：支撑扫描线的宽度。

支撑间隔：距离原型较远的支撑部分，可采用孔隙填充的方式，减少支撑材料的使用，提高造型速度。该参数和填充间隔的意义类似。

最小面积：需要填充的表面的最小面积，小于该面积的支撑表面可以不进行支撑。

表面层数：靠近原型的支撑部分，为使原型表面质量较高，需采用标准填充，该参数设定进行标准填充的层数，一般为2～4层。

（6）辅助支撑

辅助支撑是在打印的模型旁边，人为地增加一个辅助结构。打印时，辅助支撑会从第一层开始打印，直到模型的支撑部分打印完成为止。系统提供了4种形式的辅助支撑结构，可以满足不同模型的使用。

辅助支撑的作用如下：

①主副喷头切换时，切换点在辅助支撑上。如不加辅助支撑，则切换点在模型上，影响模型的质量。

②加工较小（零件外形尺寸小于喷头尺寸）或是细高的模型时，为防止模型的顶部出现坍塌或局部受热变形，添加辅助支撑。

③因辅助支撑与打印的模型之间有一定的距离，所以喷头在加工辅助支撑的时候，可以观察到打印的表面是否正常，以此来检验模型表面。

15.6.3　打印流程

1.打开三维打印机/快速成型机的开关，使设备上电。

2.启动ModelWizard软件。

3.启动“初始化”命令，让设备执行初始化操作。

4.载入三维模型，调整成型方向，分层，待系统分层结束后载入“辅助支撑”。

5.启动“打印模型”命令。

6.设定工作台的高度，在一个合适的高度开始成型。

7.开始打印模型。出现异常时选择取消打印或暂停打印，也可使用“初始化”操作来终止打印。

8.打印完成，下降工作台，取出模型。

复习思考题

1.RP技术的特点有哪些？为什么说它有较强的适应性和生命力？

2.RP技术与传统的切削成型、受迫成型有何不同之处？

3.SL技术是基于什么原理上工作的，其制造精度如何，制造时是否需要支撑？

4.叙述LOM技术的工作原理，该方法在诸多RP技术中是否先进？

5.SLS是利用什么材料成型的，在制作中是否需要支撑？

6.你所操作的快速成型机是输入哪种工艺方法？

7.模型的布局方向对打印质量有何影响？