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1、第三章 先进制造工艺技术,第五节 快速原型制造,反求工程出现,反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的日本在60年代初提出科技立国方针：一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场 Reverse Engineering,反求工程定义,广义定义：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以先进产品设备的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索其关键技术，进而开发出同类的先进产品。包括：设计反求（几何、材料）、
2、工艺反求等,狭义定义：根据实物模型的坐标测量数据，构造实物的数字化模型（CAD模型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及CIMS等先进技术对其进行处理或管理。包括：几何形状的反求,反求工程目标,反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进行分析、修改等 。,反求工程与正向工程,正向工程：（正向设计）是根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，变为产品市场需求，设计要求设计师的创造性活动产品怎么做反求工程：从已知事物的有关信息，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，再回溯这些信息的科学依据，即充分
3、消化与吸收，更重要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造已知事物消化、再创造市场竞争的新产品为什么这样做,反求工程步骤,数据获取 Data Capture数据预处理 Preprocessing数据分块与曲面拟合 Segmentation and Surface fittingCAD模型生成 CAD model creation,测量机分类,接触式三坐标测量机（CMM coordinate measure machine） 机械手 非接触式 光学测量 声学测量 磁学测量 破坏式自动断层扫描,接触式测量机,工作方式：点触发，连续或间断式数据采集特点：不受物体表面颜色及光照的限制，对物体边界也能产生准
4、确的测量结果缺点：由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的细节数据不能测量软材料测量速度受到机构运动的限制,3D Coordinate Measuring Machine,三坐标测量机（CMM）,一般工作台面是花岗岩，测头为宝石,意大利COORD3公司半桥式CMM测量机,龙门式CMM,CMM系统组成,计算机控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设的通讯数控设备计算机和测量机的接口，控制测量机运动测量机机体底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机,高精度三维测量仪花岗岩导轨气压轴承光学尺感应无牙螺杆自动触发探头,机械手式测量机,测量方法：操作者手持测量手臂，末端探针接触被测量物体表面时按下
5、按钮，记录坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种软件包上,FaroARM手动式,精度低，范围大,Cimcore手动式,接触式测量数据,光学测量机,激光三角形法 激光测距法 投影光栅法 图像分析法,特点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点：对表面粗糙和表面漫反射率敏感（如透明、高光）,激光三角形法,原理：激光带投射到被测物体表面，反射光在图象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得,laser stripe triangulation,原理图,23,000 points per second.,3D Scanners三维激光扫描仪（
6、3D laser scanners）,Scantech三维激光扫描仪非常便于安装在所有CNC机床上，无论其大小。可以安装于任何3轴、5轴铣床或3轴车床，激光扫描仪比探针扫描仪快10倍，还可以扫描柔软和易碎的物体。,3D Scanner,CyberWare测量机,Cyberware公司的三维扫描仪，在80年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于终结者II，侏罗纪公园，蝙蝠侠II，机械战警等影片。还用于快速雕塑系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、NURBS曲面、点、Spline曲线方式描述，可进行彩色扫描。扫描速率可达1.4万点/秒。3030RGB型扫描物体的尺寸在30cm，
7、深度方向测量精度100-400m，用于动画、人类学研究、服装设计等方面。,CyberWare测量机,构成：平台传感器（光学系统）计算机处理软件,Cyberware,激光测距法,激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离,投影光栅法,采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标,ATOS流动光学三坐标测量系统,atos,贴标签定位,Atos测量数据,光照图,图像分析法,利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标 。,自动断层扫描,逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法将待测零件用专用树脂材
8、料（填充石墨粉或颜料）完全封装，待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，得到包含零件和树脂材料的截面，移到CCD摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。重复步骤2、3，再到铣床上切削，再分析。,自动断层扫描数据,测量中的问题,精度标定透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差不可测量性阴影、障碍物，夹具多个视点测量，再进行多视拼合测量噪声 被测物体表面特征的影响光洁度、表面涂层对光线的反射率头发测量，粗糙表面的典型实例,测量数据类型,散乱点云（Point Cloud）
9、扫描线点云网格化点云 三角网格点云 多边形点云,散乱点云数据,测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态随机扫描下的CMM，光学测量系统多张数据拼合后,扫描线点云,点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内CMM、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量,网格化点云,点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应网格化插值,网格数据表示,三角网格点云,点云中的点与邻点构成三角网格拓扑关系ATOS流动光学三坐标测量机,多边形点云,测量点分布在一系列平行平面内，用一小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成有嵌套的平行多边形层切法、核磁共振、工业CT,数据预处理内容,
10、数据拼合数据光滑数据简化数据修复数据分块,数据拼合,也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体件的数字化是很困难的 CMM中多次装夹光学测量仪中，多视角测量 可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结束后输入到反求工程软件中拼合,数据光滑,实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对数据进行平滑滤波。人机交互 程序滤波变形光顺,人工交互,程序滤波,局部特征去除,光顺效果,光顺效果,数据修复,测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量不完整重新测量软件中修补,数据修复,修复,数据简化,按数据点间的距离 指定数据点间的临界距离
11、，两个测点间的距离小于临界距离，则删除其中的一个。按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据。测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲率大或尖锐棱边保留较多的点。,给定距离简化,全站仪,激光免棱镜 激光相位式测距技术，一定距离内不需任何协作目标就可以测量 激光束细、亮 ，使得测量免受栅栏、树枝等物体的影响，也可迅速定位于细小的定位点：墙角、物体尖端等，极大方便了测量工作 键盘操作快捷 采用了软键和数字键盘相结合的方式适用于建筑放样、道路放样、地形地籍测量及控制点测量等测量工作。,LDT
12、50激光电子经纬仪,光束在多云白天条件下，工作范围达400米，在管道，地下等黑暗环境下，工作范围更远。激光束可以在聚焦模式和平行模式下切换。激光光斑非常逼近圆型。判断光斑中心非常简单精确。,一、 简介 在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。,快速成型制造技术,一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。
13、,快速原型制造技术产生的背景,市场变化,客户要求,计算机技术,材料科学,CAD/CAM,能源科学,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意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。,一个更为人们
14、关注的问题是一个产品从概念到可销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力使高质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。 快速成型技术问世这些年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。,快速原型技术的优点：1.快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。,3.快速原型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得
15、最终产品。4.快速原型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。5.产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造(Free Form Fabrication)，这是传统制造方法无法比拟的。,二、 快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。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。,快速成型的一般工艺过程原理如下：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。 目前一般快速成型
16、支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近似处理,即所谓面型化(Tessallation)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。,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(ch-chord height)作为逼近的精度参数，如图为一球体,给定的两种ch值所转化的情况。,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分层，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
17、信息,而实体信息是通过一些判别准则来获取的。,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。 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。 轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。 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。,分层后所得到的模型轮廓是近似的,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。为提高零件精度,应该考虑更小的切片层厚度。3.层截面
18、的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。,RP技术的基本原理图,快速原型制造技术发展历史,1892年 美国 层合方法制作三维地图模型1979年 日本 东京大学中川威雄发明叠层模型造型法1980年 日本 名古屋工业大学小玉秀男提出光造型法(立体印刷成型) 1984年 美国 UVP公司完成了Stereo Lithography Apparatus系统SLA-1（3D System ） 1984年 美国
19、M Feygin提出层合实体制造（ Helisys ）1986年 美国 得克萨斯大学C.Deckard提出选区激光烧结（ DTM ）1988年 美国 S.Crump提出熔融沉积造型,三、快速成型的工艺方法,1.熔积成型法（Fused Deposition Modeling） 在熔积成型法（FDM）的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迭加制造一层。,熔积成型法原理图,FDM 制作复杂的零
20、件时，必须添加工艺支撑。如图所示,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原型。特别适合薄壁零件。,2.光敏液相固化法（Stereolithography Apparatus） 光敏液相固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。原理如图所示,光固化成型原理图,光固化采用的是将液态光敏树脂固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
21、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。 光固化成形所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。,SLA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。该工艺适合比较复杂的中小件。,3.激光选区烧结（Selective Laser Sinering） 激光选区烧结（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
22、光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。,SLS工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。,a)选区片层粘结法工艺原理图,LOM工艺优点是无须设计和构建支撑；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原型件，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
23、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。,快速模具及快速复制技术是近几年在国内外发展起来的一种快速制造技术。该项技术融合了高分子复合材料应用、快速成型技术、快速翻制工艺以及CNC加工等新技术、新工艺，可快速、低成本地制造非金属模具，用于10-1000件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。,四、基于快速成型的快速模具技术（Rapid Tooling,简称RT）,适用于产品开发过程中的小批量试制，以及小批量生产的、结构较简单的覆盖件生产。 按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。,1.直接制模法(Direct ToolingDT) 直接制模法
24、是指将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。即在RP系统上直接制造出模具供生产使用。 这种方法不需要RP原型作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法。 制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机械强度和稳定性，故用RP技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生产中。但由于RP成型工艺和成型材料等原因，直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。,2.间接制模法 间接RT法是以RP原型作样件间接制造模具的方法。 RPM技术克服了传统样件(模样)制作的缺点，能够更快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型(样件)。一般可使模具制造周期和制造成本
25、降低1/2，大大提高了生产效率和产品质量。,间接RT法已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同。常用的有： 用RP原型制作简易模具 1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（批量在2050件）时，一般采用这种硅橡胶模。 工艺过程为：以RP原型作样件，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。 独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。 制作周期为1周左右。,2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模 以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料，以RP原型为基准浇铸模具的一种制模方
26、法。 制造的模具寿命为1001000件。为延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂。 具有工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工的特点，适于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯发泡成型模。 制作周期为12周。,3)金属喷涂（Metal Spraying）制模法 以RP原型作样件，将低熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样件的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料的制模技术。 这种模具用于3000件以下的注塑件生产。 特点：工艺简单，周期短；型腔表面及其精细花纹一次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。 制作周期为34周。,通常将硅橡胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等称为软模具（S
27、oft Tooling ）或叫经济模具（Economical Tooling）。一般用于批量小的零件生产或者用于产品试制阶段，并非一定用钢铁材料制作的成本较低的模具。,用RP原型快速制作钢模1)陶瓷型精密铸造法制造钢/铁型腔 过程：制作钢/铁型腔，将RP原型置于陶瓷沙浆中，形成模壳在炉中固化模壳，烧去RP原型在炉中预热模壳在模壳浇铸钢/铁型腔型腔表面抛光加入浇注系统和冷却系统等批量生产用注塑模。,2)消失模铸生产模具 利用RP原型或由原型翻制的硅橡胶模/金属树脂复合模/聚氨酯材料制成的蜡模的成形模，然后用成形模生产蜡模，用于失蜡铸造工艺制造钢/铁型腔模具。另外在单件生产复杂模具时，也可直接用R
28、P原型代替蜡模。 消失模铸造具有工艺简单和尺寸精度高的特点，广泛应用于生产汽车覆盖件模具。 这种制模方法可用于大型、复杂的模具。,模型实例1 轿车车灯,模型实例2 电话机外壳,模型实例3 皮鞋底,模具实例4 手机外壳橡胶模,模具实例5 拐头树脂型复合模,模具实例6 电子产品注射模,快速原型在产品开发上的重要性,CAID应用: 工业设计师在短时间内得到精准的原型与业者作造形检讨；机构设计应用: 进行干涉检讨，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作； CAE功效: 快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产品功能性测试与检讨；,五、RP展望,Rapid Tooling (快速模具)应用:
29、快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产；视觉效果(visualization) 设计人员能在短时间之内便能看到设计的雏型，可作为进一步研发的基石；设计确认(verification): 可在短时间内即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检讨；,复制与最佳化设计(iteration & optimization) 可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间内完成设计的最佳化；直接生产(fabrication): 直接生产小型工具，或作为翻模工具。,快速原型的经济效益,缩短产品加工时间增加使构想具体化能力降低原型生产周期降低设
30、计错误的发生及所花費成本增加在设计过程中了解产品机械特性的能力,快速原型制造技术发展趋势,概念创新和技术改进 精度、时间、成本、最终用途零件、复杂结构、材料组织；寻求适合集成制造的新材料 快速、精确加工成型、强度、方便后处理、最终零部件、生物材料； 开发功能强大的数据采集、处理和监控软件 快速原型数据与CAD/CAM、三维制造系统数据交换、接口新技术及控制技术； 曲面切片、不等厚分层；,拓展新的应用领域 快速模具、医学领域 、古陶瓷器 研制经济、精密、可靠、高效的制造设备 精度高、可靠性好、效率高且价廉 实现智能化加工 经验因素、支撑结构,制造设备和技术集成化 三维CAD建模系统、数据逆向系统、快速成型与制造系统和数控加工系统集成 原型制造技术与传统制造技术集成 网络加工 远程制造、桌面化 生长成型 生物工程、活性材料、基因工程 、仿生成型,RP Usage,Use of RP models by branches,工程应用,概念模型视觉造型组装验证与最佳化功能测试小批量制造快速模具,科学应用,古生物学模型生物模型考古研究模型,医学应用,人工骨头制作手术规划齿模制作义耳制作,CT扫描股骨模型,本节结束,
