第二章 快速成型与三维CAD技术基础

第一节 快速成形技术原理 一、传统的去除成形法 去除成形运用分离的手段，将毛坯上多余的材料去除而成形的方法。 精度高、表面质量好，最常用。 加工周期较长，材料利用率较低，成本较高。

二、添加成形法 添加成形法是利用各种机械的、物理的或化学的方法，通过有序地添加材料来成形工件的方法。 三维设计模型-分层切片-二维截面轮廓-一层层堆积材料-构成三维实体 成形复杂形状的工件，材料利用率高，制造周期较短，但精度和表面品质不如去除成形好

第二节 快速成型的全过程 快速成型的全过程

第二节 快速成型的全过程 三个步骤: 第一步,前处理 模型文件的建立,近似处理和切片 第二步,自由成形 截面层的制作与叠加 第三步,后处理. 修整工作

一、三维计算机模型文件的建立 1、用三维CAD软件设计三维模型 UG,Pro/Engineer,solidworks设计三维模型,或者二维三视图转换为三维模型。 构造实体几何法，边界表示法，参数表达法，单元表达法。 常见输出格式：IGES、STEP、DXF、HPGL、STL等

2、通过逆向工程建立三维模型 光学扫描机对已有工件扫描,得到一系列离散点的坐标，通过数据重构软件和三维CAD软件得到扫描工件的三维模型，这个过程常称为逆向工程，又称反求工程。 3、由CT/MRI扫描数据转换为三维模型 医疗领域常用的两种影象检查方法。

二、三维模型文件的近似处理和切片 1.STL格式化处理 一系列的小三角形平面逼近自由曲面。 三角形的大小决定曲面的近似精度。 采用STL文件的原因： 生成简单；输入文件广泛；分层切片算法较简单；模型易于分割。 缺点：近似性，数据冗余，信息不够全面。

2.模型文件的修改 对STL格式文件进行检查和修改 3.模型文件的切片 间隔越小，精度越高，但成形时间越长。 间隔范围 0.05~0.5mm，常用0.1mm

三、自由成形 自由成形是在快速原型机上，根据输入工件的STL格式文件或分层切片的结果，用添加成型工艺，按照分层制片-叠加成体的顺序逐层成型，直到获得三维工件。

四、成形件的后处理 1、支撑结构与工件的分离 手工分离，加热分离，水溶分离，溶剂分离 2、工件的后固化，后烧结。 如激光固化快速成型时仅固化靠近工件表面的一部分光敏树脂，而工件的内腔仍为液态，成型后再将成型件放置于大功率紫外光固化炉 3、打磨、抛光、修补和表面强化处理。 台阶效应和缺陷的存在, 表面不够光滑

第三节 三维CAD基本知识 一、 常见CAD软件 UG Pro/Engineer SolidWorks CAXA Autodesk Inventor

二、 CAD软件的数据交换格式 数据交换方法：点对点交换、星式交换 DXF格式：AutoCAD系统的图形数据交换标准。 IGES格式：美国标准，用处广泛，可支持不同文件格式之间的转换。 STEP格式：国际标准化组织ISO制定的国际统一CAD数据交换标准 STL格式：是目前在快速成形系统中使用的主流数据格式。

三、 STL图形文件格式 起源：1987 年，3Dsystems 公司对任意曲面CAD 模型作小三角形平面近似，开发了STL（Stereo Lithography interface specification）文件格式，并由此建立从近似模型中进行切片获取截面轮廓信息的统一方法。

用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面，每一个小三角形的由三个顶点坐标（X，Y，Z）和一个法向矢量（N）来表示。三角形的大小可以选则，从而能得到不同的曲面近似精度。经过上述近似处理的三维模型文件，就称为STL格式文件。

STL格式文件

（一）STL格式的表示方法 三个顶点坐标，一个法向量 （二）STL格式文件的输出形式和精度 ASCII码输出形式,也称文本格式，所占空间大，但可以阅读并能直观检查； 二进制码输出形式,所占空间小；

近似精度越高，三角形就越多，数据处理时间就越长 二进制码输出形式的STL格式文件的规模为:（84+50Tn)bytes 其中：Tn为小三角形平面的数目 如当Tn=10000时，二进制码输出形式的STL格式文件的规模为：84=50×10000=500084bytes≈0.5MB 而ASCII码码输出形式的STL格式文件的规模为:6×0.5MB=3MB 当Tn=200000时，二进制码输出形式的STL格式文件的规模为：84=50×200000=10000084bytes≈10MB 而ASCII码码输出形式的STL格式文件的规模为:6×10MB=60MB

任何一个三角形的顶点不能落在其它三角形的边上。 （三）STL文件格式的规则 1.共顶点规则 任何一个三角形的顶点不能落在其它三角形的边上。 表达正确 表达错误

2.取向规则 三个顶点连成的矢量方向按右手法则确定，而且，相邻的三角形平面不能出现取向矛盾。 3合法实体规则 在一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。

（四）STL格式的缺陷 1.出现违反共顶点规则的三角形 解决方法：补线 2.出现错误的裂缝或孔洞 解决方法：补面

3.三角形过多或者过少 过多：文件空间量太大，超出成形系统的范围，出现莫名其妙错误； 过少：精度不够，会因为无法表达细小的特征结构而出错 解决方法：调整 4.微小特征遗漏或者出错 对于CAD模型上的微小特征，往往不能布置足够的三角形 解决方法：用成形系统来自动修补或者是手动修补

（五）如何输出STL格式文件 1、Pro/Engineer输出STL格式文件

2、SolidWorks输出STL格式文件