快速成型與制造技術體系分析

我們處在一個信息的時代、一個科學技術 迅猛發(fā)展、各種技術迅速融合集成的時代。在這 個時代，快速成型制造技術(RP&M)的產(chǎn)生就 是計算機技術、數(shù)控技術、激光和新材料等ZUI新 技術集成的結果，同樣它的發(fā)展和應用更有賴 于相關技術。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成一個 以快速成型技術為核心，包括CAD造型、數(shù)據(jù) 處理、反求工程，以及工模具制造技術等多項技 術的相對完善的技術體系。下圖給出了一個比 較完善典型技術體系。

一、PR＆M技術系統(tǒng)中的信息及信息處理 

快速成型技術是信息時代的產(chǎn)物，其技術 系統(tǒng)的核心問題是信息處理，從本質上講， RP＆M制造技術系統(tǒng)中的各個轉換環(huán)節(jié)都是 信息處理的環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)處理反求工程，原型制 造，快速工模具制造等。 

現(xiàn)代系統(tǒng)科學認為，“信息是物質的一種普 遍的基本屬性，是關于系統(tǒng)的組織性和復雜性 的規(guī)定性及其表征”[1]。因此，不能僅僅認為只 有數(shù)字化的信息才是信息。 

CAD三維數(shù)據(jù)模型、表面離散化模型、分 層后的層片文件、掃描矢量文件、數(shù)控代碼文件 是信息，它們都是數(shù)字化的信息，是加工對象幾 何信息的不同描述方式。同樣由RP＆M技術生 成的原型，由其它成型方式加工而成的零件，或 自然形成的各種實物，同樣包含著該對象的三 維幾何信息。只不過前者是數(shù)字化的信息，而后 者是物理實體。因此可以將RP&M技術系統(tǒng)中 的信息分為數(shù)字形態(tài)信息和物理形態(tài)信息兩大 類，而每一類中又有不同的形式(圖2)。 

RP＆M技術系統(tǒng)中的信息分為兩種信息 形態(tài)，與之對應RP&M技術系統(tǒng)中的信息轉換 可分為數(shù)據(jù)處理、信息物化、物性轉換、實物信 化4種基本形式(圖3)。 

在快速成型技術系統(tǒng)中，將加工對象的三 維實體模型離散化，得到層片文件，根據(jù)不同工 藝進行填充得到掃描矢量文件，進而生成數(shù)控 代碼文件，這種不同數(shù)字形態(tài)信息間即不同數(shù) 據(jù)模型間的轉換稱之為數(shù)據(jù)處理；在快速成型 制造過程中，快速成型設備在數(shù)控代碼的控制 下，逐層加工堆積得到物理原形，這一根據(jù)數(shù)字 形態(tài)信息生成實際的物理實體的過程稱之為信 息物化；在將不同物理實體間的轉換稱之為物 性轉換，而將物理實體的幾何信息數(shù)字化的過 程稱之為實物信化。 

二、快速成型制造技術體系的基本環(huán)節(jié) 

基于以上分析，可以將RP&M技術體系分 解為幾個彼此聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)： 

1．三維CAD造型 

利用各種三維CAD軟件進行幾何造型， 得到零件的三維CAD數(shù)字模型，是獲得初始 信息的ZUI常用方法。目前較杰出的CAD軟件 系統(tǒng)主要有 Pro／Engineer， AutoCAD， I— DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其 三維造型方式主要有實體造型和曲面造型，三 維數(shù)據(jù)格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni— versallFiles等。目前許多CAD軟件在目前系 統(tǒng)中加入一些專用模塊，將三維造型結果進行 離散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文 件等)或層片模型文件(LEAF文件、CLI文件、 HPGL文件等[3]。 

2．反求工程 

物理形態(tài)的零件是快速成型技術體系中零 件幾何信息的另一個重要來源。這里既包括天 然形成的各種幾何形體，也包括利用各種技術 手段，如鍛造、鍛壓、焊接、車、銑、刨、磨、堆積等 傳統(tǒng)工藝加工而成的幾何實體。這些幾何實體 同樣包含了零件的幾何信息，但這些信息必須 通過反求工程進行數(shù)字化，方可進行下一步的 處理。反求工程是將三維的物理實體幾何信息 數(shù)字化的一系列技術手段的總稱，它完成實物 信化的功能。反求工程的整個過程主要由兩個 部分組成，首先是零件表面數(shù)字化，提取零件的 表面三維數(shù)據(jù)。主要的技術手段有三坐標測量 儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和MRI，以及 自動斷層掃描儀等。通過三維數(shù)字化設備得到 的數(shù)據(jù)往往是一些散亂的無序點或線的集合， 還必須對其進行三維重構得到三維CAD模 型，或者層片模型等[4]。 

3．數(shù)據(jù)轉換 

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機要復雜得 多，同時設備工藝也具有更大的多樣性，因此利 用快速成型系統(tǒng)制造零件并不像使用打印機、 繪圖儀那樣簡單，只要將CAD系統(tǒng)的文件發(fā) 送過去就行了。三維CAD造型或反求工程得 到的數(shù)據(jù)必須進行大量處理，才能用于控制 RP成型設備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過程 包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件， 分層處理生成SLC、CLI、HPGL等層片文件， 根據(jù)工藝要求進行填充處理，對數(shù)據(jù)進行檢驗 和修正并轉換為數(shù)控代碼[3]。目前已經(jīng)有許多 比較成熟的RP專用數(shù)據(jù)處理軟件面市。如 Bridgeworks and SolidView， Brockware， StlView， Velocity， Z_ Shifter， Rapid Tools， Rapid Prototyping Module，Rapid Tools[5]，以及清華大學激光快速成型中心開發(fā)的Lark’98 等。 

4.原型制造 

即利用快速成型設備將原材料堆積成為三 維物理實體。材料、設備、工藝是快速原型制造 中密切相關的三個基本方面。不同的工藝要求 不同的材料，要求不同的設備來實現(xiàn)。這里材料 問題是一個基本的問題。目前許多制造商可以 提供多種快速原形設備，而且新的工藝設備也 在不斷出現(xiàn)。常見的系統(tǒng)有3D Systems的 SLA—250，Helisys的 LOM—2030，Stratasys的 FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM8000，國內清華大 學激光快速成型中心的MRPMS—II等。各種設 備具有不同的特點和局限，有著不同的應用范 圍。 

5.物性轉換 

通過快速原形系統(tǒng)制造的零件的力學、物 理性質往往不能直接滿足需要，仍然需要進一 步的處理，即對其物理性質進行轉換。該環(huán)節(jié)是 RP&M實際應用的一個重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄 造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電 極、陶瓷型精密鑄造等多項配套制造技術，這些 技術與RP技術相結合，形成快速鑄造、快速模 具制造等新技術。在目前RP制造技術尚不能 直接制造滿足工業(yè)要求的結構和功能零件的情 況下，這是RP技術走向工業(yè)應用的重要橋 梁[5]。 

三、技術工具的評價方法 

通過以上分析可知：在快速成型技術系統(tǒng) 的各個環(huán)節(jié)中，都有不同的技術工具，不同的處 理方式。任何技術手段都不是萬能的，都不是完 美元缺的，任何技術工具都有自己的特點，既有 獨到的優(yōu)勢又有自己的局限。對使用者而言，如 何選用技術工具，對研究開發(fā)者而言，如何確定 自己的技術路線，如何給自己的產(chǎn)品進行市場 定位，也就是如何對各種技術工具進行評價成 為首要問題。解決這個問題的一個較好的方法 是從整體上來認識把握它。 

任何技術手段都是信息處理的工具，從系 統(tǒng)論的角度看，一個信息處理工具包含3個基 本要素，輸入、輸出、處理器。如圖4所示。 

輸入輸入信息具有什么形式，具有什么 特點。如在數(shù)據(jù)轉換中，輸入的是什么格式的數(shù) 據(jù)，是否存在需要檢查修復的錯誤；在反求工程 中，要測量的物體是什么材料，其幾何形狀是否 復雜等。 

輸出系統(tǒng)的輸出信息具有什么形式，質 量如何。如快速成型設備所制造的原形材料是 什么，它的精度、表面粗糙度如何，強度硬度如 何，可以制造原形的尺寸范圍等。 

處理器處理器采取什么樣的工作方式， 其可靠性、靈活性等如何。如在數(shù)據(jù)轉換中的算 法問題，快速原形制造中的工藝問題。 

信息處理工具的三個基本要素反映了系統(tǒng) 的基本特征。 

四、網(wǎng)絡時代的快速成型技術體系的研究與集成 

通過以上分析可以看出快速成型技術目前 具有以下幾個特點： 

(1)技術系統(tǒng)化快速成型技術已經(jīng)與其 它相關技術結合形成了一個龐大的技術體系。 任何一項技術必須與其它技術相結合才能發(fā)揮 自己的作用。 

(2)需求多樣化隨著快速成型技術的應 用領域不斷擴大，人類的實踐領域的不斷擴大， 對快速成型技術出現(xiàn)了各種各樣、干差萬別、不 同層次的需求。 

(3)技術多樣化在快速成型技術體系中 任何一個環(huán)節(jié)，都有大量的不同技術工具，這些 技術工具都有自己的優(yōu)點與局限，可以滿足不 同的需求。沒有什么技術可以占據(jù)統(tǒng)治地位。 

(4)技術復雜化快速成型技術是多種高 新技術集成的結果，在這個技術體系中任何一 項技術都具有很高的技術含量，都是一個復雜 的技術系統(tǒng)。 

(5)技術更新速度不斷加快需求、技術的 多樣化使得快速成型領域的競爭非常激烈，現(xiàn) 有技術不斷改進，新工藝技術不斷出現(xiàn)，技術的 更新?lián)Q代速度越來越快。 

顯然，任何一個科研機構都不能包攬所有 技術的研究開發(fā)，任何一個使用單位都很難擁 有全套技術手段，而快速成型技術的系統(tǒng)化需 要多種技術的集成。網(wǎng)絡技術為這個問題提供 了良好的解決方案。不同的研究開發(fā)者，不同的 使用者，不同的技術擁有者可以通過計算機網(wǎng) 絡聯(lián)系在一起，形成快速成型技術體系的虛擬 集成系統(tǒng)，組成虛擬研究組織。 

網(wǎng)絡時代的到來，為快速成型技術領域的 分工與合作，為快速成型技術的發(fā)展提供了無 限的空間。圖5為快速成型技術體系的虛擬集成示例。 

(1)RP&M加技術已經(jīng)發(fā)展為一個技術體 系，該體系從本質上講是一個信息轉換與處理 的體系。在RP8z皿技術體系中信息可分為數(shù)字 形態(tài)信息和物理形態(tài)信息兩類，與之對應信息 處理與轉換有實物信化、數(shù)據(jù)處理、信息物化、 物性轉換4種基本形式。快速成型技術體系中 的所有技術工具都可以看作一種信息處理系 統(tǒng)，可以以一定的模式進行評價。 

(2)快速成型技術領域呈現(xiàn)系統(tǒng)化、多樣化、復雜化的特點。網(wǎng)絡技術為快速成型技術體 系的發(fā)展應用提供了廣闊的空間，不同的研究 開發(fā)者，不同的制造商，不同的服務中心，可以 通過計算機網(wǎng)絡聯(lián)系在一起實現(xiàn)快速成型技術 的虛擬集成。這是快速成型技術發(fā)展的必然趨勢。(end)