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先进制造技术 第一节 快速成形制造技术 随着科学技术的不断进步以及人类多样化消费水平的不断提高,使现在的产品市场越来越呈现出高质量、小批量、多品种、产品生命周期短的特点。在这样的市场环境下,一个企业必须重视新产品的不断开发和研制,才能使所开发的新产品迅速进入市场,占有较大的市场份额,从而在不断激烈的市场竞争中立于不败之地。一、简介 第一节 快速成形制造技术 众所周知,一种新产品的开发一般要经历概念设计、方案设计、详细设计、小批量试制、试销以及批量投产这一过程,企业在这个过程中,为了规避产品开发的投资风险以及缩短研发周期,往往需要对所设计的零件或产品在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个原型,以此原型对产品的设计进行评价、修改以及功能验证,以期在产品开发、制造的早期能发现设计缺陷或发现更有效和更好的设计方案。 第一节 快速成形制造技术 然而,加工一件原型（比如汽车的覆盖件）极其费时,对一个复杂零件,用传统的方法加工非常困难,有时甚至无能为力,而且,模具的制造动辄耗时几个月,价格也比较昂贵。如何快速、有效、经济地进行新产品的开发就成为制造业面临的严峻问题,围绕着这一问题而开展的各项研究,就催生了制造领域中的一场变革,这就是快速成形（Rapid Prototyping）制造技术的出现。汽车覆盖件 第一节 快速成形制造技术 快速成形技术是20世纪80年代初期发展起来的,可根据CAD 模型快速制造出样件或零件。它是一种材料累加 （Material Incress）制造方法,即通过材料的有序累加而完成三维成形的。快速成形技术集成了CNC 技术、材料技术、激光技术以及CAD 技术等现代的科技成果,是先进制造技术的重要组成部分。由于这种成形过程中不需要任何专用的辅助工夹具,完全在计算机管理和控制下,可进行任意零件的加工,不受零件形状和复杂程度的限制,所以制造的柔性极高,完全符合敏捷制造（Agile）的思想。 第一节 快速成形制造技术 这种技术一出现,就引起了制造业和学术界的极大关注,世界各国投入了相当可观的人力、物力、财力进行这种制造技术的研究开发以及成形机的生产销售,到目前已形成相当大的市场。快速成形技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模制作等制造手段的密切结合,已成为当前模型、模具和零件制造的强有力手段,在航空航天、汽车、家电以及生物制造工程等众多领域得到了广泛的应用。 第一节 快速成形制造技术 快速成形技术具有如下的优点: 1）快速成形技术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成形出来,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实体转化为二维截面来处理,因此,它能制造任意复杂实体零件,而无须任何工装夹具,可实现自由制造（Free Form Fabrication）,这是传统制造方法无法比拟的。 3）快速成形技术作为一种重要的制造技术,采用适当的材料和后续工艺,可以直接获得最终产品或模具。 第一节 快速成形制造技术 快速成形技术通过材料的有序累加或堆积形成三维实体,可以由点到线、到面再到体,也可以由线到面再到体,还可以直接由面到体,主要决定于采用什么样的堆积工艺。但共性的问题是要完成这种有序的堆积,必须首先获得堆积的相关信息,如层片信息等。获得这种信息的过程,就是对三维实体进行“离散化”的过程,通过离散获得堆积的单元体积尺寸、堆积顺序、路径、限制和方式等。 二、快速成形的基本原理 第一节 快速成形制造技术 因此,从成形的全过程来看,快速成形过程可以描述为离散/堆积过程。一个实体零件,可以认为是由一些点、线、面叠加而成的,从CAD 模型中获得这些点、线、面的几何信息（离散）,把它与成形参数信息结合,转换为控制成形机工作的NC 代码,控制材料有规律地、精确地叠加起来（堆积）,从而构成三维实体零件。这种离散/堆积制造的全过程如图7-1所示。图7-1 快速成形制造流程图 第一节 快速成形制造技术 为完成快速成形,必须在建立三维模型后（如图7-2a所示的零件模型）,对实体曲面作近似处理,即所谓面型化（Tessallation）,其实质是用平面三角面片近似代替模型表面。这样处理的优点是大大地简化了CAD 模型的数据表达,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CAD 系统与快速成形机之间数据交换的准标准。 第一节 快速成形制造技术 每个三角面片用四个数据项表示,即三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。在对CAD 模型进行面型化处理时,