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快速成型的前处理-3D打印.pdf
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快速成型的前处理
快速成型的前处理分为以下几个方面。
一、三维模型构造的方法
由于快速成型机只能接受计算机构造的工件三维模型(即立体图,见图 1),
然后才能进行分层切片处理,因此,首先必须建立三维模型,目前构造三维模型
主要有以下办法:
图 1 瞌睡虫睡眠仪表壳体的三维模型
(1)应用计算机三维设计软件,根据产品的要求设计三维模型;
(2)应用计算机三维设计软件,将已有产品的二维三视图转换为三维模型;
(3)仿制产品时,应用反求工程和反求软件,得到产品的三维模型。
(4)利用 Internet 网络,将用户设计的三维模型直接传输到快速成型工作
站。
具体构造三维模型的方法如图 2 所示。
图 2 构造三维模型的方法
二、用计算机辅助设计软件构造三维模型
在 586 或奔腾(PENTIUM)个人计算机或工作站上,用三维计算机辅助设
计(CAD)软件,根据产品的要求,可以设计其三维模型,或将已有的产品的
二维三视图转换成三维模型。
随着计算机辅助设计技术的发展,出现了许多三维模型的形体表达方法,其
中常见的有以下几种:
1、构造实体几何法(Constructive Solid Geometry) ,简称 CSG 法)
构造实体几何法又称为积木块几何法(Building-Block Geometry) ,这种
方法用布尔(Boolean)运算法则(并、交、减)将一些较简单的体素(如立方
体、圆柱体、环椎体)进行组合,变化成复杂形状的三维模型实体。它的优点是,
数据结构比较简单,无冗余的几何信息,所得到的实体真实有效,并且能方便地
进行修改。其缺点是,可用于产生和修改实体的算法有限,构成图形的计算量很
大,比较费时间。
2、边界表达法(Boundary Representation,简称 B—rep 法)
边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精切地描述三维模型实体。这种
方法的优点是,能快速地绘制立体或线框模型。它的缺点是数据是以表格形式出
现的,空间占有量大;修改设计不如 CSG 法简单,例如要修改实心立方体上的
一个简单孔的尺寸,必须先用填实来删除这个孔,然后才能绘制一个新孔;所得
到的实体不一定总是真实有效,可能出现错误的孔洞和颠倒现象;描述不一定总
是唯一。
3、参量表达法(Parametric Representation)
对于自由曲面,难以用传统的体素来进行描述,可用参量表达法。这类方法
借助参量化样条、贝塞尔(Bezier)曲线和 B 样条曲线来描述自由曲面,它的每
一个 X、Y、Z 坐标都呈参量化形式。各种参量表达法的差别仅在于对曲线的控
制水平,即局部修改曲线而不影响临近部分的能力,以及建立几何模型的能力。
其中较好的一种是非均匀有理 B 样条(NURBS) 法,它能表达复杂的自由曲面,
允许局部修改曲率,能准确地描述体素。为了综合以上各方法的优点,现代 CAD
系统常采用 CSG、Brep 和参量表达法的组合表达法。
4、单元表达法(Cell Representation)
单元表达法起源于分析(如有限元分析)软件,在这些软件中,要求将表面
离散成单元。典型的单元有三角形、正方形和多边形。在快速成型技术中采用的
三角形近似(将三维模型转化成 STL 格式文件),就是一种单元表达法在三维表
面的应用形式。
用于构造模型的计算机辅助设计软件应有较强的三维造型功能,这主要是实
体造型(Solid modeling)和表面造型(Surface Modeling)功能,后者对构
造复杂的自由曲面有重要作用。目前,快速成型行业中常用的计算机辅助设计软
件系统如表 1 所示。
表 1 快速成型行为中常用的 CAD 软件系统
其中,用得最多的是 Pro/Engineer 软件,这种软件有较强的实体造型和表
面造型功能,可以构造非常复杂的模型,因此受到许多用户的好评。
Pro/Engineer 系 统 是 美 国 参 数 技 术 公 司 ( Parametric Technology
Corporation,简称 PTC)的产品。PTC 公司提出的单一数据库、参数化、基于
特征、全相关的概念改变了机械 CAD/CAE/CAM 的传统观念,这种全新的概念
已成为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准。利用该概念开发出来的第
三代机械 CAD/CAE/CAM 产品 Pro/Engineer 软件能将设计至生产全过程集成
到一起,让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作,即实现所谓的并
行工程。
Pro/Engineer 系统主要特点如下:
(1)真正的全相关性,任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。
(2)具有真正管理开发进程、实现并行工程的能力。
(3)具有强大的装配功能,能够始终保持设计者的设计意图。
(4)容易使用,可以极大地提高设计效率。
Pro/Engineer 建模的基本功能如下:
(1)生成草图特征。包括凸台、凹槽、冲压的、旋转的、沿二维草图扫过
的轨迹凹槽沟或两个平行截面间拼合的槽沟。
(2)生成“Pick and place”特征。如孔、通孔、倒角、圆角、壳体、规
则图、法兰盘、棱等。
(3)生成草图美化特征。
(4)生成参考基准点、线、面、曲线、坐标系、以及为生成非实体参考基
准的图。
(5)修改、删除、压缩、重定义和重排特征。
(6)通过向系列表中增加尺寸生成表驱动零件。
(7)通过生成零件尺寸和参数的关系获得设计意图。
(8)产生工程信息。包括零件的质量特征、相交截面模型以及参考尺寸。
(9)在模型上生成几何拓扑关系的曲面粗糙度。
(10)在模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性。
(11)可以通过 Per/FEATURE 增加功能
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