曾 鋒，鐘治初，姚 山，楊 通，趙樞明

（1.嘉應(yīng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，梅州 514015；2.大連理工大學(xué) 三束教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024）

0 引言

以計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)為代表的數(shù)字化制造技術(shù)將虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字化設(shè)計(jì)及加工、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、快速原型、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)集成于一體，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造，進(jìn)而快速生產(chǎn)出達(dá)到用戶性能要求的產(chǎn)品或樣品[1]。數(shù)字化制造技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)發(fā)展起來的，其綜合了CAD工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、CAE仿真技術(shù)、柔性工裝數(shù)控拉形、數(shù)字化測量、形狀控制算法和CAM數(shù)控成形等先進(jìn)手段，是先進(jìn)制造技術(shù)的核心[2]。

作為計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的一個(gè)重要類型，近年來快速發(fā)展的快速成型技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了信息過程的數(shù)字化，而且實(shí)現(xiàn)了物理過程的數(shù)字化。其材料的轉(zhuǎn)移過程是利用材料的疊加性，在數(shù)字化信息控制下，采用按需添加的方式，在三維空間內(nèi)數(shù)字化地分步將材料逐漸堆積成型。在快速成型加工前需要對三維CAD模型進(jìn)行一系列離散化處理階段，三維實(shí)體模型格式轉(zhuǎn)化為STL格式后，輸入快速成型軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行分層切片，根據(jù)層片信息產(chǎn)生加工路徑，然后驅(qū)動(dòng)數(shù)控成型設(shè)備逐層加工成制件[3～5]?？焖俪尚图夹g(shù)可以直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或零件，只要改變CAD設(shè)計(jì)模型的外形，就能快速得到相應(yīng)的零件或樣件。

本文提出一種復(fù)雜曲面樣件的計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，以激光快速成型技術(shù)為核心，使用整體成型的制造方法，對任意復(fù)雜曲面樣件進(jìn)行快速制造，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速評價(jià)、方案修改及功能試驗(yàn)等。整個(gè)制造過程完全由CAD模型驅(qū)動(dòng)，其工藝過程由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。本技術(shù)已在自主開發(fā)的激光快速成型設(shè)備上進(jìn)行了大量應(yīng)用，實(shí)例驗(yàn)證了本方法穩(wěn)定性及有效性，可降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)成本。

1 輪廓線掃描失效成型方法

作者自主開發(fā)的輪廓線掃描失效成型方法以激光快速成型為原理，選用覆膜砂作為成型材料，利用覆膜砂的固結(jié)性能隨溫度變化而變化的特點(diǎn)，制造出相對于SLS/LOM等快速成型方法具有更高精度及機(jī)械性能的產(chǎn)品樣件。圖1為此方法示意圖，包括以下步驟：

1）計(jì)算機(jī)對三維CAD模型進(jìn)行Z向自動(dòng)分層切片，并自動(dòng)提取二維層片的輪廓線信息。

2）提供一薄層的成型用覆膜砂。

3）計(jì)算機(jī)根據(jù)1）得到的二維輪廓信息，控制激光光束對該層覆膜砂進(jìn)行輪廓掃描，激光光束掃描過的覆膜砂受熱升溫至固結(jié)溫度以上而失去固結(jié)性能，形成與輪廓線相一致的失效分割線。

4）重復(fù)2）和3），直至成型所需的三維輪廓掃描完畢。

5）將該覆膜砂材料用紅外加熱板預(yù)熱后取出，在加熱爐中進(jìn)行整體加熱令其固結(jié)，得到固結(jié)件。

6）所得固結(jié)件以激光掃描過的三維輪廓為界分離，得到與CAD模型相一致的三維實(shí)體。

圖1 輪廓線掃描失效成型方法示意圖

輪廓線掃描失效成型方法只需對側(cè)輪廓面進(jìn)行掃描，產(chǎn)品的上下面均不需激光掃描，具有較高的制造效率。并且工作缸中覆膜砂材料形成了自然的支撐，制造工藝的難度與產(chǎn)品外形曲面的復(fù)雜度無關(guān)，此方法尤其適合對具有復(fù)雜曲面樣件的快速制造。與其他快速成型方法的“疊層制造”過程不同，本方法樣件的獲得由加熱爐最后整體加熱得到，保證了成型件的致密度與尺寸精度。

2 復(fù)雜曲面樣件的激光選區(qū)失效整體成型技術(shù)

在輪廓線掃描失效成型方法的基礎(chǔ)上，加以“輔助分割體”的設(shè)置，以更加便于具有復(fù)雜曲面樣件與廢料的分離。此方法的示意圖如圖2所示，在成型加工前，先在CAD系統(tǒng)中對廢料部分添加激光網(wǎng)格掃描路徑，所形成的小長方體即為待剝離的輔助分割體。逐層掃描完成后，整體材料進(jìn)行加熱固結(jié)，所得到的固結(jié)件經(jīng)過震動(dòng)和適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔?，小剝離體依次脫落，最終得到目標(biāo)樣件。

當(dāng)所制造的樣件具有不規(guī)則的復(fù)雜曲面外形時(shí)，如果不添加輔助分割體，其樣件和廢料分離過程會(huì)具有較高的難度與風(fēng)險(xiǎn)，此方法通過輔助分割體的設(shè)置，最終產(chǎn)品樣件由小塊廢料依次剝離得到，克服了上述困難。

本文提出的方法已進(jìn)行了大量的應(yīng)用，所得到的產(chǎn)品樣件在外形尺寸和機(jī)械性能方面均具有較高的指標(biāo)。圖3為自主開發(fā)的激光快速成型設(shè)備，圖4為使用本方法所制造的樣件，表1為相關(guān)的工藝參數(shù)及產(chǎn)品指標(biāo)。

圖2 激光選區(qū)失效整體成型技術(shù)示意圖

圖3 激光快速成型設(shè)備

圖4 機(jī)械零件的產(chǎn)品樣件

表1 加工工藝參數(shù)及尺寸誤差

3 結(jié)論

復(fù)雜曲面零件在設(shè)計(jì)階段時(shí)，較難用常規(guī)方法快速獲得產(chǎn)品的樣件，用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果、裝配效果、功能性試驗(yàn)等，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造帶來成本的增加。本文提出的復(fù)雜曲面樣件計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，以激光選區(qū)失效整體成型方法為核心，在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)可精確獲得與CAD設(shè)計(jì)模型相一致的樣品，所使用的覆膜砂原材料可降低制造成本，并且成型件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。本方法由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，CAD模型的前處理及激光加工制造過程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從產(chǎn)品造型至最后獲得樣件的所有步驟均在計(jì)算機(jī)的控制下完成。所得到的產(chǎn)品具有較高的尺寸精度，其工藝過程決定了產(chǎn)品樣件的外形尺寸絕對誤差與樣件的尺寸大小無關(guān)。

[1] 許文全, 曾輝藩.螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2010, 32(11): 13-14.

[2] 李東升, 羅紅宇, 王麗麗, 等.飛機(jī)蒙皮的數(shù)字化成形制造技術(shù)[J].塑性工程學(xué)報(bào), 2009, 16(1): 82-87.

[3] 穆存遠(yuǎn), 宋祥波.快速成型臺(tái)階誤差分析及其降低措施[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2011, (4): 228-229.

[4] 王靜亞, 方亮, 郝敬賓.STL模型特征面片自適應(yīng)分層算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2011, 28(6): 2361-2364.

[5] 陳光霞, 覃群, 馮俊.DLF快速成型添加支撐的極限傾斜角度實(shí)驗(yàn)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2010, 32(3):36-38.