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激光快速成型技术及其在产品设计中的应用

一、模型在产品设计中的重要意义

工程设计是一种思维活动，是“对技术产物创造性的严密的预先构思”［1］。

设计过程是被设计对象随着设计者的思维活动由不确定性向确定性转化的过程。

这一过程一方面意味进行技术创新的机会。一个产品的技术含量、技术性能、制造成本，以 及市场销售收益，在很大程度上取决于设计。

这一过程另一方面又意味着一种风险：走弯路的风险、走错路的风险、甚至是失败的风险。 产品的复杂程度越高，这种风险也就越大。设计者在设计过程中不能不考虑这种风险，常常 为了避开风险而舍弃了创新。 怎样才能充分利用创新的机会，提高设计质量，降低设计成本 ，同时又最大限度地降低风险，提高产品开发的一次成功率，此外，激烈的市场竞争还要求 以 最短的周期完成设计开发工作，提高对市场需求的响应速度。这就需要对工程设计这一思维 活动本身所具有的特点和规律进行研究，于是诞生了设计方法学。

按照设计方法学的观点，工程设计这一思维活动既具有内在性的特点，又具有外在性的特点 ，所谓“内在性”，是指思维是在设计者的大脑中进行的，各人的思路、思维方法各不相同 ，而且是外人所不可见的；所谓“外在性”，是指设计者的思维过程、思维结果又都要以一 定的形式记录下来、表达出来，和别人(其他设计者、制造者以及用户)进行交流，这种思维 过程、思维结果固然可以用语言的形式加以表述，但是在工程设计中更多的是通过模型加以 表述。原理图、草图是模型，图纸、计算书是模型，纸板模型、木模、粘土模型是模型，计算机内 的计算模型、CAD模型、有限元模型是模型，制造出的样机也是模型，因此，这里的“模型”是广义的，它包含了英语单词中sketch、drawing、model和prototyping所表述的全部内 容。在被设计对象随着工程设计过程由不确定性向确定性转化的不同阶段， 上述这些模型发 挥着不同的、但又都不可忽视的重要作用，特别是随着被 设计对象复杂程度的提高， 随着旨在提高设计效率、缩短设计周期和提高一次成功率的并行工程的实施，在设计过程早 期对模型的要求显得越来越迫切。

三维的CAD模型可以有效地适应这种需求。有了三维CAD模型，可以进行结构、性能分析，可以进行模拟装配，可以进行外观造型的渲染，甚东营至可以在虚拟现实环境下进行操作和使用。 虚拟设计、虚拟制造为设计方法学注入了全新的研究内容。

但是，计算机中虚拟模型的出现，并没有、也不可能完全替代其它形式的模型，特别是具有三维实体形态的其它模型，例如：

在产品的造型设计中，不仅要考察产品的外形、色彩效果，甚至要考察其手感；

在航空、航天器的设计中，没有因为三维CAD的采用而放弃采用空气动力学的“风洞”试验 ，同样，汽车工业中任一新车型开发过程中也不能不进行结构安全性的“碰撞”试验；

尽管有十分详尽的军事地图，在大型战役的指挥中，“沙盘”仍是不可缺少的。

这一切都是因为：

1.计算机模型毕竟不能提供产品的全部信息(如手感)；

2.计算机模型只能模拟我们已知的环境条件；

3.三维空间中的实体模型比二维屏幕上的模型更具有“真实感”和“可触摸性”

4.计算机模型本身也需要接受验证。

因此，在大力研究和应用三维CAD基础上的虚拟设计、虚拟制造的同时，还要积极研究和采 用同样是在三维CAD基础上产生和发展起来的快速成形技术。

二、激光快速成型技术的原理及特点她表示

有人曾向一位雕塑大师(米开朗基罗/罗丹?)请教雕塑的秘诀，大师回答说“留下你所需要的 ，去除你所不要的”，令请教者大失所望。其实，大师说出的正是雕塑的技术真谛——材料 去除法。传统的工业成形技术中大部分也是遵循这一方法的，如车削、铣削、钻削、磨削、 刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。而激光快速成形却是采用一种全新的 成形原理——分层加工、迭加成形。对于学过高等数学的人来说，这种原理并不陌生。在定 积分的应用中，曾讲到母线是已知曲线的旋转体体积计算和平行截面已知的立体体积计算，两者都是取厚度为△Xi的截面，近似地看成是扁圆柱体或曲边柱体，然后加以迭加 ：

当‖△x‖→O时，就分别得到旋转体或平行截面已知立体的体积。

地形地貌是由复杂曲面构成的，但是，只要我们测绘出不同高度的等高线，就可以据此在平 板上切割出大小、形状各异的曲边平面(当然，板厚与相邻两条等高线之间的高度差应符合 地形图的比例尺)，然后再把它们层叠起来，只要等高线取得足够密，就可以制作成逼真的地形模型。

目前，按照这种分层加工、迭加成形原理开发出的激光快速成形机有很多种，在此择其主要 的几种作一概要的介绍：

1、液态光敏聚合物选择性固化(SLA:Strreolithographypparatus立体平板印刷设备)

1902年美国的一项专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美国的又一项专利提 出用激光照射液态光敏树脂分层制作三维实体的快速成形方案，美国3DSYSTEMS公 司据此于1988年生产出第一台激光快速成形机SLA-250。

这种激光快速成形机所使用的构形材料是一种液态光敏聚合物，在紫外光的照射下会发生聚 合固化反应，由液态变成固态。

其优点是：能直接得到类似塑料的树脂件，且表面粗糙度较小。

其缺点是：

(1)成形过程中的化学和物理变化使得尺寸精度不易保证，且会发生蠕变；

(2)须对整个截面进行扫描固化，成形时间较长，成形后要进一步固化处理；

(3)由于未被激光束照射的部分仍为液态，因此对于悬伸部分要事先设计支撑，固化后再去 除；

(4)光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好，工作温度不能超过100℃，会吸湿膨胀， 抗腐蚀能力不强，且价格昂贵( /kg)；

(5)产生紫外激光的激光管寿命2000小时左右。

2、薄型材料选择性切割(LOM:Laminatedbjeetanufacturing分层物体制造)

这种激光快速成形所使用的构形材料是事先涂有热熔胶的纸，其成形过程与前面所述的制作地形模型的过程相似。

其优点是：

(1)尺寸精度较高；

(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高；

(3)无需设计支撑；

(4)制成的样件有类似木质制品的硬度，稍作处理后可在200℃以下环境中使用，可进行一定 的切削加工；

(5)所用二氧化碳激光器寿命达20000小时；

(6)构形材料价格便宜(8/kg)。

其缺点是：

(1)不能直接制作塑料件；

(2)表面粗糙度较高，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；

(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；

(4)工件缺少弹性。

3、丝状材料选择性熔复(FDM:Fusedepositionodeling熔积成形)

这种快速成型机所使用的构形材料是丝状热塑性材料，其工作原理类似于标花蛋糕的制作， 丝状材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态，按照截面形状涂覆在工作台上，并 快速冷却固化，一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一层的涂覆。

其优点是：

(1)能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度较高；

(3)材料利用率高。

其缺点是：

(1)表面粗糙度较高，需后处理；

(2)成形时间较长；

(3)材料昂贵(/kg)；

(4)悬臂结构处要设置支撑， 不过新型FDM快速成形机上设置了两个喷头，一个喷成形材料 ，另一个喷支撑材料，并且支撑材料可以进行水溶去除，减小了后处理时间。

4、粉末材料选择性烧结(SLS:Selectedaserintering选择性激光烧结)

这种快速成型机的工作原理与SLA相仿，不过所用成形材料不是液态的光敏树脂，而是粉末 状的高分子材料、金属或陶瓷与粘结剂的混合物等，粉粒直径为靘，成形时先在工 作台上铺一层粉末材料，并加热至略低于熔化温度，然后激光束按照截面形状进行扫描，被 扫描的部分材料熔化、粘接成形，不被扫描的粉未材料仍呈粉粒状作为工件的支撑，一层完成成形后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结：[HJ]

其优点是：

(1)可直接得到塑料、陶瓷或金属件，可加工性好；

(2)无需设计支撑。

其缺点是：

(1)成形件结构疏松多孔，表面粗糙度较高；

(2)成形效率不高；

(3)得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件， 需进行渗铜等后 处理，但在后处理中难于保证制件尺寸精度。

通过对以上四种快速成形机的介绍，我们可以看出：激光快速成形技术是多种先进制造技术 的集成。

由于不同的快速成形机具有不同的特点，因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择，选择 中要综合考虑成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形状、以及 成形件的材质要求等等，还要权衡制作成本，例如：

大型件、实体适于用LOM制作；

小型件、薄壁件适于用SLA、FDM、SLS制作；

塑料件可用SLA、FDM直接制作，用LOM则要通过硅胶模、反应式注塑翻制；

金属件可用SLS直接制作，用其它方法则要通过铸造翻制；

表面粗糙度要求高的可SLA、LOM制作；

使用于较高温度环境下的可用LOM制作等等。

三、激光快速成型技术的前处理——STL格式文件

不论哪一种激光快速成形机都是基于三维CAD模型进行制作，并且在制成速成形件的过程中 ，要从三维CAD模型中提取每一层的平面轮廓信息，这是通过相应的软件完成的，其中最常 见的方法是：先将三维CAD模型转换成STL格式模型，再对STL格式模型进行切片处理。

STL格式最初出现于1988年美国3DYSTEMS公司生产的SLA快速成形机中，STL就是STereoLithography的缩写，它是将三维模型的表面近似面粉机表达为小三角形平面的组合，非常相似于 有限元分析中的三结点平面单元。

STL格式服从下列规则：

(1)共顶点规则：小三角形平面的顶点不能落在相邻任何一个小三角形平面的边上；

(2)取向规则：小三角形平面顶点反时针排序为外表面，顺时针排序为内表面；

(3)取值规则：顶点座标值均为正值；

(4)合法实体规则：三维模型的表面上必须布满小三角形平面，不能有裂缝和孔洞，内外 表面之间的厚度不能为0。

此外，还要根据成形件的几何形状、复杂程度，选择适当的模型转换精度，选择精度过低( 小三角形平面太大，数量较少)时，会因为无法表达细小的特征结构而出错；选择太高的转 换精度(小三角形太小，数量过多)时，又会造成STL格式文件太大，是国际市场的抢手货超出快速成形机的接受 范围，甚至会出现一些莫名其妙的错误。

快速成形机接收到STL格式文件后进行切片。

我们可以看到：转换成STL格式模型后，为了求得切片平面内 成形件的廓线，只要求得 切片平面与所有与该平面相交的小三角形平面的交线就行了，这就将问题转化成简单的求两 平面的交线问题，然后再将求得的交线端点按外环反时针、内环顺时针排序，就可得到切片 平面内成形件的内外廓线，供快速成形进行数控加工(固化、切割或涂覆、烧结)。

通过STL格式转换，简化了切片平面内成形件廓线的生成，但由于这种转换本身就是一种近 似处理，因而同时也带来了转换中精度的损失，目前一个发展方向是直接利用三维CAD模型 进行切片，从而提高成形件的制作精度，并减小快速成形的前处理时间。

四、激光快速成形技术的应用

关于激光快速成形技术的研究主要在下列三个方面上进行：

第一、材料。

从前面的介绍可以看到，材料是快速成形技术的核心，任何一类快速成形机都是针对特定种 类或特定形态的材料而研究开发出来的，液态光敏树脂用SLA，纸用LOM，丝状材料用FDM， 粉末状材料用SLS，最近听说又在开发一种新的激光快速成形机，用的是气态材料——一种 活性气体，这种活性气体在激光作用下发生分解，在工擦窗机作台上沉积出一层层陶瓷或金属形成 工件。

另外，目前人们对激光快速成形技术最大的期待，在于直接形成人们所需要的不同材质的成 形件，如塑料件、 金属件等。即使是间接翻制，也要解决适当的材料和工艺问题。材料的 廉价化也是个研究重点。

第二、设备。

这里讲的设备，不仅包含硬件，即激光快速成形机本身，而且包含相应的软件，如前面谈到 的如何直接对三维CAD软件进行切片，避免STL格式文件这一近似处理环节，其目的是提高成 形机的成形精度和成形效率。

第三、应用。

激光快速成形技术在各个领域中的应用越来越广泛，其中最主要的应用有以下几个方面：

1、在产品设计中的应用

快速制作样件，虽然在材质上与最终的实际产品有差异但由于形状及尺寸精度高，可以用来 进行产品的形状和尺寸评判，甚至可以进行部分性能测试，与传统的样机生产相比，不仅大 幅度地节省时间，百且大幅度地节约费用。

快速成形技术与三座标测量、三维激光扫描、工业CT结合使用，还可以快速实施反求(逆向) 工程。

2、在模具制造中的应用

(1)快速成形件直接用作模具

LOM制作的纸模经表面处理直接代替砂型铸造的木模，对于形状复杂的高精度模具，其优点 尤为突出。

LOM制作的纸模具经表面处理直接用作低熔点合金铸造模、试制用注塑模或失蜡铸造中的蜡 模的成形模。

SLS制作的模具经渗铜后，直接用作金属模具。

(2)用快速成形件作母模，翻制软模具

所谓软模具，是指用硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作的模具。用快速成形件作母模浇 注上述材料可形成软型腔，形成软模具，这种软模具可用小批量生产，例如：注塑件、低熔 点合金离心铸造件等。

对于塑料件，除了常见的热注射成形(注塑机)外，还可采用反应式注塑法进行小批量生产。

反应式注塑的优点是：

·使用液态原料在室温、低压下注塑，对模具要求不高。

·固化后得到的聚氨脂件与通过注塑机得到的工业热塑性材料性能相似，可得到不同颜色的 制件。

·所需设备简单、便宜，易于操作，所用材料价格也不高。

(3)用快速成形件翻制硬模具

所谓硬模具是指金属模具、陶瓷模具、石膏模具等。制作方法有两种：

一种是直接用LOM制作纸基模具，经表面金属电弧喷镀和抛光后研成金属模。

另一种是所谓金属面、硬背衬模具，制作方法是以快速成形件(如LOM件)作母模，用电弧 喷镀法 在母模表面喷镀形成1..4mm的金属壳体，然后移去母模，在壳的背面注入金属基合成材 料(液态金属)或环氧树脂，形成所谓金属面、硬背衬模具。

上述硬模具可用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉深模。

用快速成形技术制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以 大大缩短制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。但是，目 前还存在着模具寿命相对较短的缺点，即使是金属面、硬背衬模具，其使用寿命也不及真正 的金属模，所以快速成回收利用价值太低形模具较适合于单件小批量生产。

3、在矫形医学中的应用

每个人骨骼、牙齿各不相同，在矫形医学中常常遇到对人体的部分骨骼或牙齿进行修补、复 制的问题，如何度身定制是一个过去不易解决的难题，常常给医生带来麻烦，给病人带来痛 苦。

激光快速成形技术给这一状况带来转机，利用反求(逆向)工程的原理，可以方便快捷地解决 这一问题，最近在北大医院就进行了一次成功的应用。一位骨盆癌症患者需要用人工半骨盆 置 换其病变损坏的右侧半骨盆，过去，这种手术需要在手术过程中边测量边磨削调整，也难以 达到理想的形状，这一次，则是用CT扫描患者的骨盆，得到CAD模型，然后用健康的左侧半骨盆作镜像，得到右侧半骨盆模型，据此制作出理想的形状，手术一次成功，使手术时间大 大缩短。

由于从第一台激光快速成形机问世到现在刚刚十几年，国内的研究历史只有十年左右，进行工业应用则更是近几年才开始的，可以说是方兴未艾，相信激光快速成形技术的研究和应用 一定具有广阔的前景。

参考文献：

吕新生译：“用原型支持设计中的思维和操作”，工程设计，1998年№2，PP

吕新生译：“快速产品开发——一种整体的产品开发模式”，工程设计，1997年№.3 ，PP 吕新生译：“以CAD、快速样模制作和三维数字化作为设计手段”，工程设计，1997年 №.4，PP

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