21世纪制造第四章中文翻译Word文档格式.docx
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处于研究与开发阶段的包括：
以玉米淀粉、塑料和陶瓷为材料的三维印刷；
以塑料为材料并由机加工来铣平的三维印刷；
实体磨削固化（SGC，与SLA类似）；
形状沉积制造（SDM，分层叠加与分层递减的结合）
非实体自由成形制造（传统方法）包括：
机加工；
铸造。
克莱斯勒汽车公司于20世纪90年代初所作的比较研究表明，SLA技术比与其竞争
的非传统原型制造方法，在成本上和精度上要领先（此项研究没有包括对机加工和铸造工
艺的评价）。
本章对有关技术进行描述后，将附加图表来对它们的成本与精度进行比较。
近10年来，SLA已进一步证明了它是应用最多的实体自由成形制造技术，特别是在铸造
和注塑成形时用它来制作模具。
在撰写本书时，SLS、FDM和LOM是继SLA后最常见
的技术。
4．1．2实体自由成形制造的发展历史
20世纪70年代末，米得（Mead）和康韦（Conway）奠定了超大规模集成电路（VLSI）
的快速成形基础。
于是，电路的设计者们开始采用5种二维模式进行设计。
这些模式
定义了金属氧化物半导体（MOS）晶片上的三层叠式互连及各层之间通过孔隙的互连。
当俯视电路芯片时（无论用来制作这些芯片的具体工艺和掩膜层数如何），这些模式均可
用来描述各种线路走势与通孔的实际几何图形。
受以上分层电路成功的设计方法的激励，20世纪70年代以来，数家公司对分层制造
机械零件进行了尝试。
另外，到80年代中叶，几项美国政府的研究也对成立“机械领域的
金属氧化物半导体执行服务机构（MOSIS）”的可能性进行了分析。
于是，一提到机械领域的MOSIS的前景，人们就往往将它与上文列出的制造工艺联
系起来。
第一种商用SFF技术——SLA——是伴随着将CAD物体表示成STL
（STereoLithography）文档格式“．STI。
”的出现而产生的。
“．STL”文档是CAD格式的一
种变形，它适用于造型时的分层操作和后续的实际SLA、FDM或SLS机器上的激光扫描
轨迹。
足球是圆的吗?
回答取决于你测量的准确程度。
名义上，它是一个完美的圆球体，但仔细观察起来，它是由大约20多块六边形块和一些五边形块缝合而组成的曲面体。
所以它实际上是对数学上圆球体的一种近似。
类似地，“．STI。
”文件用来对CAD模型中的边界曲面进行近似，将原曲面分割成相互连接的小三角形，通常称为分割镶嵌（tessellation）。
每一块三角形由三个顶点的x、y、z
坐标来表示，三个顶点的先后顺序符合右手法则，即从物体外部看，以逆时针方向定出这
些顶点。
同时，对每个三角块的法向也做了规定。
这些分割镶嵌的小表面储存在一个
“．STL”文件中。
这样形成的可能包含多至20万个三角块的文件通过Internet送往快速
成形车间的机器。
如图4．1所示，这种分割镶嵌的CAD模型随后被分割成类似于一叠扑克牌的层次。
对于3D系统公司的机器而言，这种文件被称为SLI文件或分层文件。
尽管其他快速成
形方法使用相似的技术，但它们的细节和命名却各有不同。
如果对于一个假想的足球来
说，这样的每一层都应该是一个圆形。
但是由于使用这种分割镶嵌的方法，每一层都不是
一个完美的圆形。
由于这种分层技术沿三角块边界分割，因此，每一层圆实际是由一个多
边形近似形成的，边的多少则取决于分割镶嵌所要求的精确程度。
图4．1一个“．STL"
文件表示的是一个分割镶嵌后的物体。
（a）图显示由许多表面面
片表示的隐形眼镜盒。
该“．STL"
文件所表示的物体随后被分层，接着用激光扫描来硬化零件。
对于SLA机器而言，首先用激光器固化没层的边界，然后再填充边界内部。
每层的厚度和填充方式则通常随机器生产商的不同和用户的选择而有所不同。
特别是对于SLA和SLS机器而言，通常要进行一些逐步尝试才能探索出最令人满意的结果。
这个问题将在稍后几节进一步探讨。
目前，“．STL”格式已成为SFF的标准文件交换格式。
但在很多情况下，此格式也存
在一些不足。
首先，由于采用分割镶嵌，文件所占容量很大。
其次，它存在着一些冗余度。
例如，一方面每块小三角形都按逆时针方向给出其三个顶点的坐标，以便用右手法则判断
其法向。
但同时，习惯上每块小三角形的法向矢量也同时由STL另外保存。
有时这两者
会出现一些不一致性，而且目前还没有较好的方法来解决这一问题。
正如文献[32]所述，“．STL”没有表达模型的拓扑结构和连接性，给修补文件中的一
些常见错误带来困难，例如，间隙、渗透和额外面片，以及法向不一致。
此时，人们不能不
去设法猜测设计人员的原意。
于是，一些更通常的数据交换格式有时也用于SFF中，包
括ACIS和IGES。
然而，正如文献[38]所述，在SFF中采用这些格式也存在某些问题。
因此，目前对文件交换语言进行改善的研究正在进行。
4．2立体光刻：
综述
4．2．1历史背景
立体光刻（SLA）是由位于美国加州的3D系统公司于1987年推出的（见文献[20，
21]）。
图4.2是该过程的示意图。
该工艺的商品化是通过几项独立进行的对光敏液体进行固化的研究而产生的。
表4.1列出了其中的一些研究。
有趣的是，这些光敏液体最初是为印刷行业和家具的油漆或封胶剂而研制的。
在封胶剂的应用中，为了避免致癌溶剂，人们研制出了一种紫外线（UC）固化工艺.
图4．2立体光刻（引自3D系统公司公开出版的手册）。
在SLA一250机型中，氦一镉（He-Cd）激光固化并粘接每层树脂。
固化的上表面层通过升降平台下移，叠加在下一层上，直到整个零件制造完毕。
最后，升降台将零件从液态树脂里提升出表面。
读者可以想像SLA是如何由这种工艺发展而成的：
SLA的发明者们想必曾经目睹过光敏液体包裹椅子腿一层层固化的过程。
后来研究发现，氦一镉（He—Cd）激光可产生比一盏简单的UV弧光灯能量更大和聚焦更好的固化模式。
最后，由于20世纪80年代初微处理器价格的猛跌，使在SLA中对CAD模型进行分割镶嵌和对激光轨迹进行精密控制成为可能。
人们也可想像当时这些发明家看到第一层SLA材料在一缸液体表面固化时的激程度。
这正像初冬季节小池塘表面的水结起第一层冰的情形。
在生产过程中，一旦这一层固化后，液缸里的升降台自动向下移动50～200um的距
离。
具体位移多少则视精度要求而定。
然后下一层新液体再被激光固化，这层新固化的材料会自行熔化粘接到前一层上去。
当各层都固化后，将升降台上升至液体表面，零件随之上升，对其进行完全固化。
一般还需要整夜的后固化处理，零件原型才能使用。
有时需手工将一层一层的“阶梯”打磨平。
本章稍后会介绍这种“阶梯”现象。
读者仔细观察图4．2时会发现，在图中的零件中部有一个悬垂部分。
由于液体无法
托住这部分物体，通常需要设计一些支撑物。
在整个物体固化后，这些支撑物在后置处理时需手工去掉．然后将支撑物留下的突起部分打磨平。
4．2．2立体光刻详述：
“．STL”文件格式
3D系统公司1987年开发的“．STL”文件格式已成为今天快速成形工业中的事实标准。
这并不排除人们也尝试过其他“直接分层”法这一事实。
“．STL”文件将一个CAD模型分割镶嵌成三角形面片，正像足球表面由许多六边形和五边形组成的一样。
“．STL”文件包括：
文件头；
三角形数量；
三角形每个顶点的坐标和表示三角形方向
的矢量。
表4．2是这一文件格式的简要描述。
“STL”文件所占的计算机储存容量是（（50×
三角形数量）+84）字节。
于是一个由10000个三角形组成的模型需要的储存空间为500084个字节。
三角形的描述受如下两法则限制：
（1）右手逆时针方向法则，即“CCW法则”。
像一个向足球外拉出的螺丝锥,以此旋
转方向来给三个顶点排序并决定其法向（如图4．3所示）。
（2）顶点对顶点法则。
邻近三角形的顶点必须重合，任何顶点不能落在相邻三角形
的边上}．（如图4．4所示）。
4．2．3立体光刻详述：
分层过程
一旦“．STL”文件被送到快速成形服务处，就开始如下分层过程：
将所有“．STL"
文件中的三角块按z坐标值排序，以建立层次；
找出边界段以确定相邻的内外槽和外形轮廓；
建立边界多段线；
进行边补偿（基于操作人员的激光物理知识）；
与相邻层次相比较，以尽量减少倒角边上发生“阶梯”现象；
平滑边界；
输出边界参数；
对下一个截面进行同样处理。
4．2．4立体光刻详述：
液态树脂
光敏树脂最初是为用于印刷业和家具上漆与密封而发展起来的。
后来为避免使用有
致癌成分的溶剂，又开发了紫外光感工艺。
当电脑有足够能力来实现分割镶嵌，同时由于
激光能提供更多可直接利用的能量，于是导致了立体光刻这一快速成形过程的发明。
立
体光刻与选择性激光烧结相比是一种低能耗的固化过程，后者使用二氧化碳激光器。
光聚作用可理解为将许多小分子（单体）连接而生成聚合物的过程。
乙烯基单体由
碳一碳双键组成，并与称做“R”的基团相连。
在原始的乙烯基树脂中，单体间是由较弱的
范德华力相互作用的。
当激光作用于碳一碳双键后，这种双键被打开。
这些打开的单体群
互相连接而形成较长的链状结构（见表4．3）。
这些链与链之间共价键的连接形成了以下三种主要效应：
液体凝结成固体；
密度增加；
剪切强度增加。
虽然原来的乙烯基中单体之间本身是互相作用的，但新形成的长链之间的共价键使
其变得更坚实。
4．2．5立体光刻详述：
立体光刻制造过程
为了形成一层一层的固化物，激光先将每层的边界固化，这一过程称为分界。
这里设
想将一根很长的橡皮筋或橡皮环放在表面上。
第2步是在边界内区域以某种图案一条线
一条线地画格子。
第3步是将所有格子内部填满，形成一整块固化面（如图4．5所示）。
一层固化完毕后，激光将对下层进行加工。
然而，必须进行精细的工艺规划以保证几
千分之一英寸的精度。
以下详述这种精度控制过程。
读者要注意的是，这种操作步骤是
本书写作时用于SLA-500机型中的，而对于SLA一250机型，方法略有不同。
另外，新的方法还在不断出现。
4．2．5．1第1步，工艺准备
建模开始时需要输入指定的精度要求。
通常每层的平均厚度为100um，视具体精度要求，它可选为50～200um。
另外还需考虑刮板刮平所需要的时间和z轴方向的等待时间。
这些都将在稍后进行详解。
4．2．5．2第2步，液面高度调整与激光校准
立体光刻所用树脂的体积收缩率通常为5％～7％，其中的50％～70％发生在容缸中
的光聚合过程。
由于树脂的液面在不断下降，必须安装传感器对其进行监测。
如果容缸里液体在下一层开始前低于所需高度，一种活塞似的机构会往缸里泵入液体以达到要求的液面高度。
另外通过机器角上的反射“眼”来调节激光的位置也是非常关键的。
事实上，激光位置的检测要刚好在每一层固化完之前进行。
4．2．5．3第3步，制造初始的支撑
通常，立体光刻过程先不制造零件本身，而是制造一些小支撑物以便使真正的零件置
于其上。
这些小支撑就像承载沙发或钢琴的腿。
制造支撑物有以下优点：
刮刀不至于刮到零件托台；
补偿托台变形；
容易取出最终零件；
当零件有悬出部分时，内部支撑也是必要的。
制造支撑物时，当第一层固化后，SLA一500机器中的托台整个下沉大约12mm，这
种深度浸入的目的是为了使粘状的像蜂蜜一样的液体可很容易地流过刚做好的支撑物的
第一层。
然后，整个托台再上升到离液体表面大致100um下。
通常要保持大约5s后再
开始用激光固化下一层。
接着开始第二层的制造，这一层同样是支撑物，而不是零件。
这
一过程一直重复到支撑物做得足够高为止。
通常由机器的操作员决定支撑物的高度。
4．2．5．4第4步，实际零件的制造
制造实际零件与制造支撑物的过程稍有不同。
一旦支撑物制造完毕后，实际零件底
部的第一层就按前面提及过的“边界固化一画方格子—填充格子”这一顺序进行。
托台每次下降100um并等待大约45s。
等待时间由操作员预先编程设置，一般采用
SLA树脂制造商推荐值，其主要目的是保证有足够时间让前一层树脂充分固化。
应该注
意到，尽管激光照射开始了树脂的聚合过程，但实际的固化过程大约要持续45s的时间才
能完成，并为在其上制造下一层提供足够强度。
等待45s后，这第一层已经有足够强度允
许刮刀刮平其表面，并给下一层下降100um提供较好的基准。
4．2．5．5第5步，刮刀刮平
表面看起来，SLA机器中的刮刀像刮洗汽车玻璃的刮刀。
但实际上它是一种由真空
泵控制的两个刀中间带有长空隙的机构。
真空泵将刮刀里面的树脂均匀喷射到前一层表
面。
这样就可不断克服由树脂自由流向第一层表面时的张力，而且使表面液体更加均匀。
要注意的是，由于SLA树脂像蜂蜜一样粘稠，故用带有真空泵的刮刀是必须的，否则难以
形成平滑的表面。
随着刮刀刮扫表面，它不断填充没有填充的表面，也将多余的树脂扫走。
除非零件具
有较大空穴，需要较长时间充填树脂，一般这一刮扫过程约5s。
虽然刮扫表面可形成均匀厚度的表面，但由于树脂的粘稠性，树脂趋于粘在刮刀表面，因此当刮刀离开时造成零件边缘的一些外凸部分。
4．2．5．6第6步，大约15s的“z等待”
液体表面经过以上调节和刮扫后，在零件周围的固液相交界处仍然会有一些折皱。
“z等待”的作用是减轻这种现象，以获得更平坦和均匀的树脂表面。
4．2．5．7第7步，外表面附加填充
当制造零件最上几层表面时，通常需要划更密的格子，以给表层提供更高的强度。
类似的处理也可以用于步骤4的制造零件的底层外表面时。
4．2．5．8第8步，最后步骤
最后几步包括：
·
将多余的树脂从零件的空隙中倒出；
用特种溶液清洗；
去除支撑物；
手工打磨并抛光表面；
用较宽光谱的紫外灯照射进行后固化处理。
4．2．6立体光刻详述：
基于激光的制造与成形
在立体光刻、选择性激光烧结或任何其他基于激光的工艺过程中，如何将激光能量透
射到树脂上（或在SLS中的粉末状物质上）将对固化和所达到的精度产生直接影响。
现以穿透深度为例来进行讨论，由于立体光刻中的每一层底部都必须跟上层表面相粘合，我们将主兴趣集中到z深度方向的激光能量。
与普通弧光灯相比，激光能提供更多的能量（即可通过发光产生更多的聚合作用）。
尽管如此，随着它在树脂或粉末状物质中穿透深度的变化，其能量符合比尔一朗伯（Beer—Lambert）光吸收呈指数递减规律，即
=
exp（-
）
因此，需要达到某一临界辐照度（Hc）才能完全固化。
Dp是根据透射光强降低到表面辐照
度（H0）的1／e（=1／2．718）的树脂深度而定义的树脂常数（如图4．6所示）。
也就是说，当
Z=Dp时辐照度大约等于H。
的37％。
文献[20]列出了SLA一250机型一些常用值，如下
所示。
值得注意的是激光行为与树脂固化之间的关系：
额定激光能量=PL=15mw
中心部分光圈直径=2Wo=0.25mm
对于整个激光光圈而言，高斯（正态）分布曲线决定其基本物理性能。
正如其他任何
点光源一样，随着离开中心距离的增加，光强减弱。
与式（4.1）表示的深度方向能量衰减类似，横向衰减符合如下公式：
其中，Wo是半边高斯曲线高度的1/
。
于是，当r=Wo时，
H=Ho
=0.135
可以证明：
=30.56w/cm2
假如激光扫描速度为200mm/s，则对于某一给定面积，激光照射的时间为
=1.25ms
激光照射的平均能量密度为
×
=38.2
下面通过激光光子光通量来计算聚合能力。
为此，先运用普朗克方程求出光子能量，即
=6.1×
J/光子
如用
表示每平方厘米投射到树脂表面的光子数，则
=6.3×
个光子/
这些光子渗透到树脂里而作用到聚合物链产生的聚合作用，即使光化学作用的效率只有50％，原先的[C═C]键也会被聚合成[C-C-C]。
4．2．7选择性激光烧结
另一种应用得非常广的快速成形技术是美国DTM公司商品化的选择性激光烧结（SLS）技术（DTM公司已被3D公司收购——译者注）。
SLS与SLA有很多相似点，主要不同在于SLS中激光用来烧结和熔融粉末状物质而不是用来固化聚合物液体。
SLS中的第1步类似于SLA中的第1步，就是生成“．STL／SLI”文件。
在SLS机器里，先将粉末铺压得很薄，然后用容器周围的红外线加热板将其加热至刚刚低于其熔点。
然后用激光按一定的图案烧结和熔融零件的第一层。
随后，这一层熔烧好的零件下降一定深度，滚筒再铺平另一层粉末物，按上述激光熔结过程重复进行（图4．7）。
与SLA相比，该过程可依赖没有熔结的粉末来支撑上层的重量。
因此，没有必要制造对零件中悬出部分的支撑物。
于是有可能设计制造精细与条状结构的零件。
尽管如此，手工抛光仍有必要，以便平滑阶梯效应。
同时，由于采用烧结过程，SLS零件的表面粗糙、颗粒大，因此，一般要用手工抛光表面。
另外一个难度是如何维持容箱内粉末的温度刚好低于熔点，这个任务是由红外加热板来实现的。
但当制作较大物体时，要保持均匀的温度需要较长的稳定时间，然后才能开始激光烧结。
4．2．8分层实体制造
分层实体制造（LOM）是由美国的原Helisys公司研制开发的（该公司已关闭，原总裁MikeFeygin已重组CubicTechnologies来继续生产、开发与服务LOM产品——译者注）。
与SLA和SLS类似，它也是在1987—1990年问实现商品化生产的。
在LOM机器中，激光用来切割由加热粘结在下一层表面的一叠纸的最上层。
激光切好每层的轮廓后（见图4．8右下角），托台下降一定高度，新一层纸由卷筒卷过来（见图4．8左下角）。
高温滚筒加热这一层新涂覆纸使其粘贴在前一层上（见图4．8中下）。
然后激光切割再开始，如此不断重复，直到整个零件的轮廓加工完为止（整个零件切割完成后，手工将小方块一块一块剥下——译者注）。
然后修整毛边，手工抛光，等待冷却硬化。
对制作大型零件而言，特别是在汽车工业中，LOM一般比SLA和SLS更常用。
4．2．9熔融沉积制造
熔融沉积制造（FDM）是由美国的Stratasys公司研制开发的。
该公司的FDM产晶系列包括FDMl650、FDM2000和FDM8000。
如图4．9所示，材料从滚筒供给时呈丝状。
丝状材料经过加热头后熔解，变成粘性软物，像飘带一样从喷嘴喷出。
喷嘴的运动轨迹由数控程序控制，而粘稠状飘带一样的聚合物一层一层在无夹具的托台上构建成零件。
从运动轨迹控制而言，FDM比SLA和SLS更接近数控机加工。
对简单零件而言，没有必要使用夹具，只要一层一层从托台往上建造就行。
而对较为复杂的零件来讲，如带有内部空穴、特殊凹凸外表面及外悬部分，则需要制作一些支撑物。
但这些支撑物很容易用手工折断，因此后置处理时间很短。
尽管从控制角度来讲FDM与CNC有相像之处，但所制造的零件却更接近于实体自由成形制造家族的成员。
较相近的一种熔融成形方法是美国Sanders公司开发研制的Model—Maker三维打印机。
在Sanders公司的机器中，喷嘴用于喷出粘性聚合物。
考虑到控制粘性物流动及由此获得均匀厚度的困难性（正像将牙膏挤到平板上要形成一片均匀物一样），每层表面形成后用铣刀铣削平整后再进行下一层的建造。
4．2．10三维印刷与三维打印技术
近年来已有几种三维印刷技术研制成功，且到本书写作之时还在不断更新。
其中有些技术是面向CAD／CAM的教学市场的，以便让学生体验某种新型设计的快速建模过程。
同时，该类技术也可应用于工业设计。
在这些工业设计室里，艺术家们希望很快看到自己新颖设计及再设计的原型，并能用手来感觉该模型。
这方面技术的例子包括：
采用玉米淀粉的三维印刷。
美国的Z公司的机器就是基于将淀粉一层层固化的原理。
如图4．10（a）所示，首先在托台上铺平一薄层所需材料的粉状物，然后，按所设计的几何轮廓硬化这层材料。
与SLS相比，这种硬化不是由激光烧熔来完成，而是由喷射一层粘接材料来实现。
很细小的粘性颗粒流由打印头带动的连续喷射头喷印到粉状物上将其粘接硬化。
由于零件是一层一层在X—Y平面建造而成，故该技术与用于文字处理的普通喷墨打印机的打印头的移动类似。
由美国麻省理工学院的Sachs教授及其同事们研制的更精确的三维印刷技术属这一类技术中的领先者（图4．10（b））（Z公司的技术也是基于麻省理工学院这一专利，且该公司的创始人是一对从该校毕业的研究生夫妇）。
这种技术正用于制造金属铸造所用的陶瓷模具和注塑成型所用的粉末金属模具。
这种技术的商业化用途正在增长。
4．2．11实体磨削固化
实体磨削固化（SGC）是由Cubital公司研制开发的。
图4．11是该成形过程的示意图。
理解该图最好的途径是从“交叉路口”开始。
在这里，用掩模来固化液体的最表面一层。
SGC应用与SLA完全相同的原理来固化液
态的聚合物。
主要不同点在于SLA用激光逐点来固化，而SGC通过掩模将整个表面同时进行曝光。
Cubital的机器是一个集成形的，同时进行两个过程。
示意图的左面完成如下步骤：
CAD模型被分层，准备好一层掩模板，将制好的掩模板移到光源照射的区域内。
示意图的右边则进行如下过程：
将很薄的一层聚合物液体喷涂到前一层上，然后将其移至光源照射区域去固化。
示意图右边的后置处理包括：
擦去多余的光感液体，用蜡填充空隙处，冷却，磨平表面，最后将其移至原来的位置去接受下一层喷液。
与此同时，左图所示这一层的掩模也已除去，准备根据下一层的图案制作下一层的掩模。
4．2．12形状沉积制造
前面介绍的一些快速原型技术，如Sanders的三维打印与Cubital的实体磨削固化，综合了材料添加与材料减少这两个过程。
形状沉积制造（S
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