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《大连理工大学》 2005年
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理想材料零件的模型构建及RP中的支撑生成与分层处理技术

徐道明  
【摘要】:理想材料零件(Ideal Functional Material Components,IFMC)是指按照零件的最佳使用功能要求来设计制造的,由均质材料、呈梯度变化的组织成分、按一定规律分布的细结构材料甚至嵌入器件等构成,实现材料组织结构和零件性能最佳组合的零件。 所谓理想材料零件的模型构建就是构建一个能表示与操作包含丰富几何形状信息以及相应的材料组成、结构、分布等材料信息的理想材料零件模型的系统。理想材料零件的模型是对其进行分析、设计与制造的基础。开发理想材料零件的模型构建系统的关键问题在于:(1) 模型构建系统的总体框架,即基本的造型思想;(2) 能包含丰富的几何信息与材料信息的数据结构;(3) 协调处理几何信息与材料信息的操作。 文中采用了特征造型交互定义技术,将IFMC的几何形状作为主特征,材料信息作为从特征附加在几何主特征之上。在SolidWorks平台上开发模型构建系统。材料被进行合理的分类并根据各自的特点研究在系统中的表述和处理方法。鉴于材料特征处理模块的独立性与依附于几何特征的特性,提出了合理的规则协调材料特征处理模块内部及其与几何特征处理模块之间的操作。作为系统的基本功能,它可以导出理想材料零件的实体模型(STEP格式文件,而不是STL格式文件)以及相应的材料信息文件。 传统的制造方法很难达到理想材料零件的制造要求,快速原型制造(Rapid Prototyping,RP)技术的发展则使理想材料零件的制造成为了可能,比如三维打印(Three-Dimensional Printing,3DP)工艺就可以借助不同的喷头(nozzle)喷射不同的材料相结合实现非均质零件的逐层制造。 支撑生成与分层处理是快速原型制造中两个重要的工艺环节,也是本文研究工作的重点。 所谓支撑就是零件分层制造时在零件实体外附加堆积的自下而上的材料体,它与零件实体的制造同时进行,用以保证零件的制造精度和制造过程的顺利完成。它是由零件在零件制造方向上向下的特征或者保证零件的精度所需要的。分层制造中支撑自动生成技术的关键地方是确定分层截面上需要额外添加材料的区域,这包括形状、位置、大小等参数。支撑生成工序如果安排在分层处理前,需要计算支撑本体与支撑阻挡体之间的差;而如果安排在分层处理后,则需要计算切层端平面多边形之间的并、交等布尔运算。 文中提出了两种支撑自动生成(Automatic Support Generation,ASG)算法:分层处理前针对实体模型的曲线追踪法与分层处理后针对切层端平面轮廓的标志位追踪法。具体来讲,对于轴线与制作方向平行的常规曲面、平面组成的零件的实体模型可在分层处理前利用曲线追踪法(主要是结合追踪方向和数据点状态)求出支撑面数据点,再利用曲面重构技术构建支撑曲面,这个(些)支撑面片在分层处理后就可以得到在各切层的支撑轮廓线;对于自由曲面或重构的支撑面不能满足要求的情况,可以利用标志位追踪法进行分层处理后切层端面轮廓线(可以是若干个多边形)之间的交、并等布尔运算,某切层的实际轮廓与其上面所有切层的支撑轮廓的并集就是该切层的支撑轮廓,这个支撑轮廓可以托住其上所有切层并减少零件应力变形。 所谓分层处理就是指用与制作方向垂直的切平面将零件模型截成若干具有一定厚度的切层。切层的厚度根据零件的精度要求(几何精度和材料成分允许制造误差)、
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