专利名称：网格化快速原型制造方法
技术领域：
本发明属于快速制造技术领域，涉及一种网格化快速原型制造方法。
背景技术：
快速原型技术(简称RP技术)，是20世纪80年代后期发展起来的一项先进制造技术，与传统的材料“变形成形”和“去除成形”等加工方法不同，RP技术是基于离散或堆积成形原理的新型数字化成形技术，其基本原理是将三维实体模型按一定方向离散为一系列具有微小厚度的二维片层，快速原型成型机利用特定的材料制造片层实体，并且通过熔结、 聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，从而完成所设计的新产品样件、模型或模具、甚至整个实体的快速原型制造。RP技术可以大大缩短加工周期、降低产品研制的成本，对促进企业产品创新、提高产品竞争力有积极的推动作用。目前RP技术主要用于快速概念设计原型制造、快速模具原型制造等方面。快速制造(Rapid Manufacturing，简称RM)是基于离散或堆积成形原理的先进制造技术的总称， 其目的是由产品的三维CAD模型数据直接驱动，堆积材料单元而完成任意复杂具有使用功能的零件，实现快速原型制造是RP技术的主要发展目标之一。目前RP技术研究主要集中在大型微型零件的制造、新方法的研究和开发、新设备的研究与开发、与反求技术的融合、 与传统机械加工技术的集成、新材料的研究与开发、工件的多彩化和制造的网络化等方面。RP技术起源于美国，目前美国在RP技术领域内仍然处于领先地位；日本集中在 SLA工艺以及LOM工艺方面的研究与设备开发；欧共体也设立过多个针对RP的项目计划， 以扩大和深化RP技术在欧洲的研究、开发和应用；以色列的概念模型机在世界上领先，其推出的桌面化RP设备性价比很高。在我国，较早涉足RP领域研究与设备开发的单位主要有清华大学、西安交通大学、华中科技大学以及北京隆源自动化成形公司等研究机构。清华大学的分层实体制造(SSM)和熔融挤压制造(MEM)工艺及设备，西安交通大学推出的LPS 和CPS系列成型机和相应的光敏树脂，华中科技大学研发的HR系列成形机和成形材料，北京隆源公司开发出的选区激光粉末烧结(SLS)快速成型机等在国内外具有较大的影响力。美国新泽西工学院提出了一种快速冰冻成形(RFP)的新技术；斯坦福大学研发的形状沉积制造SDM(Shape Deposition Manufacturing)；在基于微滴喷射的RP铸型制造方面，清华大学和佛山峰华公司的无木模铸型制造技术PCM(Patternless Casting Manufacturing)和美国ftOMetal公司的快速铸型制造技术(RST)走在前端。美国、日本等研究机构以及国内的清华大学、南京航空航天大学在微纳米技术领域内的快速制造技术进行了研究。直接金属零件的快速成型已经成为目前RP技术研究的热点，针对特种性能金属材料关键件的直接制造，RP技术发展出了激光选区熔化(SLM-klective Laser Melting)、 激光熔覆快速制造(LENS、DMD、LAM、DLF等)和电子束选区熔化技术(EBSM、EBM)等工艺。 喷射成形、分层制造与传统机械加工的集成、新材料开发、与反求技术的融合以及网络化快速原型等方向的研究也比较多。
在国内外公开发表的文献资料中，尚未看到新的网格化快速原型制造类似的方法。网格化快速原型制造本身是一项新的制造方法，但是其具体实现仍然离不开现有的技术手段。网格化快速原型制造技术的实现涉及到计算机、材料、化工等多个学科的交叉，其实现需要的关键技术包括图形技术、CAD或CAM技术、连接技术、仿真技术等。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可完成大型构建的快速原型制造、真正实现快速成形以及解决大尺度模具或零件的快速原型制造的网格化快速原型制造方法。本发明的技术解决方案是本发明提供了一种网格化快速原型制造方法，其特殊之处在于所述方法包括以下步骤所述网格化快速原型制造方法包括以下步骤1)获取待加工物件的三维模型并将三维模型离散为网格单元并进行仿真分析； 所述网格单元是基本制造单元；所述基本制造单元包括片件以及用于连接片件的杆件；2)对板材及线材进行切割分别形成基本制造单元的片件和杆件；3)将基本制造单元中的片件和杆件进行连接完成待加工物件的快速原型制造。上述片件的形状是三角形、四边形、五边形或六边形；所述网格单元对应的形状是三角形、四边形、五边形或六边形。上述片件是三角形时，所述步骤2、的具体实现方式是2. 1)将步骤1)所获取的三维模型进行三角剖分，得到一个与三维模型逼近的三角网格；2. 2)以三角网格、成型材料及其连接方式为输入，进行模型的精度及力学性能进行仿真分析；若仿真结果不能满足设计要求，则进行步骤2. 1)，重新进行三角剖分；若仿真结果能满足设计要求，根据三角剖分结果进行支撑系统设计。上述片件是三角形时，所述三维模型是CAD模型。上述片件和杆件的连接方式是焊接或粘结。一种基于网格化快速原型制造方法的网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法，其特殊之处在于所述网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法包括以下步骤1)获取一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造物件Pi ；2)递归添加更新结构获取一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造物件Pw ；所述网格化快速原型制造物件Pw比网格化快速原型制造物件Pi的原始模型逼近程度高；4)制备相应的片件并将片件与网格化快速原型制造物件Pw的杆件连接实现网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分。上述步骤1)的具体实现方式假设原始模型中有一个三角网格Mi,以及按照三角网格Mi连接制备出的一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造物件P”上述步骤2)的具体实现方式取原始模型中距离Mi最远的一个点，按照Delaimay 三角剖分方法将新点插入Mi,得到一个与原始模型逼近程度更高的网格Mi+1，所述Mw与Mi 相比仅仅增加了一个由少量杆件构成的更新结构，制备更新结构并按照相应的方式将其连接到Pi得到一个与Mw对应的网格化快速原型制造零件Pi+1。
上述网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法还包括3)重复步骤幻，直到网格化快速原型制造物件的精度与原始模型相逼近。本发明的优点网格化快速原型制造技术中基本制造单元(将零件的三维模型离散为三角网格， 网格中的三角形以及边既是基本制造单元)可能使用的材料包括金属、高分子、陶瓷等，基本制造单元的连接是网格化快速原型制造过程的关键技术，可以通过熔结、聚合、粘结等手段将制造单元连接起来。作为网格化快速原型制造的主要支撑技术之一，连接技术发展迅速，可以实现异种材料的连接、复合材料的连接、电子器件微连接等。连接技术的进步可以为网格化快速原型制造成形过程中制造单元的连接提供有力的技术保障。1、本发明提出的网格化快速原型制造方法通过将复杂模型离散成一系列基本制造单元(三角片和杆件)，进而通过连接制造单元完成零件的快速成型，是一种新的网格化快速原型方法，基于该方法可以完成大型构建的快速原型制造。2、提出一种网格化快速原型制造的类Delaimay三角剖分实现方法，该方法将复杂的制造单元连接成形过程简化为一系列简单的网格更新过程，每一次更新仅仅需要完成一个形状非常简单的更新结构的连接，真正实现快速成形制造。3、网格化快速原型制造以网格单元(三角片和网格边)为基本制造单元，与通常意义上的RP技术相比较，基本制造单元的粒度具有更大的可变范围，因此可以根据零件的尺度选取适当粒度的基本制造单元，成形过程具有更高的灵活性。尤其是在大型构件的RP 制造方面更具优势，因此网格化快速原型制造有可能解决大尺度模具(零件)的快速原型制造问题。
图1是本发明所提供的网格化快速原型制造原理示意图；图2是本发明所提供的网格化快速原型制造流程示意图；图3是本发明所提供的网格化快速原型制造飞的类DELAUNAY三角剖分实现方法原理图。
具体实施例方式本发明提出的网格化快速原型制造同样基于离散或堆积成形原理，也可以看作一种快速原型技术；通常意义上的RP技术将模型离散成片层结构，而网格化快速原型制造技术将模型离散成三角网格，因此网格化快速原型制造与通常意义上的RP技术又存在着本质上的区别，可以看作现有RP技术的扩充与完善。网格化快速原型制造方式还可以看作一种空间曲面分层制造方式。通常意义上的RP成形零件的表面精度直接取决于片层的厚度，因此为提高零件精度，片层厚度通常很薄，受制造原理限制，大型零件的RP成形效率往往比较低。本发明采用的基本制造单元是三角片和杆件，其尺度具有非常大的可变动性，在成型开始阶段一般选用直径较大、较长的杆件以提高成型效率，随着成型过程的进行逐渐选用直径较小、较短的杆件以提高成型的精度，与通常意义上的RP技术相比较，网格化快速原型制造方法可以更高效的实现大型构件(例如佛像、雕塑等大型艺术品，建筑物缩小比例模型，复合材料材料模具)的快速原型制造。本发明提出一种新的快速原型方法“网格化快速原型”，其基本原理如图1所示 ①将零件的三维模型离散为三角网格，将网格中的三角形以及边看作基本制造单元；②切割薄板得到与三角形对应的制造单元三角片，切割线材得到与边对应的制造单元杆件；③ 通过焊接、粘结等手段连接制造单元，完成零件的快速原型制造；④必要时通过后处理提高零件的性能。本发明提出的网格化快速原型制造的技术路线如图2所示。进行网格化快速原型制造时需要给定零件的CAD模型，成形材料以及成型材料的连接方式。网格化快速原型制造步骤如下①以CAD模型为输入完成其三角剖分，得到一个逼近的三角网格；②以三角网格、成型材料及其连接方式为输入，进行模型的精度及力学性能分析；③如果仿真结果不能满足设计要求，则转入步骤①，重新进行三角剖分；④如果仿真结果可以满足设计要求则裁剪原料制备制造单元；⑤根据三角剖分结果进行支撑系统设计；⑥在支撑系统的支持下， 连接基本制造单元完成网格化快速原型制造成型制造。模型的三角剖分、支撑系统设计和精度仿真计算及力学性能仿真分析是网格化快速原型制造过程中的关键步骤。如图2所示，在完成三角剖分及支撑系统的设计后，系统通过仿真计算完成三角网格形态对网格化快速原型制造零件成型性能影响的分析，并根据结果进行优化设计，因此步骤①，②和③本身是一个自反馈系统，已经构成一个优化设计过程，从而可以确保网格化快速原型制造成型零件的性能得以优化。本发明还涉及一种网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法， 如图3所示，该方法的基本原理如下①设有一个三角网格Mi,以及按照礼连接制备出的一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造零件Pi ；②取原始模型中距离Mi最远的一个点，按照Delaimay三角剖分方法将新点插入Mi,得到一个与原始网格逼近程度更高的网格Mi+1， Mw与Mi相比仅仅增加了一个由少量杆件构成的更新结构，制备更新结构并按照相应的方式将其连接到Pi得到一个与Mw对应的网格化快速原型制造零件Pw ；③将Mw看作新的 Mi, Pi+1看作新的Pi,重复步骤②，直到网格化快速原型制造零件的精度满足要求为止；④当由杆件构成的框架满足要求后，制备相应的三角片并将其连接进去以完成网格化快速原型制造零件的成形制造；⑤Delaimay三角剖分可以由一个边数量非常少的初始网格Mtl开始， 因为M0中边数量非常少，根据其边连接情况制备一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造零件Ptl非常容易。由于上述零件的成型过程与Delaimay三角剖分过程非常类似，因此称该方法为类Delaimay三角剖分实现。类Delaimay三角剖分方法的成形过程由一个结构非常简单的网格模型开始，逐渐的向零件中添加形状非常简单的更新结构(通常由3 8根杆件构成， 少数情况下含有较多杆件)，更新结构的形状以及添加顺序取决于Delaimay三角化过程。 上述过程也可以理解为首先以一个仅由少量杆件构成的相对精度很低的网格化快速原型制造零件为基础，然后递归添加更新结构来提高零件的成形精度的递归制造过程。最初的网格化快速原型制造零件含有的网格边的数量可以非常少，其设计制造相对容易，更新结构形状简单，其设计制造和连接容易实现，因此类Delaimay三角剖分实现方法使得基本制造单元的夹持定位、连接等技术难度大大降低，可以真正实现零件的网格化快速原型制造。涉及到相关软件、设备，快速原型制造方法等。用于1)大型艺术品(例如佛像、雕塑)的快速制造；幻建筑物模型的快速制造；3)复合材料模具的快速制造等方面。本发明在具体应用时，其具体的步骤如下1、准备毛坯利用网格化快速原型制造方法，以杆件为原料制备一个精度接近成模具几何外形的网格模型，然后在网格上连接(焊接、粘结等方式)三角片完成毛胚的制造。2、包裹外形用“高温环氧树脂+玻璃钢”或“耐温300°C以上的低熔点金属”等修补剂包裹模具外形，保证气密性。3、后处理通过修模等后处理步骤保证精度。
权利要求
1.一种网格化快速原型制造方法，其特征在于所述网格化快速原型制造方法包括以下步骤1)获取待加工物件的三维模型；2)将三维模型离散为网格单元并进行仿真分析；所述网格单元是基本制造单元；所述基本制造单元包括片件以及用于连接片件的杆件；3)对板材及线材进行切割分别形成基本制造单元的片件和杆件；4)将基本制造单元中的片件和杆件进行连接完成待加工物件的快速原型制造。
2.根据权利要求1所述的网格化快速原型制造方法，其特征在于所述片件的形状是三角形、四边形、五边形或六边形；所述网格单元对应的形状是三角形、四边形、五边形或六边形。
3.根据权利要求2所述的网格化快速原型制造方法，其特征在于所述片件是三角形时，所述步骤2、的具体实现方式是2. 1)将步骤1)所获取的三维模型进行三角剖分，得到一个与三维模型逼近的三角网格；2. 2)以三角网格、成型材料及其连接方式为输入，进行模型的精度及力学性能进行仿真分析；若仿真结果不能满足设计要求，则进行步骤1. 1)，重新进行三角剖分；若仿真结果能满足设计要求，根据三角剖分结果进行支撑系统设计。
4.根据权利要求1或2或3所述的网格化快速原型制造方法，其特征在于所述片件是三角形时，所述三维模型是三角网格模型。
5.根据权利要求4所述的网格化快速原型制造方法，其特征在于所述片件和杆件的连接方式是焊接或粘结。
6.一种基于权利要求1所述的网格化快速原型制造方法的网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法，其特征在于所述网格化快速原型制造成型的类 Delaunay三角剖分实现方法包括以下步骤1)获取一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造物件Pi；2)递归添加更新结构获取一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造物件Pw；所述网格化快速原型制造物件Pw比网格化快速原型制造物件Pi的原始模型逼近程度高；4)制备相应的片件并将片件与网格化快速原型制造物件Pw的杆件连接实现网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分。
7.根据权利要求6所述的网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法， 其特征在于所述步骤1)的具体实现方式假设原始模型中有一个三角网格Mi,以及按照三角网格礼连接制备出的一个仅由杆件组成的网格化快速原型制造物件P”
8.根据权利要求7所述的网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法，其特征在于所述步骤2)的具体实现方式取原始模型中距离Mi最远的一个点，按照 Delaimay三角剖分方法将新点插入Mi,得到一个与原始模型逼近程度更高的网格Mi+1，所述 Mw与Mi相比仅仅增加了一个由少量杆件构成的更新结构，制备更新结构并按照相应的方式将其连接到Pi得到一个与Mw对应的网格化快速原型制造零件Pi+1。
9.根据权利要求6或7或8所述的网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法，其特征在于所述网格化快速原型制造成型的类Delaimay三角剖分实现方法还包括3)重复步骤幻，直到网格化快速原型制造物件的精度与原始模型相逼近。
全文摘要
本发明涉及一种网格化快速原型制造方法，该网格化快速原型制造方法包括以下步骤1)获取待加工物件的三维模型；2)将三维模型离散为网格单元并进行仿真分析；网格单元是基本制造单元；基本制造单元包括片件以及用于连接片件的杆件；3)对板材及线材进行切割分别形成基本制造单元的片件和杆件；4)将基本制造单元中的片件和杆件进行连接完成待加工物件的快速原型制造。本发明提供了一种可完成大型构建的快速原型制造、真正实现快速成形以及解决大尺度模具或零件的快速原型制造的网格化快速原型制造方法。
文档编号G06F17/50GK102521436SQ20111038800
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者张树生, 白晓亮 申请人:西北工业大学