基于隨形技術的快速制模工藝優化軟件研究

快速制模是一種基于快速成形(RP)技術快速模具制造方法。它可分為在RP系統上直接制模和利用RP原型件間接制模2種方法，間接制模可制作硅橡膠模、環氧樹脂模等。優質硅橡膠和環氧樹脂目前都是相當昂貴的材料，在此提出了一種可以顯著降低間接制模材料消耗，并提高分層實體制造(LOM)加工原型件速度的優化方法。

隨形技術思想

用LOM原型件制作硅橡膠軟模時，傳統的制模方法是將LOM原型件直接放在較為規則的型腔中，在這兩者的中間部分填充制模材料。對于外形不規則的原型件和薄殼原型件，采用這種制模方法會造成充型材料的極大浪費。如果型腔是根據RP原型件的外圍形狀定制而成的，那么最終所用到的充型材料就會減少，充型成本將大幅度降低。由此提出一種思路:在使用RP設備加工RP原型件的同時，制造出一個與之相配套的型腔，空型腔與RP原型之間有著一定的間隙以便填充制模材料，對于薄殼件或者原型件中存在大孔洞的情況，則在制作LOM原型件的時候，在原型件空腔部分做一個縮小的隨形填充塊，填充塊不與原型件接觸，且有一定的間隙，在充型時將填充塊放入對應的孔洞中。這樣充型材料將大幅度減少，可以節省昂貴的硅橡膠，并且由于添加的隨形外框與填充塊是與原型件作為一個整體在LOM設備上同時加工的，不僅不會增加額外的制造成本，反而會由于外框和填充塊不需要劃分網格，能顯著減少LOM中劃分網格的時間，提高了加工速度，并且減少了激光器的損耗。

將截面上的截面輪廓環做出適當的偏置，內環內偏，外環外偏并將偏置環添加到截面輪廓中，然后除去自交環從而得到隨形外框和隨形填充塊，是分層實體制造的一種隨形方法，這種方法可以全自動生成隨形外框，但若制件形狀稍微復雜一點，自動生成的隨形外框輪廓將非常復雜，影響加工速度，并且LOM原型件將非常難以取出來。因此采用一種交互式CAD技術設計隨形外框和填充塊的方法來解決這個問題。

隨形CAD軟件關鍵技術

HRPCAD是華中科技大學推出的HRP系列快速成形軟件中的隨形外框與填充塊設計專用軟件，它輸入STL實體模型，然后使用人機交互的方式針對這個模型的形狀選擇最優的加工方向，然后再由操作人員根據自己的知識和經驗用鼠標輸入最合適的隨形外框及填充塊的大致輪廓，再由計算機軟件自動將其擬合光順，并輸出整合外框與填充塊的最終STL模型。HRPCAD使用VisualC++平臺開發，3D圖形界面(包括三維模型顯示及點線面的拾取等操作)采用OpenGL技術實現，人機交互過程主要使用職責鏈模式和命令模式實現。

隨形外框生成

外框的生成過程是首先確定外框的各個參數(外框的拔模型斜度，倒角半徑等)，確定加工方向并進行模型變換，然后輸入外框的形狀，最后進行三角劃分生成外框模型。在定義一個外框的時候，首先確定原型的生長方向，即零件在LOM成形時的生長方向，然后在此方向上填充外框。HRPCAD采用的方法是首先在實體模型上選擇3點來確定一個平面，并以此平面的法向矢量作為生長方向。

為方便用戶定義隨形外框內輪廓，HRPCAD首先使用容錯切片算法獲得實體模型的切片輪廓，并自動提取出其外圍輪廓，再使用激光光斑半徑補償算法對其進行外偏置并光順化，從而獲得參考的隨形輪廓。用戶可在其基礎上通過拉動特征點的方式進行修改，也可根據經驗自行重新設計外框內輪廓。再按照指定參數將該輪廓環向內偏置一定的距離后形成下表面的內輪廓環。最后將端面與側面進行三角網格劃分后就形成了隨形外框。

三角網格劃分

三角劃分的基本過程是首先判斷繪制的輪廓環的方向，如果是順時針就不變，否則將其變為順時針，將外環與內環距離最近的點K1和K2相連構成雙向邊Edge(K1，K2)和Edge(K2，K1)使其成為一個外環，然后將這個外環進行三角網格劃分即可。

平面三角網格化的形成算法有多種，較好的一種是采用平面上的有界區域的Delaunay三角剖分法形成三角形網格。Delaunay三角剖分法算法能對凸域和凹域自動地進行三角形網格化，具有三角形結果惟一、程序簡單和運行穩定可靠的優點，能有效地對給定的有界區域進行三角形網格化。在實際應用中，也可采用基于轉角法的三角形網格化算法:從輪廓上一點Ti出發，以前后2點Ti-1，Ti+1形成邊矢量TiTi+1及TiTi-1，計算并找到前后2條邊夾角小于180°的頂點，并將前、后2點與該點組成三角形，判斷是否∠PiPi-1Pi+1≥PiPi-1Pi-2或∠Pi-1Pi+1Pi≥Pi+2Pi+1Pi，若不是，則輸出三角形并刪掉該頂點，再找到下一個滿足前后2條邊夾角小于180°的頂點;若是，則節點下移。重復上述過程，直到頂點處理完畢。

由于隨形外框的內側面需要有一定的斜度，上表面的內輪廓環與下表面的輪廓環有一定的偏移值，這2個輪廓環雖然很相似，但上下表面中的內環上點的個數不一樣多，所以不能直接把對應的點用三角形連接起來。HRPCAD采用最短對角線法來三角化側面，首先選擇上輪廓環上具有最大夾角的點作為連接起點，并在下輪廓環找到與該點最近的點作為起始邊，然后按照三角形最短的法則找到下一個點將它們組成三角形。

自定義填充塊生成

隨形填充塊主要是填充原型件中有孔洞的地方，所以要求生成LOM原型件后填充塊能很容易取出來，而且要盡可能地節省硅橡膠，以上2條是相互制約的。要容易取出，則需隨形的填充塊要盡量外大內小，生成的塊盡量簡單。要盡可能地省硅橡膠，則生成的自定義體盡量靠近零件并與零件空腔形狀一致。在一般的CAD軟件中有旋轉和放樣造型的功能，旋轉方法生成的填充塊不一定能滿足有些斜孔的情況，放樣的方法生成的填充塊不能保證外大內小。HRPCAD系統結合這2種造型方法來生成填充塊，用戶需使用交互式的方法確定填充塊的基平面，主輪廓環、母線和中心軸線等信息，然后由軟件進行三角網格劃分生成填充塊模型。

對如圖a所示不規則模型，使用HRPCAD軟件可在5min內設計出如圖b所示的隨形外框和自定義填充塊，然后就可生成STL模型文件交付給HRP系統軟件進行加工。

(a)不規則的STL模型 (b)隨形外模框與填充塊
圖 HRP-CAD示例

結束語

使用該優化技術不僅大幅度降低了昂貴的硅橡膠的消耗，并且由于隨形外框和自定義填充塊減少了LOM網格的劃分，實際加工速度可以提高10%左右，此外它簡化了LOM廢料的剝離工作，隨形外框和填充塊可以很方便地一次性取出，如圖1a所示的模型按照常規方式加工，廢料一般需要2h才能完成剝離工作，而采用本軟件優化制造后，剝離時間可縮短在1h以內。