1.前言
1.1 课题研究的背景和意义
快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术是20世纪80年代后期发展起来的一种先进制造技术。二十几年来，该技术在国内得到了迅速的发展，应用领域不断扩大。此技术已广泛应用在机械、汽车、航空空天、电子等行业中，取得了显著的效果。
快速成型技术采用离散堆积的工艺原理，该技术非常适用于形状复杂的不规则零件的制造，使得零件的复杂程度与制造成本基本无关，成功的实现了设计与制造的一体化，解决了CAD中三维造型“看得见，摸不着”的问题。
快速成型的方法很多，典型的有：SL（光固化法）法、LOM（层迭法）法、SLS（选择烧结法）法、FDM（融堆法）法、SGC（层固化法）法等。这些方法各有优缺点，然而这些方法有一个共同的缺点：成型时间长，而且成本高，一般的中小型企业难以承受。近年来，国外又推出了一种新的快速成型方法:3DP（三维打印法）法。而采用了3DP方法的快速成型设备被形象地称为3D打印机。3DP法成型速度比其他技术快5~10倍，其他快速成型设备两三天才能成型的零件，3D打印机几个小时之内就可以完成。
3D打印机成本低廉、设备占用空间小，可以成为设计师办公室的办公用品。更重要的是，由于以上的优点，三维打印法能够普及性的改变传统的零件设计模式。传统的零件设计都是二维的三视图，以致现在的一些优秀的设计软件（如UG、Pro/ENGINEER等）虽然能够给设计者立体视图，但是还是没有实现真正的模型设计，客户还是摸不着，而只是概念设计。而3DP法将会使得实体（模型）设计成为可能。用通用的软件，如Pro/ENGINEER，设计的零件，只需利用3D打印机分层软件进行切片处理，然后通过数控系统指挥打印机一层层打印。不用多长时间，真实的三维立体模型就会出现在设计者和用户面前。这样就可以大大节省开支，减少不必要的浪费。而且还可以加快产品的开发，迅速占领市场[1]。
1.2 3D打印技术介绍
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3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。
1.3 3D打印技术的原理
3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切割”成无数叠加的片，3D打印就是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散；然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍然保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用[2]。
图1-1 3D打印机
1.4 3D打印技术发展前景以及应用
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近年来，3D打印技术持续发展，成本的大幅降低使其已经从研发的小众空间向主流市场进军，发展势头不可阻挡，已经成为社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域。3D打印制作的模型、礼品、纪念品乃至工艺品的应用，极大吸引了社会关注和投入，发展加速，市场开始呈现量与质的双飞跃。据预测，2020年3D打印成品将占产品生产总量的50%。
随着3D打印技术的不断突破，新材料的日益改善，3D打印的速度、尺寸在不断提高，其技术在不断优化，应用领域在不断扩展，特别是图形艺术领域的潜力，三维的概念模型能更好地传达制作者的想法或解决方案，一张图可以胜过几百甚至上千个文字的描述。专业人士坚信个性化或定制化的3D打印可以将一个所想象的三维模型即时摆在眼前，能够快速改进产品，增长幅度将超过想象，将会改变社会各种应用的未来。
3D打印技术将淘汰传统生产线，缩短制作周期，大大减少生产废料，所需原材料用量将减少到原来的几分之一。3D打印不仅节约成本，提高制作精度，也将弥补传统制造的不足，并将在民用市场迅速崛起，从而开启制造业的新纪元，为印刷工业带来新的机遇[3]。
3D打印的应用领域越来越广泛，目前主要应用于工业、医疗、建筑、航天、机械制造等行业的模型制作，包括精密的医疗器械和工艺品等。在建筑领域，3D打印机能够为曲面异型建筑的重要精密构件快速制作精确模型，实现传统建筑模型制作无法达到的工艺水平，甚至可以“打印”出一栋完整的建筑。在地理空间领域，3D打印机可以轻松将GIS数据转化为三维地形及城市景观模型或沙盘。在教育领域，3D打印机能够将抽象概念带入现实世界，将学生的构思转变为他们可以捧在手中的真实立体彩色模型，令教学更为生动。在娱乐艺术领域，3D打印机可以根据电子游戏、三维动画以及其他创作产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像[4]。
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2.需求分析
2.1 Solidworks三维建模软件介绍
Solidworks三维建模软件是将计算机技术与工程设计结合起来的数字化、智能化的设计平台。目前在各企业中深入广泛的应用三维设计技术，相比传统的手法，更大程度地提高了设计质量和缩短了工程周期。Solidworks软禁具有全面的零件实体建模，是一款功能强大、方便快捷的三维设计软件。它大致可以划分为以下几个板块：草图绘制、三维建模、钣金设计、焊接件的生成、模具设计工具、装配体、工程出图等众多模块。
2.2 可行性分析 2.2.1技术可行性
通过Solidworks三维建模软件设计出的模型，能够对立体图形进行分层，按照一个方向（如Z方向即立体图形的高度）我们从图2-1中直观地看出立体图形每一层的层面信息，三维软件最后会导出该立体图形每一层面的每个坐标点的信息数值。
另一方面，下位机需要接收的数值格式是由我们自己定义的，例如@字符表示开始读取坐标值，$字符表示读取每一行数据后停止，即读每一个坐标点后停止。因此，鉴于Solidworks三维建模软件最后导出的图形坐标数据在运动轨迹重复性和时间长问题，我们可以用C语言设计程序来实现数据的转换，已达到大大降低成型时间的目的。
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图2-1 三维立体模型图
2.2.2经济可行性
设计一款产品，我们还需要看它能否给我们带来经济效益。这个主要是由成本、性能、售价决定。越低的成本、更高的性价比决定了这款产品的市场位置。我们设计这款数据转换算法程序需要的成本非常低廉，还可以免费提供给用户使用。因此，我们确信无论在技术上还是在经济可行性上都可以俘虏用户的心。
2.3软件需求分析
我们设计一款产品前，首先需要先对其技术可行性、经济可行性进行一定的客观分析，另外，一款产品被设计出来，有需求才有市场。产品在市场能够建立起根据地主要由两个因素决定：需求和竞争。尽管3D打印技术在国内的发展处在一个起步和研究阶段，但是结合3D打印技术的发展前景和应用领域，我们可
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