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基于快速原型技术的产品成型研究

2017/1/7    来源:互联网    作者:王卫东      
关键字:快速原型  产品  虚拟  成型  工艺  
从快速原型的原理出发对快速原型技术的数据处理和工艺方法进行了分析和研究, 并利用NX软件进行产品设计与开发, 同时对产品模型进行功能分析, 利用快速原型设备制作出产品的实体模型, 在此基础上对产品设计方案进行了修改与设计评价。

    快速原型(Rapid Prototype简称RP)技术是20世纪80年代发展起来的一项先进制造技术, 主要为新产品开发服务, 对促进企业产品创新, 缩短新产品开发周期, 提高产品竞争力有积极的推动作用。快速原型技术用现代的高科技手段和技术来改造传统的产品设计方法, 能够促进产品在虚拟设计、产品创新、并行设计和管理模式的变革, 对产品设计开发提供了新的途径。因此需要不断地寻求更佳手段去完善现有的设计与加工过程, 促进产品成型设计的活力。由于快速原型技术在制造产品过程中不会产生废弃物造成环境污染, 所以也是一种绿色制造技术。

1 快速原型技术分析

    快速原型技术是基于离散堆积成型思想的新型成型技术, 该技术彻底摆脱了传统的加工方法, 采用全新的增长加工法, 逐层材料添加的原理, 由CAD数据直接驱动生成实体模型或零件。快速原型技术本质在于被加工对象的几何拓扑关系, 通过CAD模型加以描述, 离散处理得到驱动工具和材料的数控指令, 利用快速原型设备完成样件制造。以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型, 将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合, 因此不必采用传统的加工机床, 可快速生产模型或制件, 产品生产周期短, 成本低;制作过程中不用模具、夹具、刀具, 不需任何机械加工, 就能直接制造产品样件。

    目前在产品设计过程中使用的三维绘图软件,如NX、Creo等都是参数化的, 可以非常方便地进行模型修改, 大大提高产品设计的模型化进程。快速原型技术使用的三维模型, CAD文件格式是STL格式, 是由3DSystems公司开发而来。该技术利用三点决定一个面, 使用三角形面片来表示三维实体模型, 现已成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一, 绝大多数CAD系统能支持并生成此种格式文件。

2 快速原型技术成型工艺

    产品设计采用CAD软件的应用越来越广泛。它与快速原型技术的结合可以提高产品设计质量和缩短设计周期。目前围绕减少快速原型件的制作时间、探索制作产品的工艺, 有多种新的快速原型工艺方法, 主要包括:光固化立体造型、分层物件制造、选择性激光烧结、熔融沉积造型等。快速原型技术由传统的“去除”到“增长”, 由有模制造到无模制造,快速直接地实现零件的单件生产。每次成型时制作具有一定微小厚度和特定形状的截面, 然后再把它们逐层粘结起来,就得到了所需制造的立体零件, 整个过程是在计算机的控制下, 由快速原型设备完成。在产品成型过程中, 由于成型零件结构多样, 需要对成型零件进行分析, 以判断该零件是否可以利用本工艺进行加工。对可加工性进行分析时, 首先根据选用的成型设备、成型零件和所选择的工艺, 利用计算机辅助制造功能, 对成型过程进行模拟, 这样通过计算机模拟就可以直观地对产品成型过程进行判断。

    快速原型技术具有成型过程的快速性, 由于成型时间短, 精确度高, 可以在设计的同时制造高精度的模型, 使设计师能够在设计阶段对产品的整体或局部进行装配和综合评价, 从而发现设计上的缺陷与不合理因素, 通过不断地改进设计, 可以把产品缺陷消灭在设计阶段, 最终提高产品整体的设计质量。传统设计方式在设计阶段不能及早地考虑其下面的各个制造过程及产品缺陷, 因此经常会造成整个设计过程的修改大循环, 使得开发周期加长, 成本上升, 质量难以保证。快速原型技术具有制造复杂零件、提高新产品投产的一次成功率、支持并行工程的实施、支持技术创新、改进产品外观设计以及成倍降低新产品研发成本等优点, 可迅速实现单件及小批量生产, 使新产品上市时间大大提前, 迅速占领市场。

3 产品成型实例研究

    快速原型技术取代了手工方式的产品部件制作。设计师可通过逆向工程技术或计算机辅助设计软件建立产品部件的虚拟模型, 然后把虚拟模型导入快速原型设备, 可以制作出零部件的实体模型。它是继CAD之后又一项为设计带来重大变革的技术, 产品设计的全过程在计算机虚拟的环境中映射,将产品设计、分析、测试等产品开发过程在计算机虚拟开发环境中进行数字化模拟。设计和产品开发是以计算机仿真、建模为基础, 然后通过快速原型设备制造出产品设计的概念模型、功能模型和技术模型, 立体直观地进行设计评价、装配检验、功能测试和市场投标等。

    本产品采用NX软件设计, 在造型设计中曲面设计是造型设计的关键, 曲面设计的优劣直接影响成型产品的性能, 对于曲面局部的改变通常会涉及到整个曲面大部分的改变, 这是因为曲面的定位点不是孤立存在的, 而是互相联系的, 同时在曲面造型时曲面和曲面间的连续性是保证曲面光顺的关键因素。在进行曲面造型时为了弥补成型产品与真实产品之间的缺陷, 对成型前的产品进行模型分析及时发现产品的缺陷。对构建好的曲面进行渲染, 通过,斑马线显示, 许多曲面的缺陷就能被鉴别出来或通过曲面的动态曲率梳分析曲面质量, 在曲面分析评价中, 必须综合运用曲面分析功能才能够找出曲面的瑕疵。从模型到产品的实现, 采用模型分析功能对产品进行体检查、面检查、边检查分析与检查后状态监测, 从而得到产品的成型特性与曲面光顺度, 在此基础上对产品设计方案进行修改与设计评价, 产品上盖、下盖几何体分析结果如图1和图2所示。

图1 产品上盖几何体分析结果

图1 产品上盖几何体分析结果

图2 产品下盖几何体分析结果

图2 产品下盖几何体分析结果

    本课题组采用北京殷华公司GII-A熔融挤压快速成型设备进行样件制作, 该设备采用双喷头系统, 熔融挤压快速成型。将分析合格后的产品转化为STL格式的CAD模型, 完成CAD分层数据控制, 产品成型时材料为半流动状态从喷嘴挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层, 每层厚度范围在0.025~0.75mm, 一层叠一层最后形成整个零件模型, 制品和支撑采用不同的材料。在熔融堆积成型过程中, 原型的每一个层片都是通过喷嘴挤出的丝料有序编织而成。成型材料经历了固相的丝材、熔融态、冷却固化3个阶段。成型后的原型和支撑部分一起在成型室中保温, 保温一段时间后缓慢冷却以消除内应力, 类似于热处理中退火的方法。

    在产品成型过程中支撑件的使用是很难避免的, 没有支撑有时可能无法成型。但是当制件成型完毕, 去除支撑后却在制件的表面上留下一些毛刺和小凹坑, 影响了原型的表面质量。这就需要在原型制作时进行相应的处理, 采用的主要方法有:应用具有水溶性或酸溶性的支撑材料;支撑材料和产品材料采用不同的材料, 采用手工或机械方法去除支撑材料;根据成型的实际情况, 合理设置支撑的工艺参数, 保证接触表面的质量和支撑的分离。支撑去除后, 对制品进行固化、修补、打磨、表面喷漆等目的是获得一个表面质量与力学性能更优的产品样件。设计人员可以根据快速原型技术制作的样件对设计方案进行评定, 得到用户对设计方案的反馈, 并对设计方案进行修改, 以取得优化的设计方案。在样件试制成功后, 便可进行工艺设计, 实现产品批量生产, 在获得实物基本数据的条件下, 对数据进行必要的处理, 对模型进行分析、修改等, 产品成型结果如图3所示。

图3 产品成型结果

图3 产品成型结果

4 结语

    快速原型技术不仅支持设计创新, 同时也促使传统的设计向虚拟设计发展, 从而可以实现与传统设计方式完全不同的纯数字化的产品设计方法。尽管快速原型技术发展的时间不长, 但发展速度很快,给制造业带来了翻天覆地的变化。从根本上改变了传统的产品开发设计、制造模式, 从而大大缩短产品开发周期, 减少开发成本。我国应加大对快速原型技术的投入及研究, 并大力推广其应用, 以提高企业自身的竞争力, 促进我国制造业的发展。

责任编辑:马倩
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