搜索激光快速成型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究
2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線
楊曉清 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:SLA 激光快速成型 產(chǎn)品創(chuàng)新 快速成型是什么
傳統(tǒng)的新產(chǎn)品研發(fā)方法往往要經(jīng)過設(shè)計(jì)、工藝分析、制造工藝設(shè)備、試制樣機(jī)并進(jìn)行測(cè)試、修改,至小批量生產(chǎn),最后定型等幾個(gè)階段。其中設(shè)計(jì)、修改、制造等過程不僅要投入較多的人力、物力,而且還要耗費(fèi)較長的時(shí)間,影響了新產(chǎn)品的適時(shí)投放和對(duì)市場(chǎng)的占有。
近年來出現(xiàn)的快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術(shù)較好地解決了新產(chǎn)品開發(fā)中制造樣品耗時(shí)長這一難題。
在以知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)為特征以及制造業(yè)日趨國際化的今天,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn),已成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。企業(yè)只有具備了快速開發(fā)產(chǎn)品的能力,才能抓住市場(chǎng)機(jī)遇和快速循環(huán),不斷改善質(zhì)量,從而占領(lǐng)市場(chǎng)。
1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)--基于三維CAD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法和手段得到了很大的提高,產(chǎn)品更新的周期大大縮短,產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈。在這種形勢(shì)下出現(xiàn)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是產(chǎn)品適應(yīng)新市場(chǎng)形勢(shì)的最佳途徑。三維CAD在設(shè)計(jì)特點(diǎn)上更能與設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新思維方式相符合,設(shè)計(jì)者可以在三維CAD環(huán)境下,很真實(shí)地進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì),完成自己的創(chuàng)意。三維CAD是對(duì)傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)的革命。利用三維CAD軟件可以進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和二維出圖,這種方法既是設(shè)計(jì)方法的更新又是現(xiàn)代CAD的發(fā)展方向。三維CAD為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了技術(shù)平臺(tái),也是一種快速響應(yīng)市場(chǎng)的有效手段。
1.1 三維CAD更加符合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的流程
產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程十分復(fù)雜,需要綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)繪圖、分析仿真、工藝設(shè)計(jì)和制造等知識(shí)。三維CAD為產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一個(gè)新的空間,其系統(tǒng)所包含的造型工具能進(jìn)行"自頂向下"和"自底向上"等設(shè)計(jì)方法,使設(shè)計(jì)更加符合產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)過程。同時(shí),三維CAD提供了靈活的空問操作工具,使設(shè)計(jì)構(gòu)型如同"搭積木"一樣直艦、簡(jiǎn)單、易行,更貼近創(chuàng)新設(shè)計(jì)所需的"發(fā)散式"思維方式。
1.2 三維CAD使整體設(shè)計(jì)程序更具靈活性和高效性
在計(jì)算機(jī)上,通過三維建模,可將產(chǎn)品的創(chuàng)意快速變成立體設(shè)計(jì),并能隨時(shí)針對(duì)形態(tài)、色彩、肌理等方面進(jìn)行調(diào)整。20世紀(jì)80年代中期,CV公司提出參數(shù)化實(shí)體造型方法,其特點(diǎn)有:基于特征、完全約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)尺寸驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化造型設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是在不同的集合元素或特征信息之間建立尺寸關(guān)聯(lián)或集合特征約束關(guān)系。由此帶來了產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想的更新與變革,完成了數(shù)字化沒計(jì)制造的革命。
1.3 三維CAD大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期
三維CAD可利用快速成型技術(shù)直接生成樣機(jī),使其制作周期大大縮短,并可對(duì)模型進(jìn)行改善,進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,使虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能,使靜止的設(shè)計(jì)結(jié)果成為虛擬的真實(shí)世界,人置身于真實(shí)的產(chǎn)品模擬使用環(huán)境中,以檢驗(yàn)產(chǎn)品的各方面性能;產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程同樣可以模擬,由此可以極大地增強(qiáng)生產(chǎn)計(jì)劃的科學(xué)性和可靠性,并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)階段不易察覺的錯(cuò)誤。整個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程都直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,大大縮短了開發(fā)周期。三維CAD的整個(gè)開發(fā)過程如圖1所示。
2 激光快速成型技術(shù)
快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping,RP)是借助于計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)和數(shù)控等現(xiàn)代手段將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)集成于一體的,根據(jù)在激光機(jī)上構(gòu)造的三維模型,能在很短時(shí)間內(nèi)直接制造出產(chǎn)品樣品,無須傳統(tǒng)的機(jī)械加工機(jī)床和模具,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)RP三維實(shí)體成型對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)定;對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行驗(yàn)證;經(jīng)過模擬試驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)可行性評(píng)估;根據(jù)用戶對(duì)設(shè)計(jì)方案的反饋信息,用CAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和再驗(yàn)證。這樣可以得到工作性能和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案,既節(jié)省了設(shè)計(jì)費(fèi)用,又縮短了產(chǎn)品研制周期。激光快速成型采用的是一種全新的成型原理-分層加工、迭加成型。
立體激光快速成型技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus,SLA)是快速領(lǐng)域中最先出現(xiàn)的方法。
它先將由計(jì)算機(jī)CAD造型系統(tǒng)獲得的制品三維模型通過微機(jī)控制激光,按確定軌跡對(duì)液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行逐層掃描,使被掃描區(qū)的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)形成一層薄的固態(tài)實(shí)體。固化完畢后,工作臺(tái)下移一個(gè)切片厚度再固化新的一層樹脂,并層層相互粘結(jié),堆積出一個(gè)三維固體制件。再經(jīng)過有關(guān)的硬化打光等處理,形成制件或模具。其原理圖及制件如圖2所示。
3 基于激光快速成型技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)
設(shè)計(jì)過程是被設(shè)計(jì)對(duì)象隨著設(shè)計(jì)者的思維活動(dòng)由不確定性向確定性轉(zhuǎn)化的過程。
在這一過程中存在著一定的風(fēng)險(xiǎn):走彎路的風(fēng)險(xiǎn)、走錯(cuò)路的風(fēng)險(xiǎn)、甚至是失敗的風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)品的復(fù)雜程度越高,風(fēng)險(xiǎn)也就越大。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中不得不考慮這種風(fēng)險(xiǎn),常常為了避開風(fēng)險(xiǎn)而舍棄了創(chuàng)新。怎樣才能充分利用創(chuàng)新,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低設(shè)計(jì)成本,同時(shí)又最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn),提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率?此外,激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)還要求以最短的周期完成設(shè)計(jì)開發(fā)工作,提高對(duì)市場(chǎng)需求的響應(yīng)速度。三維的CAD模型可以有效地適應(yīng)這種需求。有了三維CAD模型,可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能分析,可以進(jìn)行模擬裝配,可以進(jìn)行外觀造型的渲染,甚至可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行操作和使用。
但在計(jì)算機(jī)中,由于虛擬模型的出現(xiàn),并沒有也不可能完全替代其它形式的模型,特別是具有三維實(shí)體形態(tài)的其它模型,主要原因是:
(1)計(jì)算機(jī)模型畢竟不能提供產(chǎn)品的全部信息(如手感);
(2)計(jì)算機(jī)模型只能模擬已知的環(huán)境條件;
(3)三維空間中的實(shí)體模型比二維屏幕上的模型更具有"真實(shí)感"和"可觸摸性"
(4)計(jì)算機(jī)模型本身也需要接受驗(yàn)證。
因此,在大力研究和應(yīng)用三維CAD基礎(chǔ)上的虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造的同時(shí),還要積極研究和采用同樣足在三維CAD基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的快速成型技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)(Rapid Prototyping,RP)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、反求工程(Reverse Engineering,RE)、快速成型(Rapid Prototyping,RP)和快速制模(Rapid Tooling,RT)的信息互聯(lián)網(wǎng)支持下形成的一套快速開發(fā)系統(tǒng)的技術(shù),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
4 結(jié)論
激光快速成型技術(shù)以其快速性和高精度為制造領(lǐng)域帶來革命性的創(chuàng)新,它為制造業(yè)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持,經(jīng)過國內(nèi)科研工作者幾年的研究,國內(nèi)的激光快速成型技術(shù)已經(jīng)趕上了世界技術(shù)的發(fā)展,并形成了自己的特點(diǎn)。隨著快速成型技術(shù)與快速反求、快速模具制造等技術(shù)相結(jié)合,激光快速成型技術(shù)也越來越多地用于機(jī)械電子、汽車制造、航空航天、工藝美術(shù)、醫(yī)療康復(fù)等方面,并產(chǎn)生了極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
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