激光快速成型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究

2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 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、工藝分析、制造工藝設(shè)備、試制樣機(jī)并進(jìn)行測試、修改,至小批量生產(chǎn),最后定型等幾個階段。其中設(shè)計、修改、制造等過程不僅要投入較多的人力、物力,而且還要耗費較長的時間,影響了新產(chǎn)品的適時投放和對市場的占有。
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)中制造樣品耗時長這一難題。
在以知識經(jīng)濟(jì)和信息社會為特征以及制造業(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,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,才能抓住市場機(jī)遇和快速循環(huán),不斷改善質(zhì)量,從而占領(lǐng)市場。
1 產(chǎn)品設(shè)計的新趨勢--基于三維CAD的產(chǎn)品設(shè)計
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使產(chǎn)品設(shè)計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)品的市場競爭也日益激烈。在這種形勢下出現(xiàn)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是產(chǎn)品適應(yīng)新市場形勢的最佳途徑。三維CAD在設(shè)計特點上更能與設(shè)計者的創(chuàng)新思維方式相符合,設(shè)計者可以在三維CAD環(huán)境下,很真實地進(jìn)行實體設(shè)計,完成自己的創(chuàng)意。三維CAD是對傳統(tǒng)的二維設(shè)計的革命。利用三維CAD軟件可以進(jìn)行三維設(shè)計和二維出圖,這種方法既是設(shè)計方法的更新又是現(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,也是一種快速響應(yīng)市場的有效手段。
1.1 三維CAD更加符合創(chuàng)新設(shè)計的流程
產(chǎn)品設(shè)計的過程十分復(fù)雜,需要綜合運用設(shè)計繪圖、分析仿真、工藝設(shè)計和制造等知識。三維CAD為產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)造了一個新的空間,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)計方法,使設(shè)計更加符合產(chǎn)品實際生產(chǎn)過程。同時,三維CAD提供了靈活的空問操作工具,使設(shè)計構(gòu)型如同"搭積木"一樣直艦、簡單、易行,更貼近創(chuàng)新設(shè)計所需的"發(fā)散式"思維方式。
1.2 三維CAD使整體設(shè)計程序更具靈活性和高效性
在計算機(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,并能隨時針對形態(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)化實體造型方法,其特點有:基于特征、完全約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)尺寸驅(qū)動。參數(shù)化造型設(shè)計的主要內(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)計思想的更新與變革,完成了數(shù)字化沒計制造的革命。

激光快速成型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究流體動力學(xué)圖片圖片1

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,并可對模型進(jìn)行改善,進(jìn)一步完善設(shè)計。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,使虛擬現(xiàn)實成為可能,使靜止的設(shè)計結(jié)果成為虛擬的真實世界,人置身于真實的產(chǎn)品模擬使用環(huán)境中,以檢驗產(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)計劃的科學(xué)性和可靠性,并能及時發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計階段不易察覺的錯誤。整個設(shè)計生產(chǎn)過程都直接在計算機(jī)上進(jìn)行,大大縮短了開發(fā)周期。三維CAD的整個開發(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)是借助于計算機(jī)、激光、精密傳動和數(shù)控等現(xiàn)代手段將計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)和計算機(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)計者可以根據(jù)RP三維實體成型對設(shè)計方案進(jìn)行評定;對產(chǎn)品功能進(jìn)行驗證;經(jīng)過模擬試驗進(jìn)行生產(chǎn)可行性評估;根據(jù)用戶對設(shè)計方案的反饋信息,用CAD軟件對設(shè)計方案進(jìn)行修改和再驗證。這樣可以得到工作性能和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的設(shè)計方案,既節(jié)省了設(shè)計費用,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)實體。固化完畢后,工作臺下移一個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。

激光快速成型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究流體動力學(xué)圖片圖片2

3 基于激光快速成型技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)
設(shè)計過程是被設(shè)計對象隨著設(shè)計者的思維活動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:走彎路的風(fēng)險、走錯路的風(fēng)險、甚至是失敗的風(fēng)險。產(chǎn)品的復(fù)雜程度越高,風(fēng)險也就越大。設(shè)計者在設(shè)計過程中不得不考慮這種風(fēng)險,常常為了避開風(fēng)險而舍棄了創(chuàng)新。怎樣才能充分利用創(chuàng)新,提高設(shè)計質(zhì)量,降低設(shè)計成本,同時又最大限度地降低風(fēng)險,提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率?此外,激烈的市場競爭還要求以最短的周期完成設(shè)計開發(fā)工作,提高對市場需求的響應(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)實環(huán)境下進(jìn)行操作和使用。
但在計算機(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,特別是具有三維實體形態(tài)的其它模型,主要原因是:
(1)計算機(jī)模型畢竟不能提供產(chǎn)品的全部信息(如手感);
(2)計算機(jī)模型只能模擬已知的環(huán)境條件;
(3)三維空間中的實體模型比二維屏幕上的模型更具有"真實感"和"可觸摸性"
(4)計算機(jī)模型本身也需要接受驗證。
因此,在大力研究和應(yīng)用三維CAD基礎(chǔ)上的虛擬設(shè)計和虛擬制造的同時,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)。快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping,RP)是在計算機(jī)輔助設(shè)計(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。

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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。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)生了極大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

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