文档介绍：面临的技术问题快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题 ./2007/11/ 2007/11/9/09:27 前言在新产品的开发过程中, 总是需要在投入大量资金组织加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的例子或原型。这样做主要是因为生产成本昂贵,而且模具的生产需要花费大量的时间准备, 因此, 在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前, 工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误, 或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案,而一件原型的生产极其费时, 模具的准备需要几个月, 因此一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。快速成型(Rapid Prototyping) 技术是近年来发展起来的直接根据 CAD 模型快速生产样件或零件的成组技术总称,它集成了 CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果, 是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同, 快速成型从零件的 CAD 几何模型出发, 通过软件分层离散和数控成型系统, 用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加。因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售成品的流程速度。众所周知, 在市场竞争中, 产品在竞争对手之前进入市场更为有利可图并能享有更大的市场氛围。同时, 还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量。由于这些原因, 努力使高质量的产品快速进人市场就显得极为重要。快速成型技术问世以来,已实现了相当大的市场,发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合, 已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段, 在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。 1 快速成型技术的优点 1) 快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段, 计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来, 从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。 2) 由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决,因此,它能制造任意复杂型体的高精度零件,而无须任何工装模具。 3) 快速成型作为一种重要的制造技术, 采用适当的材料, 这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。 4) 快速成型操作可以应用于模具制造,可以快速、经济地获得模具。 5) 产品制造过程几乎与零件的复杂性无关,可实现自由制造, 这是传统制造方法无法比拟的。 2 快速成型的基本原理基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作, 可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法, 但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件, 区别是制造每一层的方法和材料不同而已。 快速成型的一般工艺过程原理 三维模型的构造在三维 CAD 设计软件(如 Pro/E\UG\SolidWorks\SolidEdg e等) 中获得描述该零件的 CAD 文件,如图 1(a) 中所示的三维零件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为 5TL 模型,即对实体曲面近似处理,即所谓面型化(Tessallation) 处理,是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了 GAD 模型的数据格式, 从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单,而且与 CAD 系统无关,所以很快发展为快速成型制造领域中 CAD 系统与快速成型机之间数据交换的准标准, 每个三角面片用 4 个数据项表示,即3 个顶点坐标和法向矢量,而整个 CAD 模型就是这样一组矢量的集合。在三维 CAD 设计软件对 模型进行面型化处理时,一般软件系统中有输出精度控制参数, 通过控制该参数, 可减小曲面近似处理误差。如 Pro/E 软件是通过选定弦高值(eh-chord height) 作为逼近的精度参数,如图 1 为一球体,给定的两种 ch 值所转化的情况。对于一个模型, 软件中给定一个选取范围, 一般情况下这个范围可以满足工程要求。但是, 如果该值选的太小, 要牺牲处理时间及存贮空间, 中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误, 如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的, 这给后续数据处理带来麻烦,需要进一步检查修补。图1 不同 ch 值时的效果(a) ch= (b) ch= 三维模型的离散处理通