激光快速成型技術在產品設計中的應用研究

2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

楊曉清來源:萬方數據
關鍵字:SLA 激光快速成型產品創新快速成型是什么
傳統的新產品研發方法往往要經過設計、工藝分析、制造工藝設備、試制樣機并進行測試、修改,至小批量生產,最后定型等幾個階段。其中設計、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,影響了新產品的適時投放和對市場的占有。
近年來出現的快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術較好地解決了新產品開發中制造樣品耗時長這一難題。
在以知識經濟和信息社會為特征以及制造業日趨國際化的今天,縮短產品開發周期和減少開發新產品投資風險,已成為企業賴以生存的關鍵。企業只有具備了快速開發產品的能力,才能抓住市場機遇和快速循環,不斷改善質量,從而占領市場。
1 產品設計的新趨勢--基于三維CAD的產品設計
隨著計算機技術的發展,使產品設計的方法和手段得到了很大的提高,產品更新的周期大大縮短,產品的市場競爭也日益激烈。在這種形勢下出現的產品創新設計是產品適應新市場形勢的最佳途徑。三維CAD在設計特點上更能與設計者的創新思維方式相符合,設計者可以在三維CAD環境下,很真實地進行實體設計,完成自己的創意。三維CAD是對傳統的二維設計的革命。利用三維CAD軟件可以進行三維設計和二維出圖,這種方法既是設計方法的更新又是現代CAD的發展方向。三維CAD為產品創新提供了技術平臺,也是一種快速響應市場的有效手段。
1.1 三維CAD更加符合創新設計的流程
產品設計的過程十分復雜,需要綜合運用設計繪圖、分析仿真、工藝設計和制造等知識。三維CAD為產品設計創造了一個新的空間,其系統所包含的造型工具能進行"自頂向下"和"自底向上"等設計方法,使設計更加符合產品實際生產過程。同時,三維CAD提供了靈活的空問操作工具,使設計構型如同"搭積木"一樣直艦、簡單、易行,更貼近創新設計所需的"發散式"思維方式。
1.2 三維CAD使整體設計程序更具靈活性和高效性
在計算機上,通過三維建模,可將產品的創意快速變成立體設計,并能隨時針對形態、色彩、肌理等方面進行調整。20世紀80年代中期,CV公司提出參數化實體造型方法,其特點有:基于特征、完全約束、全數據相關尺寸驅動。參數化造型設計的主要內容是在不同的集合元素或特征信息之間建立尺寸關聯或集合特征約束關系。由此帶來了產品設計思想的更新與變革,完成了數字化沒計制造的革命。

激光快速成型技術在產品設計中的應用研究流體動力學圖片圖片1

1.3 三維CAD大大縮短了產品的開發周期
三維CAD可利用快速成型技術直接生成樣機,使其制作周期大大縮短,并可對模型進行改善,進一步完善設計。隨著數字技術的迅速發展,使虛擬現實成為可能,使靜止的設計結果成為虛擬的真實世界,人置身于真實的產品模擬使用環境中,以檢驗產品的各方面性能;產品的生產工藝過程同樣可以模擬,由此可以極大地增強生產計劃的科學性和可靠性,并能及時發現和糾正設計階段不易察覺的錯誤。整個設計生產過程都直接在計算機上進行,大大縮短了開發周期。三維CAD的整個開發過程如圖1所示。
2 激光快速成型技術
快速成型技術(Rapid Prototyping,RP)是借助于計算機、激光、精密傳動和數控等現代手段將計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)集成于一體的,根據在激光機上構造的三維模型,能在很短時間內直接制造出產品樣品,無須傳統的機械加工機床和模具,設計者可以根據RP三維實體成型對設計方案進行評定;對產品功能進行驗證;經過模擬試驗進行生產可行性評估;根據用戶對設計方案的反饋信息,用CAD軟件對設計方案進行修改和再驗證。這樣可以得到工作性能和經濟性能優良的設計方案,既節省了設計費用,又縮短了產品研制周期。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(Stereo Lithography Apparatus,SLA)是快速領域中最先出現的方法。
它先將由計算機CAD造型系統獲得的制品三維模型通過微機控制激光,按確定軌跡對液態的光敏樹脂進行逐層掃描,使被掃描區的液態樹脂發生聚合反應形成一層薄的固態實體。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,堆積出一個三維固體制件。再經過有關的硬化打光等處理,形成制件或模具。其原理圖及制件如圖2所示。

激光快速成型技術在產品設計中的應用研究流體動力學圖片圖片2

3 基于激光快速成型技術的產品開發
設計過程是被設計對象隨著設計者的思維活動由不確定性向確定性轉化的過程。
在這一過程中存在著一定的風險:走彎路的風險、走錯路的風險、甚至是失敗的風險。產品的復雜程度越高,風險也就越大。設計者在設計過程中不得不考慮這種風險,常常為了避開風險而舍棄了創新。怎樣才能充分利用創新,提高設計質量,降低設計成本,同時又最大限度地降低風險,提高產品開發的一次成功率?此外,激烈的市場競爭還要求以最短的周期完成設計開發工作,提高對市場需求的響應速度。三維的CAD模型可以有效地適應這種需求。有了三維CAD模型,可以進行結構、性能分析,可以進行模擬裝配,可以進行外觀造型的渲染,甚至可以在虛擬現實環境下進行操作和使用。
但在計算機中,由于虛擬模型的出現,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的其它模型,主要原因是:
(1)計算機模型畢竟不能提供產品的全部信息(如手感);
(2)計算機模型只能模擬已知的環境條件;
(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)計算機模型本身也需要接受驗證。
因此,在大力研究和應用三維CAD基礎上的虛擬設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基礎上產生和發展起來的快速成型技術。快速成型技術(Rapid Prototyping,RP)是在計算機輔助設計(CAD)、反求工程(Reverse Engineering,RE)、快速成型(Rapid Prototyping,RP)和快速制模(Rapid Tooling,RT)的信息互聯網支持下形成的一套快速開發系統的技術,其結構如圖3所示。

激光快速成型技術在產品設計中的應用研究cfd培訓教程圖片3

4 結論
激光快速成型技術以其快速性和高精度為制造領域帶來革命性的創新,它為制造業的發展提供了新的技術支持,經過國內科研工作者幾年的研究,國內的激光快速成型技術已經趕上了世界技術的發展,并形成了自己的特點。隨著快速成型技術與快速反求、快速模具制造等技術相結合,激光快速成型技術也越來越多地用于機械電子、汽車制造、航空航天、工藝美術、醫療康復等方面,并產生了極大的社會經濟效益。

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