激光快速成型技术在产品设计中的应用研究

2013-05-18 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

杨晓清来源:万方数据
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传统的新产品研发方法往往要经过设计、工艺分析、制造工艺设备、试制样机并进行测试、修改,至小批量生产,最后定型等几个阶段。其中设计、修改、制造等过程不仅要投入较多的人力、物力,而且还要耗费较长的时间,影响了新产品的适时投放和对市场的占有。
近年来出现的快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术较好地解决了新产品开发中制造样品耗时长这一难题。
在以知识经济和信息社会为特征以及制造业日趋国际化的今天,缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险,已成为企业赖以生存的关键。企业只有具备了快速开发产品的能力,才能抓住市场机遇和快速循环,不断改善质量,从而占领市场。
1 产品设计的新趋势--基于三维CAD的产品设计
随着计算机技术的发展,使产品设计的方法和手段得到了很大的提高,产品更新的周期大大缩短,产品的市场竞争也日益激烈。在这种形势下出现的产品创新设计是产品适应新市场形势的最佳途径。三维CAD在设计特点上更能与设计者的创新思维方式相符合,设计者可以在三维CAD环境下,很真实地进行实体设计,完成自己的创意。三维CAD是对传统的二维设计的革命。利用三维CAD软件可以进行三维设计和二维出图,这种方法既是设计方法的更新又是现代CAD的发展方向。三维CAD为产品创新提供了技术平台,也是一种快速响应市场的有效手段。
1.1 三维CAD更加符合创新设计的流程
产品设计的过程十分复杂,需要综合运用设计绘图、分析仿真、工艺设计和制造等知识。三维CAD为产品设计创造了一个新的空间,其系统所包含的造型工具能进行"自顶向下"和"自底向上"等设计方法,使设计更加符合产品实际生产过程。同时,三维CAD提供了灵活的空问操作工具,使设计构型如同"搭积木"一样直舰、简单、易行,更贴近创新设计所需的"发散式"思维方式。
1.2 三维CAD使整体设计程序更具灵活性和高效性
在计算机上,通过三维建模,可将产品的创意快速变成立体设计,并能随时针对形态、色彩、肌理等方面进行调整。20世纪80年代中期,CV公司提出参数化实体造型方法,其特点有:基于特征、完全约束、全数据相关尺寸驱动。参数化造型设计的主要内容是在不同的集合元素或特征信息之间建立尺寸关联或集合特征约束关系。由此带来了产品设计思想的更新与变革,完成了数字化没计制造的革命。

激光快速成型技术在产品设计中的应用研究流体动力学图片图片1

1.3 三维CAD大大缩短了产品的开发周期
三维CAD可利用快速成型技术直接生成样机,使其制作周期大大缩短,并可对模型进行改善,进一步完善设计。随着数字技术的迅速发展,使虚拟现实成为可能,使静止的设计结果成为虚拟的真实世界,人置身于真实的产品模拟使用环境中,以检验产品的各方面性能;产品的生产工艺过程同样可以模拟,由此可以极大地增强生产计划的科学性和可靠性,并能及时发现和纠正设计阶段不易察觉的错误。整个设计生产过程都直接在计算机上进行,大大缩短了开发周期。三维CAD的整个开发过程如图1所示。
2 激光快速成型技术
快速成型技术(Rapid Prototyping,RP)是借助于计算机、激光、精密传动和数控等现代手段将计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)集成于一体的,根据在激光机上构造的三维模型,能在很短时间内直接制造出产品样品,无须传统的机械加工机床和模具,设计者可以根据RP三维实体成型对设计方案进行评定;对产品功能进行验证;经过模拟试验进行生产可行性评估;根据用户对设计方案的反馈信息,用CAD软件对设计方案进行修改和再验证。这样可以得到工作性能和经济性能优良的设计方案,既节省了设计费用,又缩短了产品研制周期。激光快速成型采用的是一种全新的成型原理-分层加工、迭加成型。
立体激光快速成型技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA)是快速领域中最先出现的方法。
它先将由计算机CAD造型系统获得的制品三维模型通过微机控制激光,按确定轨迹对液态的光敏树脂进行逐层扫描,使被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一层薄的固态实体。固化完毕后,工作台下移一个切片厚度再固化新的一层树脂,并层层相互粘结,堆积出一个三维固体制件。再经过有关的硬化打光等处理,形成制件或模具。其原理图及制件如图2所示。

激光快速成型技术在产品设计中的应用研究流体动力学图片图片2

3 基于激光快速成型技术的产品开发
设计过程是被设计对象随着设计者的思维活动由不确定性向确定性转化的过程。
在这一过程中存在着一定的风险:走弯路的风险、走错路的风险、甚至是失败的风险。产品的复杂程度越高,风险也就越大。设计者在设计过程中不得不考虑这种风险,常常为了避开风险而舍弃了创新。怎样才能充分利用创新,提高设计质量,降低设计成本,同时又最大限度地降低风险,提高产品开发的一次成功率?此外,激烈的市场竞争还要求以最短的周期完成设计开发工作,提高对市场需求的响应速度。三维的CAD模型可以有效地适应这种需求。有了三维CAD模型,可以进行结构、性能分析,可以进行模拟装配,可以进行外观造型的渲染,甚至可以在虚拟现实环境下进行操作和使用。
但在计算机中,由于虚拟模型的出现,并没有也不可能完全替代其它形式的模型,特别是具有三维实体形态的其它模型,主要原因是:
(1)计算机模型毕竟不能提供产品的全部信息(如手感);
(2)计算机模型只能模拟已知的环境条件;
(3)三维空间中的实体模型比二维屏幕上的模型更具有"真实感"和"可触摸性"
(4)计算机模型本身也需要接受验证。
因此,在大力研究和应用三维CAD基础上的虚拟设计和虚拟制造的同时,还要积极研究和采用同样足在三维CAD基础上产生和发展起来的快速成型技术。快速成型技术(Rapid Prototyping,RP)是在计算机辅助设计(CAD)、反求工程(Reverse Engineering,RE)、快速成型(Rapid Prototyping,RP)和快速制模(Rapid Tooling,RT)的信息互联网支持下形成的一套快速开发系统的技术,其结构如图3所示。

激光快速成型技术在产品设计中的应用研究cfd培训教程图片3

4 结论
激光快速成型技术以其快速性和高精度为制造领域带来革命性的创新,它为制造业的发展提供了新的技术支持,经过国内科研工作者几年的研究,国内的激光快速成型技术已经赶上了世界技术的发展,并形成了自己的特点。随着快速成型技术与快速反求、快速模具制造等技术相结合,激光快速成型技术也越来越多地用于机械电子、汽车制造、航空航天、工艺美术、医疗康复等方面,并产生了极大的社会经济效益。

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