淺談快速成型技術在工業設計中的應用

摘要:本文介紹快速成型技術的原理,重點討論了與快速成型相關的技術,并試圖將此技術充分應用于產品設計評價,以期縮短產品的開發周期。
關鍵詞:快速成型 RP 反求工程


引言

隨著科技進步和全球市場一體化的形成,現在工業正面臨產品的生命周期越來越短的問題,作為一種新產品開發的重要手段,快速成型能夠迅速將設計思想轉化為產品的現代先進制造技術。它為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段,提高產品研發的效率。

1 快速成型技術原理

在工業產品設計過程中,設計師往往希望能快速由三維CAD模型,得到產品的實物模型,快速成型技術可以滿足這種需求。快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術是一種基于離散/堆積成型思想的新型成型技術,它根據零件或物體的三維模型數據,快速、精確地制造出零件或物體的實體模型。快速成形過程可以分為離散和堆積兩個過程。設計者借助三維CAD軟件直接設計,或用實體反求工程(Reverse Engineering,RE)采集原型的幾何形狀、結構和材料的組合信息,得到樣品的三維模型,離散過程將制件CAD模型沿某一方向(如Z方向)離散為一系列的二維層面(稱為分層或切片),得到一系列的二維平面信息(截面信息);分層后的數據進行進一步處理,根據不同工藝的要求將這些信息與數控(CNC)成型技術相結合,生成CNC代碼;在微機控制下,數控系統以平面加工方式,有序地連續加工出每個薄層,并使它們自動粘接而成型,從而構成一個與CAD模型相對應的三維實體模型,這就是堆積的過程。

2 關鍵技術

2.1 制造工藝
目前, 世界上已有幾十種不同的快速成型工藝方法, 比較成熟的就有十余種。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、疊層實體制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉積法(Fused Deposition Modeling,FDM)、選擇性激光燒結法(Selective Laser Sintering,SLS) 和3DP (Three Dimensional Printing and Gluing,也稱3DPG)五種方法,在世界范圍內應用最為廣泛。

對于RP制造工藝的研究,一方面是在原有技術基礎上進行改進,另一方面是研究新的成型技術。新的成型方法,如三維微結構制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內割技術、層片曝光方式等。

2.2 成型材料
成型材料是決定快速成型技術發展的基本要素之一,它直接影響到原型的精度、物理化學性能以及應用等。與RP 制造的4 個目標( 概念型、測試型、模具型、功能零件) 相適應, 使用的材料不同,概念型對材料成型精度和物理化學特性要求不高,主要要求成型速度快。如對光固化樹脂,要求較低的臨界曝光功率、較大的穿透深度和較低的粘度。測試型對于材料成型后的強度、剛度、耐溫性、抗蝕性等有一定要求,以滿足測試要求。如果用于裝配測試,則對于材料成型的精度還有一定要求。模具型要求材料適應具體模具制造要求,如對于消失模鑄造用原型,要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有較好的力學性能和化學性能。從解決的方法看,一個是研究專用材料以適應專門需要;另一個是根據用途分類,研究幾類通用材料以適應多種需要。

目前應用較多的成型材料及其形態有液態樹脂類、金屬或陶瓷粉末類、紙、塑料薄膜或金屬片( 箔) 類等,現有材料存在成本高、過程工藝要求高、制成成型的表面質量與內在性能還欠理想等不足。進一步的研究應包括開發成本與性能更好的新材料、開發可以直接制造最終產品的新材料、研究適宜快速成型工藝及后處理工藝的材料形態、探索特定形態成型材料的低成本制備技術、造型材料新工藝等。

2.3 加工精度 www.jrujao.cn
影響成型件精度的主要因素有兩方面:一是由CAD模型轉換成STL格式文件以及隨后的切片處理所產生的誤差;二是成型過程中制件翹曲變形,成型后制件吸入水分,以及由于溫度和內應力變化等所造成的無法精確預計的變形。

為了解決第一類問題,正在研制直接切片軟件和自適應切片軟件。所謂直接切片是不將CAD模型轉換成STL格式文件,而直接對CAD模型進行切片處理,得到模型的各截面層輪廓信息,從而可以減少三角面近似化帶來的誤差,所謂自適應切片是快速成型機能根據成型零件表面的曲率和斜率自動調整切片的厚度,從而得到高品質的光滑表面。

為解決第二類問題,正在研究、開發新的成型方法、新的成型材料及成型件表面處理方法,使成型過程中制件的翹曲變形小,成型后能長期穩定不變形。

2.4 與RP技術相關軟件
軟件是RP系統的靈魂,其中作為CAD到RP接口的數據轉換和處理軟件是其關鍵。不同CAD系統所采用的內部數據格式不同,RP系統無法一一適從,這就要求有一種中間數據格式既便RP系統接受又便于不同CAD系統生成,STL(Stereo Lithography)格式應運而生了,STL文件是用大量空間小三角形面片來近似逼近實體模型。由于STL格式具有易于轉換、表示范圍廣、分層算法簡單等特點,為大多數商用快速成形系統所采用,現己成為快速成形行業的工業標準。但是,STL模型也存在許多不足之處:

(1)精度不足。由于STL模型用大量小三角形面片來近似逼近CAD模型表面,造成STL模型對產品幾何模型的描述存在精度損失,并且在對多張曲面進行三角化時,在曲面的相交處往往產生裂縫、孔洞、覆蓋及相鄰面片錯位等缺陷。

(2)數據冗余度大。STL模型不包含拓撲信息,三角形面片的公用點、邊單獨存儲,數據的冗余度大。隨著網絡時代的到來,STL模型數據冗余大的不足也使其不利于遠程RF的數據傳輸,難以有效支持遠程制造。

針對STL模型中存在的問題,人們試圖從以下幾方面來解決:
(1)對STL模型進行修復處理;
(2)將中性標準數據文件(如IGES,DXF,STEP等)直接應用于快速成形數據處理;
(3)尋求新的CAD/RP數據接口格式,除STL文件格式外,得到應用的數據格式有VRML;
(4)直接應用CAD軟件進行分層處理;
(5)與反求工程相結合。

3 快速成型技術的應用

3.1 在外觀及人機評價中的應用
新產品開發的設計階段,雖然可借助設計圖紙和計算機模擬,但并不能展現原型,往往難以做出正確和迅速的評價,設計師可以通過制作樣機模型達到檢驗的目的。傳統的模型制作中主要采用的是手工制作的方法,制作工序復雜,手工制作的樣機模型不僅工期長,而且很難達到外觀和結構設計要求的精確尺寸,因而其檢查外觀及人機設計合理性的功能大打折扣。快速成型設備制作的高精度、高品質樣機與傳統的手工模型相比較可以更直觀地以實物的形式把設計師的創意反映出來,方便產品的外觀造型和人機特性評價。

現在的快速成型加工得到的成型件都是單一顏色,顏色主要由材料決定,為了對產品色彩外觀進行評價,有時需要手工涂色,隨著彩色成型技術的發展,這方面的問題可以解決。人機評價主要包括成型件尺寸及操作宜人性,快速成型可以很好地滿足這方面的要求。

3.2 在產品結構評價中的應用
通過快速成型制成的樣機和實際產品一樣是可裝配的,所以它能直觀地反映出結構設計合理與否,安裝的難易程度,使結構工程師可以及早發現和解決問題。由于模具制造的費用一般很高,比較大的模具往往價值數十萬乃至幾百萬,如果在模具開出后發現結構不合理或其他問題,其損失可想而知。而應用快速成型技術的樣機制作可以把問題解決在開出模具之前,大大提高了產品開發的效率。

3.3 與反求工程結合
反求工程(Reverse Engineering,RE)也稱逆向工程,就是用一定的測量手段對實物或模型進行測量,然后根據測量數據通過三維幾何建模方法重建實物的CAD數字模型,從而實現產品設計與制造過程。對于大多數產品來說,可以在通用的三維CAD軟件上設計出它們的三維模型,但是由于對某些因素,如對功能、工藝、外觀等的考慮,一些零件的形狀十分復雜,很難在CAD軟件上設計出它們的實體模型,在這種情況下,可以通過對模型測量和數據處理,獲得三維實體模型。

作為一種新產品開發以及消化、吸收先進技術的重要手段,反求工程和快速成型技術可以勝任消化外來技術成果的要求。對于已存在的實體模型,可以先通過反求工程,獲取模型的三維實體,經過對三維模型處理后,使用快速成型技術,實現產品的快速復制,縮短了產品開發周期,大大提高產品的開發效率。

4?結語

快速成型技術可以大大縮短產品的開發周期,滿足產品的個性化、多樣化需求,在工業設計中得到廣泛應用。但由于該技術的制作精度、強度和耐久性還不能滿足工程實際的需要,加之設備的運行及制作成本高,一定程度上制約著RP技術的普遍推廣。隨著研究的不斷深入,制約快速成型發展的因素會逐步解決,應用領域會不斷得到拓展。

 


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作者:張杲陽 王曉飛 (北京服裝學院人機工學實驗室,虛擬現實實驗室 北京 100029)