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| 快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 |
| 發(fā)布日期：2011-02-14 10:01 |
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目前RP技術(shù)的發(fā)展水平而言，在國(guó)內(nèi)主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品（包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代）開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和模擬樣品的試制上，即完成從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)（或改型設(shè)計(jì)）——造型設(shè)計(jì)——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——基本功能評(píng)估——模擬樣件試制這段開(kāi)發(fā)過(guò)程。對(duì)某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進(jìn)行小批量試制，或進(jìn)行一些物理方面的功能測(cè)試、裝配驗(yàn)證、實(shí)際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場(chǎng)，達(dá)到投石問(wèn)路的目的。
快速成型的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
?。?）新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。RP技術(shù)可快速地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實(shí)物模型，這樣可以方便地驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題可及時(shí)修改。如果用傳統(tǒng)方法，需要完成繪圖、工藝設(shè)計(jì)、工裝模具制造等多個(gè)環(huán)節(jié)，周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。如果不進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設(shè)計(jì)失誤，將會(huì)造成極大的損失。
（2）可制造性、可裝配性檢驗(yàn)和供貨詢(xún)價(jià)、市場(chǎng)宣傳，對(duì)有限空間的復(fù)雜系統(tǒng)，如汽車(chē)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈的可制造性和可裝配性用RP方法進(jìn)行檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)，將大大降低此類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造難度。對(duì)于難以確定的復(fù)雜零件，可以用RP，技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。此外，RP原型還是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到商品化各個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行交流的有效手段。比如為客戶(hù)提供產(chǎn)品樣件，進(jìn)行市場(chǎng)宣傳等，快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑。
?。?）單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。對(duì)于高分子材料的零部件，可用高強(qiáng)度的工程塑料直接快速成型，滿(mǎn)足使用要求;對(duì)于復(fù)雜金屬零件，可通過(guò)快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項(xiàng)應(yīng)用對(duì)航空、航天及國(guó)防工業(yè)有特殊意義。
?。?）快速模具制造。通過(guò)各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將RP原型轉(zhuǎn)換成各種快速模具，如低熔點(diǎn)合金模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等，進(jìn)行中小批量零件的生產(chǎn)，滿(mǎn)足產(chǎn)品更新?lián)Q代快、批量越來(lái)越小的發(fā)展趨勢(shì)?？焖俪尚蛻?yīng)用的領(lǐng)域幾乎包括了制造領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等行業(yè)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用各行業(yè)的應(yīng)用狀況如下:
◆汽車(chē)、摩托車(chē):外形及內(nèi)飾件的設(shè)計(jì)、改型、裝配試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)、汽缸頭試制。
◆家電:各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配試驗(yàn)與功能驗(yàn)證，市場(chǎng)宣傳，模具制造。
◆通訊產(chǎn)品:產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配試驗(yàn)，功能驗(yàn)證，模具制造。
◆航空、航天:特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動(dòng)機(jī)的試制、裝配試驗(yàn)。
◆輕工業(yè):各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、裝配，市場(chǎng)宣傳，玩具、鞋類(lèi)模具的快速制造。
◆醫(yī)療:醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、試產(chǎn)、試用，CT掃描信息的實(shí)物化，手術(shù)模擬，人體骨關(guān)節(jié)的配制。
◆國(guó)防:各種武器零部件的設(shè)計(jì)、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作。
總之，快速成型技術(shù)的發(fā)展是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同，更重要的是在目前產(chǎn)業(yè)策略以市場(chǎng)響應(yīng)速度為第一的狀況下，RP技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。下面通過(guò)一些事例，說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中起的作用。
1.設(shè)計(jì)驗(yàn)證：用于新產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)玲證和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，找出設(shè)計(jì)缺陷，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)手段日趨先進(jìn)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)快捷、直觀，但由于軟件和硬件的局限，設(shè)計(jì)人員仍無(wú)法直觀地評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的效果和結(jié)構(gòu)的合理性以及生產(chǎn)工藝的可行性。快速成型技術(shù)為設(shè)計(jì)人員迅速得到產(chǎn)品樣品，直觀評(píng)判產(chǎn)品提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。我公司為某摩托車(chē)生產(chǎn)廠新型250摩托車(chē)制作的覆蓋件樣件，包括油箱、前后擋板、車(chē)座和側(cè)蓋等共13件。采用AFS成型技術(shù)，僅用12天就完成了全部制作。設(shè)計(jì)人員將樣件裝在車(chē)體上，經(jīng)過(guò)認(rèn)真評(píng)價(jià)和反復(fù)比較，對(duì)產(chǎn)品的外觀做了重新修改，達(dá)到了理想狀態(tài)。這一驗(yàn)證過(guò)程，使設(shè)計(jì)更趨完美，避免了盲目投產(chǎn)造成的浪費(fèi)。
2．裝配驗(yàn)證：制出樣品實(shí)件，進(jìn)行裝配實(shí)驗(yàn)。天津某公司委托我方加工傳真機(jī)外殼及電話。用戶(hù)不僅要進(jìn)行外觀評(píng)價(jià)，而且要將傳真機(jī)的內(nèi)部部件裝入樣件中，進(jìn)行裝配實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。該公司首先選擇傳統(tǒng)加工方法，分塊加工，手工粘結(jié)，僅加工一套電話聽(tīng)筒就耗資肆仟元，耗時(shí)20天。預(yù)計(jì)制作傳真機(jī)樣品需2個(gè)月，費(fèi)用為2·5萬(wàn)元。我公司用快速成型技術(shù)，僅用15天就將該產(chǎn)品一套共六件交給委托方。用戶(hù)在裝配實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了7處裝配干涉和結(jié)構(gòu)不合理處。將前后兩種方法相比，傳真機(jī)BABS塑料組裝樣件傳統(tǒng)加工方法工序繁多，手工拼接費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，材料浪費(fèi)大、加工周期長(zhǎng)。對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面，加工粗糙，尺寸精度低，制作的實(shí)物模型與設(shè)計(jì)模型之間不能建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而在裝配實(shí)驗(yàn)中很難檢查出設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。而自動(dòng)成型法，高度自動(dòng)化，一次成型，周期短，精度高，與設(shè)計(jì)模型之間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，更適合樣品組裝件的生產(chǎn)和制造。
3．功能驗(yàn)證:我公司為某摩托車(chē)廠制作250型雙缸摩托車(chē)汽缸頭。這是一款新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，用戶(hù)需要10件樣品進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)。該零件具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)機(jī)加工無(wú)法加工，只能呆用鑄造成型。整個(gè)過(guò)程需經(jīng)過(guò)開(kāi)模、制芯、組模、澆鑄、噴砂和機(jī)加等工序，與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相同。其中僅開(kāi)模一項(xiàng)就需三個(gè)月時(shí)間。這對(duì)于小批量的樣品制作無(wú)論在時(shí)間上還是成木上都是難以接受的。我們采用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，以精鑄熔模材料為成型材料，在快速成型機(jī)上僅用5天即加工出該零件的10件鑄造熔模，再經(jīng)熔模鑄造工藝，10天后得到了鑄造毛坯。經(jīng)過(guò)必要的機(jī)加工，30天即完成了此款發(fā)動(dòng)機(jī)的試制。
4．快速鑄造:在制造業(yè)特別是航空、航天、國(guó)防、汽車(chē)等重點(diǎn)行業(yè)，共基礎(chǔ)的核心部件一般均為金屬零件，而且相當(dāng)多的金屬零件是非對(duì)稱(chēng)性的、有不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件。這些零件的生產(chǎn)常采用鑄造或解體加工的方法。在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機(jī)加工的方法來(lái)完成的，有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整，不僅周期長(zhǎng)、耗資大，而且從模具設(shè)計(jì)到加工制造是一個(gè)多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過(guò)程，咯有失誤就會(huì)導(dǎo)致全部返工。特別是對(duì)一些形狀復(fù)雜的鑄件，如葉片、葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等，模具的制造是一個(gè)難度更大的問(wèn)題，即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備，在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍有很大困難?？梢栽O(shè)想，如果遇到此類(lèi)零件的試制或小批量生產(chǎn)，其制造周期、成本及風(fēng)險(xiǎn)是相當(dāng)大的。
激光快速成型技術(shù)已被證明是解決小批量復(fù)雜零件制造的非常有效的手段。迄今為止，我們己通過(guò)激光快速成型成功地生產(chǎn)了包括葉鈴、葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、泵體、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等千余仕掃盤(pán)鉆件 我們將快速成型與鑄造工藝的結(jié)合稱(chēng)為快速鑄造工藝。圖5給出了快速鑄造工藝與傳統(tǒng)鑄造工藝的比較。由于快速鑄造過(guò)程無(wú)須開(kāi)模具，因而大大節(jié)省了制造周期和費(fèi)用。圖6是采用快速鑄造方法生產(chǎn)的燃?xì)舛?dòng)機(jī)S段，零件直徑80Omm，高410m們，按傳統(tǒng)金屬鑄件方法制造，模具制造周期約需半年，費(fèi)用幾十萬(wàn)。用快速鑄造方法，快速成型鑄造熔模7天(分6段組合)，拼裝、組合、鑄造10天，費(fèi)用每件不超過(guò)2萬(wàn)(共6件)。用快速成型方法生產(chǎn)的新型坦克增壓器的鑄造熔模，我們用5天時(shí)間就完成了37件蠟?zāi)５纳a(chǎn)，使整個(gè)試制任務(wù)比原計(jì)劃提前了3個(gè)月。
5．翻模成型:實(shí)際應(yīng)用上，很多產(chǎn)品必須通過(guò)模具才能加工出來(lái)。用成型機(jī)先制作出產(chǎn)品樣件再翻制模具，是一種既省時(shí)又節(jié)省費(fèi)用的方法。發(fā)動(dòng)機(jī)泵殼原型件產(chǎn)品用傳統(tǒng)機(jī)加工方法很難加工，必須通過(guò)模具成型。據(jù)估算，開(kāi)模時(shí)間要8個(gè)月，費(fèi)用至少30萬(wàn)。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)有誤，整套模具就全部報(bào)廢。我們用快速成型法為該產(chǎn)品制作了塑料樣件，作為模具母模用于翻制硅膠模。將該母模固定于鋁標(biāo)準(zhǔn)?？蛑?，澆入配好的硅橡膠，靜置12·20小時(shí)，硅橡膠完全固化，打開(kāi)模框，取出硅橡膠用刀沿預(yù)定分型線劃開(kāi)，將母模取出，用于澆鑄泵殼蠟型的硅膠模即翻制成功。通過(guò)該模制出蠟型，經(jīng)過(guò)涂殼、焙燒、失蠟、加壓澆鑄、噴砂，一件合格的泵殼鑄件在短短的兩個(gè)月內(nèi)制造出來(lái)，經(jīng)過(guò)必要的機(jī)加工，即可裝機(jī)運(yùn)行，使整個(gè)試制周期比傳統(tǒng)方法縮短了三分之二，費(fèi)用節(jié)省了四分之三。
6．樣品制作：制造產(chǎn)品替代品，用于展示新產(chǎn)品，進(jìn)行市場(chǎng)宣傳，如通訊、家電及建筑模型制作等。
7．工藝和材料驗(yàn)證:快速制作各種蠟?zāi)?，用于精鑄新工藝和新型材料的摸索、驗(yàn)證以及新產(chǎn)品制造所需輔助工具及部件的試驗(yàn)。近無(wú)余量精鑄葉片的實(shí)驗(yàn)品。首先按不同收縮率用成型機(jī)一次制作幾個(gè)葉片蠟?zāi)?，然后涂殼、編?hào)、失蠟鑄造。將所得葉片鑄件進(jìn)行測(cè)量，反復(fù)幾次即可確定不同材料無(wú)余量精鑄收縮率，為批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。如果用開(kāi)模具的辦法進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，其費(fèi)用和周期都將大大增加。發(fā)動(dòng)機(jī)高速渦輪，要求材質(zhì)高，鑄件密實(shí)。使用激光快速自動(dòng)成型機(jī)，制作精鑄用蠟?zāi)Ｋ膫€(gè)，編號(hào)涂殼，使用不同配比特殊合金，分別澆鑄，對(duì)所得四件樣品進(jìn)行測(cè)試，分別加以比較分析，即確定材料最佳配方。從制模到取得結(jié)果僅需一個(gè)月。
8．反求工程與快速成型:成型機(jī)成型的一件摩托車(chē)的前面板樣件，面板上包含了一個(gè)前大燈和二個(gè)側(cè)燈的外罩，它們與面板構(gòu)成一個(gè)完整的曲面。這是一個(gè)用反向工程進(jìn)行零件詳細(xì)設(shè)計(jì)的典型實(shí)例。整個(gè)工藝過(guò)程是首先由模型工根據(jù)摩托車(chē)的整體形象要求用油泥制作概念模型，經(jīng)評(píng)審滿(mǎn)意后用三座標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行數(shù)值化，測(cè)量數(shù)據(jù)用Pro/E軟件的Scantools模塊進(jìn)行整理并轉(zhuǎn)換成曲面模型，再轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型并進(jìn)"細(xì)節(jié)"計(jì)。糟加筋、孔和車(chē)孔的輪廓
等結(jié)構(gòu)，最后由成型機(jī)制作出樣件模型，經(jīng)過(guò)打磨和噴漆的處理后裝在摩托車(chē)上進(jìn)行外觀、裝配等檢驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程從完成三座標(biāo)測(cè)量到得到樣件僅用一周時(shí)間。此時(shí)得到的樣件模型巴不同于最初的油泥模型，而成為與實(shí)際零件壁厚、尺寸一致，筋、孔等結(jié)構(gòu)齊全的零件模型，這比油泥模型無(wú)疑是一個(gè)很大的進(jìn)步。如果這時(shí)需對(duì)模型進(jìn)行修改，只需在CAD系統(tǒng)上就可完成。當(dāng)模型的外觀和細(xì)部結(jié)構(gòu)確定無(wú)誤后，就可利用最后的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和加工.
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