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【远程教育论文】浅论快速成型技术在工业产品设计中的创新应用研究(论文范本)

星级: ★★★★★ 期刊: 《包装世界》作者:张公明浏览量:5392 论文级别:最新本章主题:技术和零件原创论文: 5156论文网时间:2015年6月17日审核稿件编辑:Hilary本文版权归属:www.5156chinese.cn 分享次数:1023 评论次数: 8055

导读:现在请大家一起欣赏本篇文章技术和零件专业方面的毕业论文范文,为广大学生们写作毕业论文是提供参考帮助。

文/张公明(山东工艺美术学院)

摘要:作为制造业中新兴的多

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种技术和工艺相融合的生产方式,快速成型技术已在多种设计制造领域蔚然成风,并在生产时间和成本上体现出巨大的优势.本文从一项设计任务出发引出快速成型技术的概念,并对其原理和工艺分类进行了阐述,然后对其应用领域作了介绍,最后指出了快速成型技术的发展前景.

关键词:快速成型技术、工业产品设计

一、快速成型技术的引出

制造是一个复杂的过程,它利用各种制造资源(制造设备、设计方法、生产工艺和人力等)将有形的材料转化为生产者预想和消费者接受的有用的产品,这一过程必须在限定的时期内完成.制造技术是制造业赖以生存和发展的核心竞争力,而先进制造技术更成为各国制造业竞相发展和比拼的前沿阵地,它融合了电子、机械、信息、能源等方面的优秀成果,并将这些技术应用到工业设计、制造、检测、管理、销售、服务乃至回收的整个过程,来实现高效、优质的生产以取得理想的经济效益.

例如,A公司的设计师设计出一款造型新颖、结构复杂、形体不规则的文化礼品,其CAD数字模型已建立完成.如果使用传统的开模具方法来制造,将会用到塑料成型工艺、冲压和注塑模具技术等,其周期至少需要3周时间,费用也比较高,且产品表面的不规则曲面也难以加工.

但是,由于产品策略的调整,公司需要将设计好的该工艺礼品的数字模型在l天内制作出塑料原型样件.那么采用何种方法才能快速地将该工艺礼品的样件制作出来呢?这就需要采用一种先进制造技术—一快速成型技术来完成.

在CFM国际公司开发出的新一 动机LEAP航空发动机中,包括喷油嘴在内的一些关键零部件就是通过快速成型技术(3D打印)制造的.一款巴掌大小的喷油嘴,如果采用传统工艺,需要由20个零件组成.而3D打印使这些零件一次成型,重量减轻1/4,不仅节省了零部件装配时间,而且由于喷油嘴的一体化生产使其寿命也延长5倍,节约维护成本.再如,一汽无锡柴油机厂应用3D打印快速成型技术成功试制出柴油机测试设备铸件,试制的变速箱壳体完成最后的加工后,其材质与尺寸等技术参数经检验全部合格.采用3D打印技术可以快速打印出所有砂芯,省去开发复杂模具时间,将制造周期从半年缩短至1个月.

二、快速成型技术的原理与工艺分类

(一)快速成型技术原理

快速成型技术,自产生以来已有30年左右的发展历史,它融合了众多的学科与技术,比如数控技术、计算机辅助设计、机械工程、材料科学、激光技术.它较传统的机加工方法更快速地将设计概念实现为具有一定功能的模型或零件,从而为设计定义的发展、测试样机的功能验证等工作提供低耗、高效的生产工艺.

它是一种基于离散一堆积成型原理的新型制造方法.先由CAD软件建造出三维数字模型,然后把三维数字模型分层为二维平面信息;再将二维信息生成数控代码,驱动加工终端对材料进行逐层成型并粘接为产品形体.快速成型技术彻底摆脱了传统机械加工的“去除”加工法,而是采用全新的“增材”加工制造方法.

图1说明了快速成型技术的工艺过程.图2是快速成型技术的原理图,a为花瓶的三维数字模型,b为将数字模型分层为若干薄层,c为逐层制作,d为自动粘接成型,最后制作出模型样件.

(二)快速成型技术工艺分类

现今,快速成型的工艺方法已有数十种,其中四类最为普及:光固化立体成型法、选择性激光烧结法、熔融沉积制造法和三维打印成型法.

1.光固化立体成型法(SLA-Stereo LithographyApparatus)

光固化立体成型法的成型材料是液态光敏树脂,首先将树脂加满液槽,由PC控制激光束沿二维截面信息移动,照射到至液态树脂,以使这一层树脂固化,接着升降台下降层,已成型的层面上又铺满层树脂,然后再进行新一层的照射,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型.

2。选择性激光烧结法(SLS-Selected Laser Sintering)

选择性激光烧结法常采用金属、陶瓷、ABS塑料等粉末作为成型材料.其工艺过程是:先在工作台上均匀铺上一层薄粉,在PC控制下采用C02激光器发射的激光束有选择地进行烧结,被烧结部分固化为零件的实心部分,空心部分不烧结,仍为粉末材料.一层烧结完成后再烧结下层,新一层与前一层被牢牢烧结为一体.待所有材料烧结完成后,去除空心部分的多余粉末,便得到完整成型的零件.

3.熔融沉积制造法(FDM-Fused Dep.sitionManufacturing)

熔融沉积制造法又称为熔丝堆积制造法,它是以热塑性塑料丝(中≥1。5mm)为材料,塑料丝通过加热成型头熔化挤压为熔融态液体,由PC控制成型锥头沿零件的二维横断截面信息精确运动,使熔融塑料丝通过锥头挤出以覆盖于已成型的零件之上,并在短时间内固化.‘堆积一层丝料后,挤压头向上移动层厚距离继续熔融沉积,依次逐层堆积成为一个实体模型或零件.

4.三维打印成型法(3DP-3 Dimension Printer)

三维打印采用类石膏粉末材料成型,通过打印喷头将胶水打印在零件的截面粉末上.3DP成型工艺原理:滚筒将粉末储存桶送出的类石膏粉在加工平台上铺成一薄层,打印喷头根据产品模型的二维截面信息打印出胶水粘接粉末.成型一层后加工平台自动下降一层,储存桶上升一层,滚筒由上升的储存桶内把粉末滚至工作平台并把粉末推平,喷头再喷粘接剂,如此重复直至成型完成.

三、快速成型技术在设计研发中的作用

快速成型技术的发展对工业产品的设计、生产领域产生了革命性的影响,尤其是在产品设计创意之初以及设计的反复验证测试中发挥着重要的作用.

(一)快速成型技术可以避免设计主观失误,提升创意品质

新产品的创意初期经常带有设计者的主观喜好,但有可能是不严谨的.通过快速成型技术的运用,在创意设计的同时就能直观得到产品的预想样机模型,比仅靠三维数字模型更能发现并更正设计缺陷,更能直观地对设计细节及其与整体的关系进行评价,避免了更多的反复修改.

(二)快速成型技术可以缩短设计周期,加快新产品开发进度

对于一般产品,只有在模具验收合格后才能进行整机的装配及验收,这需要一段相当长的时间.应用快速成型技术之后,可以充分利用模具制造的这段时间进行产品部件的整体装配和功能试验,使模具争

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取一次性通过验收.这就会使模具制造与整机试验、评价工作同时进行,最大限度地提升产品的开发进度.

(三)快速成型技术可以在产品开发初期提供直观的三维实体样件

由于快速成型技术制作出的样品更直观、辨识度更强,所以在样件制作方面有非常大的优势.利用快速成型技术制作产品模型,能够使用户在产品批量生产之前便全方位地查验产品的细节与整体,及时反馈意见,给设计生产方提供更多更全面的设计生产依据.

(四)快速成型技术能够使产品在设计阶段就可进行功能试验

使用快速成型技术制作的原型可直接进行装配检验、干涉检查和模拟产品真实工作情况的一些功能试验,如运动介析、应力分析、流体和空气动力学分析等,从而迅速完善产品的结构和性能、相应的工艺及所需模具的设计.

四、快速成型技术的应用领域

目前,快速成型技术的应用领域非常广泛,并且随着新技术、新材料、新工艺的不断更新,应用还在继续拓展与深入.例如,工业产品造型设计中的概念样机模型展示,机

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械设计与制造中的零件构造应力分析,航空航天与交通工具设计中飞机与汽车的风洞试验、建筑设计中的地理信息模型与建筑构造模型,影视动画制作中的人物、角色设计,家电设计与制造中的零件功能测试,医学救助与人体器官再造,文物考古与数字保护,首饰开发设计与预制.快速成型技术的应用越来越多地囊括了人们生产与生活的方方面面:

1.一种全新的思维与开发模式因为快速成型技术的出现而使设计师们的工作方式发生改变.过去他们会受到很多来自生产流程和制造工艺方面的限制,有一些零件在没有3D打印技术的情况下很难实现.3D打印技术让这些限制消失了,给了设计师们一种全新的思维方式和更大的创作空间.

2。快速成型技术在机械设计与制造领域也显现出生产成本低、制造周期短的优势,特别是在单件生产或者是小批量产品零件生产时.

3.将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具制造的开发周期.

4.快速成型技术在医学修复与器官再造方面的应用也越来越成熟.基于医学影像数据,制作人体器官模型,造福外科手术.

5.在文化艺术领域,快速成型技术被用于艺术创作、文物修复与保护、数字雕塑等.

6.空气动力学地面模拟实验(风洞实验)对于航空航天及交通工具设计来说是不可或缺的.采用快速成型技术制作形状复杂、精度高、具有流线型特性的实体模型,为风洞实验提供有利的硬件保障.

7.快速成型技术在家电行业也得到了广泛的应用,例如美的、格力、九阳、青岛海尔等,他们都先后采用快速成型技术来开发新产品,收到了良好的效果.

五、快速成型技术的发展方向

目前,快速成型技术的基本理论构架需要充实与完善,成型方法有待进一步研究,成型材料也需要探索,快速模具技术、金属零件的直接制造水平也亟待提高.但是,还要追求更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性,使快速成型设备的安装使用外设化、操作智能化.具体说来,有以下几点:

(一)独立行进的快速成型制造领域

目前,快速概念模型制造、快速模具技术、快速功能测试模型制造及快速功能零件制造并行发展.前三者由于针对目标明确,发展方向相对独立.相对来讲,快速功能零件制造一直是快速成型技术研究的热点和最具挑战性的课题.现有的快速成型技术可以制造出ABS或金属零件,但其表面精度和内部力学性能等方面仍然很难达到真正实际零件的全部要求.所以,在今后的很长一段时间内,快速功能零件制造仍将局限于研究领域.

(二)向大型制造与微型制造进军

分析快速成型技术主导公司的产品系列不难发现,成型的模型尺寸有不断增大的趋势,但是大型模具制造的难度也很大.不过快速成型技术在模具制造领域越来越有优势,未来的快速成型技术市场肯定会被大型制造占据一定份额.与此形成鲜明对比的是,快速成型向微型制造领域进军,采用高精度激光扫描系统的微米印刷技术来制造微米零件已经成为开发微机电系统的重要手段.

(三)新的成型方法和材料

现有的快速成型方法都基于立体平面化一离散一堆积的思路,今后有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的快速成型技术,形成新的叠层成型方法,以提高模型的性能和精度,降低生产成本.另外,从快速成型技术的特点出发,可以发展全新的快速成型材料,特别是复合材料、纳米材料、非均质材料等.

(四)提高成型速度和精度

快速成型软件在生成路径代码时数据处理量很大,由CAD生成的文件向STL文件转存时也存在数据丢失和失真的问题,可以开发新的成型软件避免上述问题,提高成型速度和精度:还可以改进成型的控制系统和硬件结构以提高成型速度、控制精度和可靠性.

(五)快速成型设备的安装使用外设化,操作智能化

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由于快速成型技术已经出现了成型设备外设化的趋势,将来快速成型机的安装和使用会变得非常简单,不需要专门的操作人员.从快速成型技术的工艺过程来看,现仍存在许多策略需要人工选择:如支撑结构形式、扫描方式、大模型分割、运行参数的设定等,所以需要操作更加智能化,提高成型效率.

目前《国家增材制造发展推进计划(2014-2020年)》已经初步制定完成,对3D打印的发展目标包括:到2017年初步建立增材制造(俗称“3D打印”)技术创新体系,培育5-10家年产值超过5亿元、具有较强研发和应用能力的增材制造企业:并在全国形成一批研发及产业化示范基地等.近期,亚洲首富李嘉诚斥资1000万美元投资了一家可以3D打印肉类产品的科技公司,再次激发了人们对快速成型技术的热议.

可以预见,在不久的将来,有国家政策方面的全面保驾护航,有快速成型技术公司的不懈追求,有人们对新型技术的探索与尝试,快速成型技术将会给社会生产各领域带来翻天覆地的变化,或许人类日常衣食住行以及生活中的方方面面都离不开快速成型技术,人们的生活方式也会因此变得更加丰富多彩.

[ 参考文献 ]

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2、园林施工管理中造园艺术的应用探析(漯河市园林管理处,河南 漯河 462000)摘 要:随着我国进入现代化阶段,城市建设进程逐渐加快,相对的城市绿化面积也在不断增加,园林建设成为绿化中工艺相对复杂的工程,在营造良好

3、如何有效解决森林保护工作中遇到的问题(辽宁林业职业技术学院实验林场,辽宁 沈阳 110101)摘 要:针对目前森林保护工程中管护工程存在的问题进行分析,并尝试性提出一系列解决的对策,从而森林资源保护的力度,保障森林资

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