重庆大学先进制造技术课程论文
重庆大学先进制造技术课程论文
汽车制造领域的柔性制造技术应用
学 生：王 光 成
学 号：20084124
指导教师：何 乃 军
专 业：材料成型与控制工程
重庆大学材料学院
二O 一一年六月
快速原型制造及加速产品概念设计进程
摘要：
快速成型（RP ）技术是一种集计算机、数控、激光和材料技术于一体的先进制造技术。通过介绍快速成型系统的原理方法和特点，阐述其工艺特点及开发和应用，探讨快速成型技术在现代制造业中起到的重要作用和产生的巨大效益，分析快速成型技术的优点和缺点。针对目前概念设计阶段产品模型的不可见特点，提出了一种机械创新设计与制造验证一体化的概念设计理念，它将先进制造技术中的快速成型技术融入到传统的概念设计中去，可以大大减少产品在概念阶段存在的缺陷，进而减少整个产品的开发成本和周期，使整个产品的设计趋于合理。 关键词：概念设计；快速成型 ；RPM
1, 、前言
当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于CIMS （Computer IntegratedManufacture System）、并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因。
快速成型（Rapid Prototyping ）技术正是在这种时代的需求下应运而生的。它是由三维CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。
概念设汁是产品设计中最关键、最复杂、最具综合性、决定性和和创造性的阶段，其重要性体现在两个方面：首先概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，此外，据有关资料显示，虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5％，却决定了产品总成本的70％。而且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误，它严重影响到产品设计与开发。
快速成型是利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。它能根据产品的三维模型数据，不借助其他工具设备，迅速而精确地制造出该产品，集中体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、刨、磨等多种机加工设备和各种工装、模具，成本既高又费时间。一个比较复杂的零件，其加工周期甚至以月计，很难适应低成本、高效率的要求。快速成型能够适应这种要求，因此是现代制造技术
的一次重大变革。
2、快速原型的原理及特点
快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD 模型，对于不同的工艺要求，按照一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底到顶完成零件的制作过程。它是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成形、 材料增加成形技术以及它们的集成的总称。其工作原理可以概括为以下几步： ① 切片 将在CAD 工作站上完成的三维CAD 模型转化为RP 系统能够接受的
格式（绝大多数为.STL 格式），运用切片软件将模型切成一系列指定厚度的薄片。
② 扫描 通过数控装置控制激光（或其它作业装置）在当前工作层上扫描
出切片的截面形状，这个步骤随工艺的变化较大，主要有液体光聚合物固化、激光烧结、激光切割、喷墨粘结和曝光成象等。
③ 进给 为了进行下一层的成型，需要把成型材料覆盖在当前层上，大多
数是移动放着半成品的工作台重复进行步骤② 和③，直至零件完全成型。 ④ 后处理 如进行后固化或烧结、渗透等处理，以适应不同应用的需要。 RP 技术有以下特点及优越性：
（1）快速性，从CAD 设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，可节约70%时间以上。
（2）低成本，与产品的复杂程度无关，一般制作费用降低50%，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。
（3）制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
（4）适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造（Free Form Fabrication），原型的复制性、互换性高。
（5）具有高柔性，采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度并满足一定功能的原型和零件。
（6）高集成化，RP 技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等一体化的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化、与CAD 模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时制造与修改，实现设计制造一体化。
（7）加工过程中无振动、噪声和废料，可实现无人值守长时间自动运行。
3、快速原型的工艺及特点
迄今为止，国外、国内已经开发成功了十多种成熟的快速成型工艺，其中商品化比较好的主要有SLA 、LOM 、SLS 、FDM 、TDP 等原理的快速成型系统。
3.1 立体光固化成型法
立体光固化成型法（SLA ，Stere-lithographyApparatus ）以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光束按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂层产生聚合（固化）反应，从而形成零件的一个薄层截面，最后将形成好的所有薄层截面进行固化以形成整体零件。
SLA 工艺的优点是精度高， 可以控制在0.01mm ，表面质量好；原材料利用率接近100%，能够制造形状特别复杂、精细的零件；缺点是需要设计支撑，原材料价格昂贵，可以选择的材料种类有限，加工成本高；制件容易发生翘曲变
形。
3.2 分层实体制造法
分层实体制造法（LOM ，Laminated ObjectManufacture）是将单层涂有热熔胶的纸片通过加辊加热粘结在一起，利用上方的激光切割器按照CAD 分层模型所获数据，用激光束切割形成零件。该法无需设计支撑，只需切割轮廓，无需填充扫描，制件的翘曲变形小，制造加工成本低。但是表面质量差，废料分离麻烦，材料利用率低，种类有限，后处理难度大。
3.3 选择性激光烧结法
选择性激光烧结法（SLS ，Selective LaserSintering）是利用激光器对热塑粉末进行分层烧结固化堆积成形零件。其优点是原型件机械性能好，强度高；无需设计和构建支撑；成型材料选择性广泛，并且利用率高（100%）；缺点是制件精 度低，表面粗糙，需要后处理。
3.4 熔融沉积成型法
熔融沉积成型法（FDM ，Fused DepositionModeling）是将丝状材料在喷头中加热至略高于熔点（比熔点高1℃左右），呈半流动状态，从喷头中挤压出来，很快凝固，形成精确的层，层层相叠，最后形成整体。其优点是材料利用率高， 材料成本低，可选材料种类多，速度快。缺点是精度低，悬臂件需要支撑，且成型加工中易堵丝。
3.5 三维印刷系统法
三维印刷系统（TDP ， Three DimensionalPrinting）是使用专用粉末材料和粘结剂，用类似打印喷头在一层铺好的粉末材料上有选择地喷射粘结剂，在有粘结剂的地方粉末被粘结在一起，其他地方仍为粉末，这样层层粘结形成空间实体。TDP 法的优点是成本低，速度快；主要问题是表面粗糙。
4、产品的概念设计方法
4．1产品设汁的设计程序
关于产品的设计过程和模型国内外已经有很多的论述，文献I31将其归纳为主要的三种方法：一是Pahl 和Beitz 认为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。二是Koller 认为：机械设计分为产品规划、功能 十、定胜设计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规划、方案设计、详细设汁和改进设计等四个阶段。并提出在产品的设计的过程中主要重视的是功能和定性设计。
4．2产品的概念设计方法
产品的设计过程可以概括为两步，即：概念设计和构型设计。而其中概念设计的目的是制定出方案。当前，关于产品的设计方法和概念设计方法已有很多种，当T 程师面对一项计划时，经验是产生概念设计的最佳方法。没有经验的工程师可以从传统的理性化方法出发来解决问题，如利用在表一种所列 的方法。尽管关于应用于方法概念设计的方法众多，这些方法大多是理性化的方法。
5、快速成型技术实现概念方案
在机械工程中，快速成型技术是建立原型来验证相关的没计是否成功。验证“成功”的设计有很多的方面，包括：正确的外形和尺寸，足够的强度等等。不同的原型类型需要回答这些不同的问题。快速成型的领域已经发展成为自动的系统，即可以将计算机实体模型转化为三维人造物，不管结构多么复杂。因此该技术也叫做“分层加工”或者“实体的任意制作”。传统的零件成型方法是利用模具或刀具使材料成型，快速原型零件制造技术则利用激光等物理手段，向用户提
供物理原型，快速修改设计方案，从而大大减少了新产品开发前期的时间和费用，不受零件几何形状的限制，能够制造出常规加工技术无法实现的复杂几何形状的零件。在机械制造、航空航天、汽车、建筑、医学、美术、考古等众多领域的应用越来越广泛。当制作的模型较大时可以分割成几个部分分别加工然后再将其粘结起来。
当前快速成型技术在机械中主要用于制造模具和金属零件，由RP 直接做出注塑模等，大量应用实例表明，RP 技术缩短产品开发时间降低开发成本的效果是极其明显的。例如美国Pratt&Whitney实验室于1994年制造了2000个铸件，按常规方法约需700万美元，而用RP 方法，只用了60-~70万美元，生产时间节约了70％-90％ 。
前面提到在产品的概念设计中一般不进行具体设计，但对于在概念设计阶段产生的致命错误将会直接影响到产品以后的设计阶段以及产品本身，特别是对于在创新设计中产生的多个方案的选择，实际模型将更具有说服力。虽然RP 技术有一定的制作费用，会增加产品在概念设计阶段的费用，但是概念设计决定了产品总成本的70％。因此，从整个产品来说是有利的。
利用RP 技术加工模型的优点不仅在于加工普通制造方法无法实现的模型，对于一些常用件来讲也有其独特的优势，在概念设计阶段，方案往往需要反复的修改，而普通加工技术需要大量的时间，但RP 技术则可以大大减少模型的加工时间，而且目前很多的三维软件绘图都是参数化的，如Pro ／E 、CATIA 等，因而可以非常方便地进行修改。另外，还可以加工一系列的带有运动副的构件和相应是连接件，由于产品的概念设计并不要求具体的参数，因此可以将其广泛应用与多个产品的设计中去。技术人员可以对所设计的机械装置方案进行任意的组合和创新，使整个设计过程更加直观有效，并且将大大推进机械产品概念设计的模型化进程。
6、结语
随着CAD 与CAM 结合的不断紧密，产品的开发周期将大为减小，因此也对产品初期的概念设计提出了新的要求。将先进的RP 技术应用于概念设计中方案的实现无疑将利于整个产品的开发，使概念设计更加趋向合理。虽然增加了产品在概念设计阶段的费用，但从整个产品的设计的过程来说是有利的，并且将大大减少产品实现阶段的费用。
快速成型技术是一种正在不断完善的先进制造技术，具有广泛的应用前景。目前RP 技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛，我国仅仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机，但是在质量和数量以及应用领域方面，都比不上国外。总之快速成型技术（RP ）是当今制造业赢得市场的法宝，快速成型技术以其独特的优势和魅力，在制造业领域起到越来越重要的作用，并将给制造业带来深远的影响。
参考文献：
1、孙维峰，快速原型的原理方法及应用，福建省机械科学研究院；
2、杨德林、邹毅，新产品概念开发研究，清华大学经济管理学院；
3、陈友良、黄玉清，利用快速原型制造技术加速产品概念设计进程，中国中铁
电气化勘测设计研究院、北京国家知识产权局专利审查协作甲心；
4、赵志文、程昌折、韩秀坤，快速原型制造技术及应用，北京理工大学车辆工
程学院。