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3D打印技术在工业设计中的应用

  3D打印技术在工业设计中的应用
 
 
  3D打印技术的原理,重点讨论了与快速成型相关的技术,并试图将此技术充分应用于产品设计评价。以期缩短产品的开发周期。
 
  引言
 
  跟着科技提高和全球市场一体化的形成,现在产业正面对产品的生命周期越来越短的题目,作为一种新产品开发的重要手段,快速成型能够迅速将设计思惟转化为产品的现代提高前辈制造技术。它为零件原型制作、新设计思惟的校验等方面提供了一种高效低本钱的实现手段,进步产品研发的效率。
 
  1、快速成型技术原理
 
  在产业产品设计过程中,设计师往往希望能快速由三维CAD模型,得到产品的什物模型,快速成型技术可以知足这种需求。快速成型(Rapid Prototyping。RP)技术是一种基于离散,堆积成型思惟的新型成型技术,它根据零件或物体的三维模型数据,快速、精确地制造出零件或物体的实体模型。
 
  2、枢纽技术
 
  2.1 制造工艺
 
  目前,世界上已有几十种不同的快速成型工艺方法,比较成熟的就有十余种。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparmus,SLA)、叠层实体系体例造法(Laminated Object Manufacturimg,LOM)、熔融沉积法(Fused Deposilion Modeling,FDM)、选择性激光烧结法(ive Laser Sintering,SLS)和3DP(Three Dimensional Primingand Gluing也称3DPG)五种方法,在世界范围内应用最为广泛。
 
  对于RP制造工艺的研究,一方面是在原有技术基础长进行改进,另一方面是研究新的成型技术。新的成犁方法,如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。
 
  2.2 成型材料
 
  成型材料是决定快速成列技术发展的基本要素之一,它直接影响到原型的精度、物理化学机能以及应用等。与RP制造的4个目标(概念型、测试型、模具型、功能零件)相适应,使用的材料不同,概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高,主要要求成型速度快。如对光固化树脂,要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求,以知足测试要求。假如用于装配测试,则对于材料成型的精度还有一定要求。模具型要求材料适应详细模具制造受求,如对于消失模锻造用原型,要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有较好的力学机能和化学机能。从解决的方法看,一个是研究专用材料以适应专门需要;另一个是根据用途分类,研究几类通用材料以适应多种需要。
 
  2.3 加工精度
 
  影响成型件精度的主要因素有两方面:一是由CAD模型转换成STL格局文件以及随后的切片处理所产生的误差;二是成型过程中制件翘曲变形,成型后制件吸入水分,以及因为温度和内应力变化等所造成的无法精确预计的变形。
 
  为了解决第一类题目,正在研制直接切片软件和自适应切片软件。所渭直接切片是不将CAD模型转换成STL格局文件,而直接对CAD模型进行切片处理,得到模型的各截面层轮廓信息,从而可以减少三角面近似化带来的误差,所谓自适应切片是快速成型性能根据成型零件表面的曲率和斜率自动调整切片的厚度,从而得到高品质的光滑表面。
 
  为解决第二类题目,正在研究、开发新的成型方法、新的成犁材料及成型件表面处理方法,使成型过程中制件的翘曲变形小,成型后能长期不乱不变形。
 
  2.4 与RP技术相关软件
 
  软件是RP系统的灵魂,其中作为CAD到RP接口的数据转换和处理软件是其枢纽。不同CAD系统所采用的内部数据格局不同,RP系统无法逐一适从,这就要求有一种中间数据格局既便RP系统接受又便于不同CAD系统天生,STL格局应运而生了,STL文件是用大量空间小三角形面片来近似迫临实体模型。因为STL格局具有易于转换、表示范围广、分层算法简朴等特点,为大多数商用快速成形系统所采用,现己成为快速成形行业的产业尺度。但是,STL模型也存在很多不足之处:
 
  2.4.1 精度不足
 
  因为STL模型用大量小三角形面片来近似迫临CAD模型表面,造成STL模型对产品几何模犁的描述存在精度损失,并且在对多张曲面进行三角化时,在曲面的相交处往往产生裂痕、孔洞、笼盖及相邻面片错位等缺陷。
 
  2.4.2 数据冗余度大
 
  STL模型不包含拓扑信息,三角形面片的公用点、边单独存储,数据的冗余度大。跟着网络时代的到来,STL模型数挺冗余大的不足也使其不利于远程RP的数据传输,难以有效支持远程制造。
 
  3、快速成型技术的应用
 
  3.1 在外观及人机评价中的应用
 
  新产品开发的设计阶段,固然可借助设计图纸和计算机模拟,但并不能展现原型,往往难以做出准确和迅速的评价,设计师可以通过制作样机模型达列检修的目的。传统的模型制作中主要采用的是手工制作的方法,制作工序复杂,手工制作的样机模型不仅工期长,而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸,因而其检查外观及人机设计公道性的功能大打折扣。快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模璎榻比较可以更直观地以支物的形式把设计师的创意反映出来,利便产品的外观造型和人机特性评价。
 
  现在的快速成刊加工得到的成型件都足单一颜色,颜色主受由材料决定,为了对产品色彩外观进行评价,有时需费手工涂色,跟着彩色成型技术的发展,这方面的题目可以解决。人机评价主要包括成型件尺寸及操纵宜人道,快速成型可以很好地知足这方面的要求。
 
  3.2 在产品结构评价中的应用
 
  通过快速成型制成的样机和实际产品一样是可装配的,所以它能直脱地反映出结构设计公道与否,安装的难易程度,使结构工程师可以及早发现和解决网题。因为模具制造的用度一般很高。比较大的模具往往价值数十万乃至几百万,假如在模具开出后发现结构不公道或其他题目,其损失可想而知。而应用快速成型技术的样机制作可以把题目解决在开出模局之前,大大进步了产品开发的效率。
 
  3.3 与反求工程结合
 
  反求工程(Reverse Engineering,RE)也称逆向工程,就是用一定的丈量手段对什物或模型进行丈量,然后根据丈量数据通过三维几何建模方法重建什物的CAD数字模型,从而实现产品设计制造过程。对于大多数产品来说,可以在通用的二维CAD软件上设计出它们的三维模犁,但是因为对某些阴素,如对功能、工艺、外观等的考虑,一些零件的外形十分复杂,很难在CAD软件上设计出它们的体裁模型,在这种情况下,可以通过对模型测屋和数据处理,获得三维实体模型。
 
  作为一种新产品开发以及消化、吸收提高前辈技术的蕈要手段,反求工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模趔,可以先通过反求工程,获取模型的三维实体,经由对三维模型处理后,使用快速成型技术,实现产品的快速复制,缩短了产品开发周期,大大进步产品的开发效率。
 
  4、绐束语
 
  快速成础技术可以大大缩短产品的开发周期,知足产品的个性化、多样化需求,在产业设计中得到广泛应用。但因为该技术的制作精度、强度和耐久性还不能知足工程实际的需要,加之设备的运行及制作本钱高,一定程度上制约着RP技术的普遍推广。跟着研究的不断深入,制约快速成型发展的因索会逐步解决,应用领域会不断得到拓展。
 
 
 
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