快速原型模型（共7篇）
快速原型模型 篇1
0 引言
一个好的建筑物实体模型对公司竞标时赢得项目具有重要的作用, 同时建筑模型制作也是建筑设计课程的重要教学内容之一。目前建筑模型的制作基本上还是传统的手工方式, 无法制作复杂的曲面外形等。手工制作过程大致如下:首先模型制作者阅读图纸和熟悉图纸, 为了搞清设计者意图和要求, 必须弄清建筑平面和各立面的关系、各层平面与各立面凹凸的增减关系, 构思设计和拟定制作方案;然后采用ABS塑料、有机玻璃板、纸、草等材料配以钩刀、手术刀、锉刀、砂纸、镊子、空压机、喷枪等手工工具进行制作。其制作速度慢、成本高, 难以满足急需模型的加工, 并且对制作人员的要求也较高, 需具备一定的艺术素养和相应的加工操作技术。随着劳动力成本的提高, 加工成本也越来越高;同时, 设计与制作存在脱节。一方面, 由于建筑设计者一般不是自己亲手制作模型, 而是由专门的模型制作师进行制作, 这就造成模型制作师往往难以完全领略设计师的意图, 另一方面, 使得设计师也不能及时地根据模型的满意程度进行修改设计。
随着快速原型技术应用的成熟, 快速原型技术慢慢深入到了各行各业的新奇产品开发, 其应用的广泛性, 也被誉为第三次工业革命的领航者。快速原型技术运用于建筑模型的制造可以有效地克服上述传统制作模式的局限。
1 快速原型技术基本原理
快速原型 (Rapid Prototyping, RP) 技术是20世纪90年代发展起来的, 集机械工程、CAD、反求工程技术、数控技术和新材料等技术最新成果为一体的零件原型制造技术。它不同于传统切削加工技术中的刀具或磨具, 将工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做减法, 逐渐达到图样的技术要求, 而是采用数字化方法, 将离散的材料一层一层逐渐累积做加法, 来达到图样技术的要求。由于它利用零件的CAD模型数据直接生成产品原型, 因此可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型, 从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种快捷、高效、低成本的实现手段。随着计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广, 快速成型技术已经得到广泛应用。
2 使用快速成型技术打印建模模型的优点
由于建筑设计的日益复杂, 传统的模型制作已经不能满足设计师的需求。在国外, 快速原型技术已经成为建筑设计师不可缺失的工具。使用快速成型技术打印建模模型, 可以达到以下目标:
2.1 赢得项目
赢得建筑项目虽然有很多途径, 但我们大多数时候必须自己去争取它们。当开始一个新的项目的时, 为了更好的交流, 首先必须不理清自己的想法。传统的二维图纸数量较大, 不利于思路的整理。一个三维打印模型在这点上是非常实用的。虽因为一般来说, 人们需要花费大量的时间看图纸以了解一项建筑设计。而通过平面图纸想像出建筑的三维形象的能力却往往需要大量的训练和经验才能获得。虽然建筑的三维效果图非常直观但它仅仅只是作品最后的外观照片而已, 容易使建筑设计师的想法定形, 反而失去了更多的改进空间。一个三维打印模型恰好可以实现在项目设计过程中实时交流想法并改进的优点, 这是与客户沟通的过程中是非常必要的。
2.2 初步设计之整体规划
一个建筑物不可能自己矗立起来, 它总是有背景的。即使它矗立在空旷的土地之上, 这片土地也是它的背景。一项好的设计必然是将此考虑在内, 并且对此做出处理。因此在城市初步设计阶段, 设计师必须充分考虑好这些。做到这点的一条非常好的途径就是通过3D打印技术制作建筑全景式模型, 比如可以随意转换组合的模型。这样做的优点在于, 你只需要通过不同的组合来改变设计规划, 不需要反复从头开始。如图1所示。
2.3 建设细节规划
随着建筑项目的进度, 3D模型的性质也变了。之前已经确定了初步的宏观想法, 紧接着便要优化细节了。室内设计往往涵盖了硬件、表面材料和装饰材料。设计师通常需要使用3D打印机制作出1:1的等比例的专门设计的室内特征模型 (如图2所示) , 作为向客户展示并确认设计是否真的符合客户心意的方式。
2.4 提升教学效果
建筑模型制作作为培养学生三维空间想象力、造型设计能力和动手能力的必修课程, 是师生进行方案讨论、体形分析、细部推敲等过程的重要手段。学生在这一阶段的学习中, 一方面通过对建筑模型的空间组成分析, 使学生对建筑空间得到进一步认识;另一方面通过模型的制作, 能够培养学生建筑设计的空间思维意识和方法, 建立从二维的平面设计到三维的立体空间设计的思维方法的转换。在构思的每一个阶段中, 建筑模型对开拓设计思维、变换设计手法、提高设计认识起着积极的作用。
3 设备选择与建筑模型制作
目前市场上的快速原型设备的种类很多, 按照工艺分类, 可以分为五种:光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法、三维立体打印和熔融沉积制造法。不管是哪种快速成型技术, 都有其优势所在, 建筑的快速成型可以根据实际情况选择一种或多种工艺来完成, 以尽可能地仿制原物的材质、颜色和外形, 再加上一定的后处理, 如着色、搭建等, 即可完成最接近真实的建筑模型。
在选择成型设备的时候需要对各方面的技术参数进行综合的考虑。
1) 成型速度:快速原型设备的成型速度是选择的一个重要的因素, 目前市场所有的这类设备对于建筑模型来说都要数小时。对于上班族的建筑设计师而言, 可以利用晚上通宵的时间来制作设计的模型。因此成型的速度可以不用过多的考虑。
2) 成型的精度:成型的速度和精度是一对不可调和的矛盾。作为展示交流用的建筑模型来说对精度的要求一般不高, 大多数的设备均能够满足。
3) 设备分辨率:分辨率不同于精度, 它决定了设备所能制造出的最小细节。因为建筑模型都是等比例缩小, 所以, 尺寸比较小的细节特征很有可能因为制作模型的设备的分辨率低而丢失掉, 进而严重影响了公司的竞标等。所以选择设备的时候尽可能的选择分辨率高的设备。目前市场上的分辨率高的设备可以达到小于0.1mm。
4) 色彩:如果在制造成型的时候能一起把建筑物外表的颜色也一起呈现出来将是非常完美的设备。目前的各种工艺设备中只有三维立体打印能够真正的实现空间不同点的不同颜色制造。然而它可以拥有的调色板还是非常有局限性的, 与我们所需要的色彩有偏差。色彩相差甚远的模型显然是不能拿给客户交流用。此外, 在建筑设计模型上, 一种颜色代表一种材料。通常我们为一个项目做出模型, 之后的讨论一般都是围绕设计本身的可塑性而不是什么材料。色彩只会使我们的讨论分心。所以虽然我们仍然希望彩打的功能, 但是它在我们寻找合适的快速成型机的过程中还是显得不那么重要了。
用快速原型技术制作建筑模型的步骤如下:
(1) 使用三维建模软件如3D MAX等设计建筑数字模型 (如图3所示) 。设计时需要注意法线的方向、最小墙体厚度、最小细节尺寸。确定最小物体的边界尺寸大于10mm*10mm*10mm, 确保物件体积大于0.25立方厘米。
(2) 导出为stl格式的文件。
(3) 按楼层分层制作或者整体制作, 如图4所示。
(4) 去除支撑材料。
(5) 增加强度, 上色等。
制作一个模型需要的设备可能不止一种, 因为每种设备都有自己的优势所在。图5为著名建筑的旅游纪念品, 其建筑基地采用熔融挤压技术制作, 建模结构使用SLS技术制作, 屋顶采用3DP技术制作, 多种技术发挥各自优势, 协同合作, 挖掘出建筑设计领域的无限潜力。
4 结语
建筑模型是竞标时取得项目与否的关键之一, 是与客户交流成功的保障。传统手工制作建筑模型不仅时间周期长、成本高, 而且也设计者之间存在严重脱节。基于快速原型技术的建筑模型制作可以分楼层的、整体的进行成型, 省去手工的麻烦, 制作非常复杂的建筑模型, 而且可以利用下班的时间让机器自动的制造, 提高制作效率和降低制作人力成本。
摘要：建筑沙盘模型作为交流的介质, 是竞标取得项目的关键。传统手工制作建筑模型不仅时间周期长、成本高, 而且与设计者之间存在严重脱节。本文提出了一种基于快速原型技术的建筑模型制作方法, 该方法只需要根据设计师的数字化建筑模型, 就可以分楼层的、整体的进行制作。该不仅可以制作非常复杂的建筑模型, 而且可以提高制作效率和降低制作人力成本。
关键词：建筑模型,快速原型,分辨率
参考文献
[1]洪惠群, 杨安, 邬月林.建筑模型[M].中国建筑工业出版社, 2007.
[2]胡庆夕, 林柳兰, 吴镝.快速原型与快速模具实践教程[M].北京:高等教育出版社, 2011, 8:11.
[3]朱季平.快速成型技术在现代制造业中的应用研究[J].装备制造技术, 2011, 8:10-13.
[4]高长征.建筑模型制作课程教学模式改革探讨[J].华北水利水电学院学报:社科版, 2012 (2) :184-187.
[5]田化, 赵红利.宙斯M-300激光雕刻机在建筑模型制作过程中的应用[J].福建建筑, 2011 (8) :26-28.
[6]刘捷, 马驰.房屋建筑模型教具制作探讨[J].武汉工程职业技术学院学报, 2010 (1) :77-80.
[7]http://site.douban.com/112017/room/871854/[OL].2014-9-29.
[8]http://www.shejiqun.com/Article-topic_by Id-id-54.html[OL].2014-9-30.
汽车门把手的快速原型制作 篇2
快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。原称为快速原型 (Rapid Prototyping) 技术, 国际上简称为“RP”技术。
快速成形技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、激光加工技术、分层制造技术 (SFF) 、增材制造技术 (MAP) 等多种现代先进制造技术的集成。快速成形技术是一种利用三维CAD的数据, 通过快速成形机直接驱动, 将材料逐层堆积获得三维实体原型的现代制造技术。快速成形技术系统的基本流程如图1所示。
2、快速原型制作的实验条件
用于本制作的设备为MEM-350快速成形设备一套, 如图2所示。
MEM-350快速成形机属于熔融沉积制造 (FDM) , 此方法不采用激光器, 而是利用特殊的喷头挤压熔融的丝材实现成形。喷头在计算机的控制下, 按照三维CAD模型的分层数据沿x-y方向移动。丝状材料在喷头中被加热熔化, 从喷头中挤压出来并很快凝固成一薄层, 每层厚度为0.1025~0.762 mm, 层层叠加并牢固地连结在一起, 最后形成实体零件。本设备选用的成形材料是ABS丝, 成形室最大成形空间为350mm×350mm×450mm。成形精度达到0.2mm, 成形产品具有一定的强度, 适合成形中、小塑件。
3、快速原型件的制作及处理工艺
3.1 快速原型件的制作
3.1.1 快速原型件制作工艺过程如下
(1) 打开成形机及电脑电源; (2) 启动图形处理软件AURORA, 导入STL文件, 在AURORA软件选择成形方向及分层处理, 转; (3) 化为CLI文件; (4) 启动Cark软件, 调入需成形的CLI文件; (5) 系统初始化, 启动温控系统, 工作台清理、调平、对高; (6) 检查系统温度, 检查喷头喷丝状况及喷丝质量; (7) 成形件加工; (8) 成形件保温; (9) 成形件后期处理。
3.1.2 快速原型件的成形方案研究
依照成形速度快、用丝少和成形过程稳定等原则, 首先要调整好模型的加工方向, 如图3所示。其中 (a) 图显示的加工方向, 用时长, 支撑较多, 且加工过程中容易导致制件倾斜或倒塌。而 (b) 图中显示的加工方向比较合理, 故选用此成形方案。模型成形方向确定后, 设置支撑角度值为45, 交叉率的值为0.2, 点击分层, 并获得模型的CLI文件。然后打开cark软件, 调入模型的CLI文件, 初始化系统, 点击造型进行加工时间预估, 待喷头温度与成形室温度达到要求后, 调平工作台并对高, 便开始造型。
3.2 快速原型件的后处理工艺
快速原型件的后处理工艺对于快速样件的质量影响较大。快速原型件的质量优劣直接决定着快速模具、快速样件的表面质量和尺寸精度。快速原型件从快速成形设备中取出之后, 首先要切除基本支撑, 然后用锉刀或砂纸等工具进行打磨。为了使原型件表面情况或机械性能等方面满足最终需求, 保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求, 还应该使用浸泡过水的细砂纸对原型件再次进行打磨, 直至快速原型件的表面精度达到要求。除对原型件打磨之外, 后处理工艺中还包括原型件的修补、清洗、抛光和表面强化处理等。经处理后的汽车门把手原型件如图4所示。
4、结语
快速原型模型 篇3
丽水市人民政府在“丽水市快速制造技术服务中心筹建工作专题会议纪要”中指出“…快速成型技术是衡量一个国家或设计制造技术水平和能力的重要标志,各有关部门要从加速丽水制造业升级,实现核心竞争力和跨越发展的高度来认识推广应用快速制造技术重要意义…”。龙泉青瓷作为丽水市特色支柱产业,承担着开拓创新的艰巨任务,为传统青瓷产业注入新科技,改进传统青瓷复杂设计与制作工艺,加快青瓷快速制造产业形态转型,推进龙泉青瓷快速发展。该文运用基于Free Form快速成型技术,构建快速设计与制作开发模式,并通过青瓷快速设计实例说明该技术对加快推进青瓷产业快速制造的作用。
2 Free Form设计系统
Free Form触觉式设计系统是一套基于“虚拟油泥”和“力反馈技术”的造型设计系统。基于3D Touch技术,使用者可以通过视觉和触觉结合来完成复杂3D模型的构建。Free Form系统为设计者和建模者创建原始模型或修改数据提供了一个快速且经济有效的方式。
2.1 系统结构
Free Form触觉式设计系统主要由触觉设备PHANTOM和Free Form Modeling Plus建模软件构成。设计者通过使用触觉设备PHANTOM中的操作杆来雕刻Free Form Modeling Plus软件中的“虚拟油泥”或“数字黏土”,对模型实现生长、拉伸、削减、旋转、镜像、上色等操作。设计者所使用的操纵杆在软件中的坐标定位接触数字黏土并对其进行雕刻的时候,能够明显的感觉到操作杆反馈过来的阻力,具有沉浸感良好的用户体验和设计,从而更具真实地设计并创造产品的新造型,加快产品开发的效率。系统的结构图如图1所示。
2.2 系统兼容性
Free Form系统同时支持stl、step、iges、和bmp等输入输出格式,通过该系统设计的3D模型导出stl格式模型直接导入到3D打印软件可直接打印出3D模型。同时可兼容多种3D建模软件,例如3ds max软件、Auto CAD软件和UG建模软件等。采用灵活交叉建模方式可缩短建模过程所需的时间,也可以为建模过程中遇到一些难以解决的问题提供了更多的解决办法。
3 模型实例
本文以龙泉青瓷模型设计为实例,展示快速成型技术在快速开发模式中实际应用效果。传统青瓷具有技巧性和艺术性的手工艺,其制作工序一般要经过设计、练泥、成型、修坯、装饰等过程,在成型之前需反复修改,制作工艺非常繁琐,在细节处理方面取决于设计师的手艺。通过基于Free Form快速成型技术能够大大提高青瓷设计和制造效率,同时在细节处理方面具有良好的效果。
3.1 建立基本模型
如果对现有的作品进行建模,首先对青瓷作品拍摄上、下、前三个面,然后从File工具下面Import to plane导入2D图片,其三视图如图2所示。
打开物件清单(Object List),将黏土粗糙度(Clay Coarseness)调整为ADD Detail(1mm)。按“F5”切换至上视图,点选Create Plan新增绘图平板,并参照背景上视图的青瓷瓶口绘制瓶口和瓶颈两个正圆。按“F2”切换至正视图,把瓶颈的正圆拖到相对应的位置。同时,在主工具界面上点选Sketch On进入2D绘图功能,依据青瓷的边缘轮廓画线段,使用命令复制一条外部轮廓线,使青瓷具有一定的厚度,最后将断面线的线段封闭并绘制一条中轴线。绘制好的轮廓线图如图3所示。
选择PiecesNew Piece创建一个空的黏土层,点选Spin Clay功能,先选择断线面,再选择中轴线将青瓷模型制作出来。青瓷的基本模型如图4所示。
3.2 模型修饰
模型的修饰包括模型印章和纹理雕刻和修饰等,主要通过浮雕来实现。首先制作印章和青瓷纹理的图片,然后制作成透明通道。使用3D Curve绘制出浮雕的区域,为避免3D轮廓线脱离实体,使用“fit curve”命令将3D线附着在青瓷表面上。选择Emboss With Wrapped Image,然后点选绘制在3D模型表面上的曲线。在出现对应功能的选项中选择所要绘制浮雕的透明通道图,设置浮雕高端,确认后即可完成青瓷印章和纹理的制作(如图5)。在产生浮雕前选择用影像模式预览,待影像位置、大小、角度等调整无误后,将冰裂纹理赋给青瓷,最后将黏土粗糙度(Clay Coarseness)调整为ADD Detail(0.5mm),完成整个青瓷的制作(如图6)。将整个模型导出STL格式,输入到快速成型机器可得到模型原型。
3.3 模型渲染
完成整个模型构建以后,选择进入Rendering工具栏,点击设置材质。点击设定灯光,灯光类型主要有Point(点光源),Spot(聚光灯),Infinite(日光灯)三种类型,这里选择Spot灯光,设置好灯光颜色、照射范围、灯光质量后,得到最终的渲染效果图和青瓷原型对比效果如图7所示。
4 结论
基于Free Form快速成型技术在一定程度上改变了传统制造业的生产方式,采用现代化和数字化的设计与生产方式,不仅在视觉上和触觉上提供了直观逼真的设计方式,而且提高了产品的设计和生产效率,通过结合地方特色产业,可进一步推广到石雕、机械零部件等产业,为促进地方经济的发展做出应用的贡献。
参考文献
[1]百度百科.FreeForm[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/3863545.htm.
[2]徐人平.快速原型技术与快速设计开发[M].北京:化学工业出版社,2008:19-22.
[3]陈龙,王坤茜,徐人平,等.基于FreeForm系统的玩偶设计开发[J].陕西科技大学学报,2010,28(2):149-153.
快速原型模型 篇4
概念设计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。
为此本文提出将快速成型技术与机械产品的概念设计结合起来, 在产品的设计初期的概念设计阶段就能够在尽可能少的时间内得到产品的雏形, 将大大有利于对方案进行验证和改进, 并产生更合理方案。这些无疑将大大减少产品在后续的设计阶段存在的缺陷, 使整个设计过程更加趋向合理。
2 产品的概念设计方法
2.1 产品设计的设计程序
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[3]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、功能设计、定性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、详细设计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。
2.2 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, 当工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出的方法。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。
3 计算机辅助概念设计
近年来, 随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入, 现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。计算机辅助概念设计 (computeraided conceptual design, CACD) 已成为CAD/CAM和CIMS领域的一个研究热点。
CACD是CAD领域的一个重要分支。它涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、CAD技术以及认知与思维科学。CACD系统是一种辅助性的设计工具, 随着功能的逐步强大, 它必然越来越受到概念设计师的欢迎, 而在概念设计过程中最终替代传统的CAD系统。
传统的CAD系统虽能产生复杂、精确和完整的三维造型, 但由于其本身并不是为概念设计而开发的, 同时缺乏设计方法学的支持, 没有体现概念设计的创造性过程。另外, 它存在许多约束限制, 不允许快速输入和再现不完备的概念造型, 从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化 (草图化) 绘图工具, 而非辅助设计工具。针对上述情况, 产生了CACD系统。其根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。
目前, 世界上大型的CAD/CAM/CAE软件系统, 如Pro/Engineer、EDSUnigraphics、EU-CLID、Autodesk、Solidworks、Alias、Softimage等, 都提供了有关产品早期设计的系统模块, 称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块。
4 快速成型技术实现概念方案
4.1 快速成型技术
在机械工程中, 快速成型技术是建立原型来验证相关的设计是否成功。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, 图1为用RP技术制作的汽车模型。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。图2为一较大零件分割为可用RP技术制造的零件示意图。
一个快速成型系统包括计算机辅助设计系统、自动处理单元和自动制作机, 如图3所示。并且整个过程的接口在于CAD系统中三维模型的输入, RP系统接受Stl和.iges文件。而目前的很多的CAD三维软件都具有实现这些文件的功能, 如pro/e和AutoCAD等。在1996年底的统计中, RP所使用的软件在前几位的分别是:Pr/E (58%) , UngraPhy (20%) , SDRCI-DEAS (12%) , Computervision (9%) , CA-TIA (6%) , AutoCAD (4%) 。而目前这些软件在国内的也有一定的使用和普及程度, 一些高校的相关专业还开设了相应的课程, 这也大大有利于快速成型技术的推广和普及。
4.2 利用RP技术实现产品的制作
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。
4.3 机械产品制作实例
在机械概念设计中产生的原始方案一般比较简单, 一些方案干脆由构件和运动副组成。如图4 (a) 为Stewart并联机器人的结构简图。其包括了六条支链, 每条支链包括了两个球面副和一个移动副, 机构整体自由度为6。机器人中的球面副利用传统的加工方法相当困难, 而机器人整体用RP技术制造, 则简单了很多, 只需要提供相应的三维实体模型, 便可以在快速成型机上完成, 图4 (b) 为用RP技术加工的机器人模型图。
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, CA-TIA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。
5 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。
参考文献
[1]关立文, 黄洪钟, 赵正佳等.机械产品概念设计:综述与展望[J].机械设计.2001 (8) :1-9.
[2]邹慧君, 汪利, 王永石等.机械产品概念设计及其方法综述[J].机械设计与研究.1998 (2) :9-12.
[3]孙守迁, 包恩伟, 陈蘅等.计算机辅助概念设计研究现状和发展趋势[J].中国机械工程, 1999, 10 (6) :697-701.
[4]潘云鹤.智能CAD方法与模型[M].北京:科学出版社.1997.
[5]黄树槐.快速原型制造技术的进展[J].中国机械工程.1997, 8 (5) :8-12.
[6]檀润华, 王庆禹.产品设计过程模型、策略与方法综述[J].机械设计, 2000 (11) , 1-4.
快速原型模型 篇5
目前,采用DSP和FPGA等处理器实现直线电机的控制时[1,2],先设计制作硬件电路板,然后进行手工软件编程以实现控制算法,但是这种方式存在以下不足:①硬件电路板制作周期长;②DSP和FPGA的处理速度有限,比通用PC的CPU处理速度慢;③手工软件编程耗时耗力,而且易出错。快速原型控制系统能够使控制系统设计者在实际控制器硬件做出之前,先在通用的实时硬件平台上快速实现控制算法,以验证和测试控制方案的可行性,从而提前发现并修正错误,缩短开发周期,降低研发费用。
目前已经有一些快速原型控制系统,如NI公司的Compact RIO、Single-Board RIO和dSPACE公司的dSPACE实时仿真系统,很多学者利用这些快速原型控制系统研究电机控制算法。文献[3]运用dSPACE实时仿真系统对基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制算法进行了验证;文献[4]用Compact RIO搭建了一种新型的直流无刷电机控制系统;文献[5]利用Compact RIO搭建了一套永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)硬件在环实时仿真平台。但是上述几种快速原型控制系统采用的都是专用硬件,开放性不强,而且价格极其昂贵。本文介绍的基于xPC Target的直线电机快速原型控制系统的硬件平台为通用PC机(及其兼容机)和I/O采集卡,具有开放性强、CPU运算速度快以及成本低的特点,结合MATLAB/Simulink强大的控制系统分析设计能力和自动代码生成功能,可以直接、快速地实现PMLSM的控制算法——带有跟踪微分器的非线性PID控制算法,并对该控制算法进行验证和测试。
1 直线电机快速原型控制系统硬件结构
直线电机快速原型控制系统硬件结构如图1所示,包括5个部分,各个部分的功能如下:
(1)宿主机。
运行MATLAB/Simulink,实现控制算法的建模和仿真,并利用xPC Target工具包等实现控制算法的自动代码生成,同时通过网线实现对嵌入式PC目标机的代码下载、控制和数据通信。
(2)嵌入式PC目标机(PC104规格)。
执行由宿主机下载的控制算法代码,实现PMLSM的实时控制,同时通过网线和宿主机通信。
(3)AD/DO卡和光栅尺接口卡。
均采用PC104总线结构,直接插在工业PC中。AD卡用来采样PMLSM的电流,光栅尺接口卡采样PMLSM的速度和位置,DO卡输出脉宽调制波。
(4)功率驱动板。
主要包括单相整流单元和IPM逆变单元,实现功率放大。
(5)直线电机(PMLSM)。
被控对象。
构建完整的直线电机快速原型控制系统,除了要具备上述硬件,还需要在宿主机的Simulink环境下搭建控制算法模型,然后利用自动代码生成工具和xPC Target工具包自动生成控制算法的代码,并通过网线下载到PC目标机中,再通过I/O板卡连接功率驱动板和PMLSM。
2 PMLSM非线性PID控制器设计
基于跟踪微分器(tracking differentiator,TD)的PMLSM非线性PID控制系统结构如图2所示,主要由以下几部分组成[6]:
(1)输入跟踪微分器。
根据PMLSM的最大速度和最大加速度安排过渡过程,给出速度指令的过渡量和微分量。
(2)输出跟踪微分器。
滤除速度反馈测量的噪声,有效提取PMLSM速度及其微分信号。
(3)非线性PID控制器。
计算出速度指令和PMLSM实际速度的误差,并由误差的比例、积分和微分的非线性组合得出控制量。
2.1 跟踪微分器设计
工程上常采用一阶或二阶向后差分法计算信号的微分,但当信号被噪声污染时,这种方法有很明显的噪声放大效应,甚至会淹没正常的微分量[7]。采用跟踪微分器,一方面可以跟踪输入信号,同时还可以很好地计算被噪声污染的输入信号的微分量。
离散域TD如式(1)所示[5]。输入量为r(k),输出x1(k)在加速度λ的限制下以最快的速度跟踪输入r(k),x2(k)为输入r(k)的微分。
式中,h为计算步长;λ为速度因子,其值越大TD的跟踪速度越高;h0为滤波因子,其值越大,TD的抗噪性能越好;f(x1,x2,λ,h0)为离散域最速控制综合函数[8]。
式(1)～式(4)完整地定义了离散域的TD。输入TD的参数需要根据PMLSM的最大速度和最大加速度通过仿真来确定,表1是PMLSM的相关参数和仿真后确定的输入TD的相关参数。
2.2 非线性PID控制器设计
通过上述输入TD来安排过渡过程,可以给出速度给定量v*的过渡量v1及其微分v2;通过上述输出TD可以得出PMLSM速度的跟踪值z1及其微分z2,那么误差e1、误差的积分e0和误差的微分e2可以表示为
非线性PID控制器根据e0、e1和e2计算出控制量u的表达式[9]:
u=k0F(e0,0.25,δ)+k1F(e1,0.75,δ)+
k2F(e2,1.5,δ) (6)
从式(6)和式(7)可以看出,非线性PID控制器需要确定的参数有k0、k1、k2和δ,通过仿真得到最佳的参数值:k0=1.1,k1=1.35,k2=2.3,δ=0.2。
3 系统实验结果分析
在MATLAB/Simulink中搭建了如图3所示的PMLSM控制系统仿真模型,控制算法采用带有跟踪微分器的非线性PID,系统实物平台如图4所示(对应于图1)。控制系统采用宿主机/目标机的方式,目标机为PC104规格的嵌入式工业PC;AD/DO板和光栅尺接口板也采用PC104总线结构,直接插到工业PC上用以实现直线电机电流、速度和位置的采样以及脉宽调制波(pulse width modulation,PWM)生成;驱动板用来实现功率放大,以驱动直线电机。
为了利用MATLAB的自动代码生成工具RTW(real time workshop)来生成运行在嵌入式工业PC目标机控制器上的PMLSM控制算法代码和I/O板卡的驱动代码,需要对图3所示的仿真模型做进一步处理,加入d轴电流PID控制器模块、空间矢量PWM(space vector PWM, SVPWM)模块等,并添加AD/DO板和光栅尺接口板的驱动模块,这样生成的代码中才有驱动这些板卡的程序,目标机才能操作这些板卡来采集PMLSM的电流和速度,并驱动功率驱动板。处理之后可以直接生成代码的系统模型,如图5所示。
在模型文件的参数设置中,设置解算器为步长0.1ms的定步长ode3解算器,设置RTW工具的系统目标文件为xpctarget.tlc,并选中“创建代码生成报告”的选项,然后利用RTW生成图5所示系统模型的PMLSM控制算法和I/O板卡的驱动代码,并最终生成可以下载到目标机上运行的dlm文件。利用xPC Target工具可以将dlm文件通过网线下载到目标机上,并能控制程序的运行状态,并将目标机处理器的数据上传至MATLAB中作图分析。
图5中的速度指令模块对PMLSM施加频率为2Hz的±1m/s方波速度指令,经过目标机实时计算1s后,得到图6、图7所示的实验结果。
图6所示为-1～1m/s方波速度指令响应曲线,PMLSM在0.08s时间内由静止加速到1m/s,在0.12s时间内由1m/s减速到-1m/s,并且均无超调。可见,PMLSM在有限时间内快速、平稳、无超调振荡地跟随速度命令。
图7所示为非线性PID控制器计算出的控制量。从图7可以看出,非线性PID控制器能根据PMLSM速度指令实时调节对PMLSM的控制输入量,以实现PMLSM的伺服控制。
给PMLSM施加1m/s的阶跃速度命令,分别在0.2s和0.6s突加和突减50N负载,得到图8所示的实验结果。可以看出,当突加和突减负载时,非线性PID控制器能根据负载扰动自动补偿得出控制量,最终控制直线电机能在0.2s左右的时间内稳定至1m/s的给定速度,速度的波动量仅为0.05m/s左右(5%)。
4 结语
本文以嵌入式工业PC为控制器,配以数模转换板、数字量输出板和光栅尺接口板及功率驱动板,搭建了直线电机快速原型控制系统硬件平台,并在Simulink中建立了PMLSM带有跟踪微分器的非线性PID控制系统仿真模型,利用RTW和xPC Target工具箱生成了控制算法和I/O板卡的驱动代码,实现了PMLSM带有跟踪微分器的非线性PID控制系统。实验结果证明,这种基于xPC Target的直线电机快速原型控制系统能够直接、快速地实现并验证在Simulink中建立的控制算法,具有很高的灵活性,而且PMLSM中带有跟踪微分器的非线性PID控制系统具有很好的动静态特性和抗扰性。
参考文献
[1]陈幼平,张代林,艾武.基于DSP的直线电机位置伺服控制策略研究[J].电机与控制学报,2006,10(1):61-65.
[2]Kung Ying Shieh,Huang Chung Chun,Chuang TzuYao.FPGA-realization of a High-performanceController for PMLSM Drive[C]//IEEE Interna-tional Conference on Industrial Technology.Cheng-du,China,2008:1-6.
[3]刘颖,周波,方斯琛.基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制[J].中国电机工程学报,2010,30(9):80-85.
[4]徐惠,肖功海,亓洪兴.基于Compact RIO的直流无刷电机控制系统[J].电子设计工程,2011,19(11):128-131.
[5]王振滨.永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台[J].仪器仪表学报,2010,31(4):376-380.
[6]Su Y X,Zheng C H,Duan B Y.Automatic Disturb-ances Rejection Controller for Precise Motion Con-trol of Permanent-magnet Synchronous Motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(3):814-823.
[7]韩京清.从PID技术到“自抗扰控制”技术[J].控制工程,2002,9(3):13-18.
[8]武利强,林浩,韩京清.跟踪微分器滤波性能研究[J].系统仿真学报,2004,16(4):651-652.
快速原型模型 篇6
3D打印作为一种新型的快速成型技术, 越来越多地受到人们的关注, 己经开始对我们的生活产生全面影响, 这项技术所涉及到的产业包括医疗、工业制造、航空、电路板等等多方面, 对于少量生产、个性定制、样品研发等方面有非常大的发展空间[1,2,3]。但是, 到目前为止, 将3D打印技术应用到文化旅游领域, 特别是旅游工艺品的生产上面, 还是一个崭新的课题。2014年在第六届中国国际旅游商品博览会上, 陕西省推荐的以高新3D打印技术制作的镂空秦韵马灯, 引起了参会者极大的兴趣, 是目前我国国内首件将3D打印技术与旅游工艺品相结合的作品[4,5]。
课题以苗族泥哨为例, 在完成三维扫描及逆向建模的基础上, 对三维数字模型进行改进设计, 最后应用快速原型构造技术制造样品。实例过程与结果表明, 将CAD/CAM、3D打印技术应用于曲面复杂的工艺品保护与开发, 能有效地缩短周期、提高效率, 为民族工艺品的数字化保护与开发提供了新途径。
1 选择泥哨快速成型生产的策略
1.1 传统加工工艺和快速制造工艺
快速成形技术简称为RP或RPM (RAPID PROTOPY-ING/RAPID PROTOTYPI NG MANUFACTUREING) 也叫作快速原型制造技术, 原理是材料堆积法是近几十年来制造领域的一个重大研究成果。快速成形技术集CAD技术、分层制造技术、逆向工程技术、数控技术、激光技术等多种工艺技术为一体, 无需像传统制造技术那样需要模具、刀具和卡具[6]。它直接处理产品设计即CAD数据, 采用分层制造, 逐层叠加的加工原理, 迅速制造出新产品的样件和模具。可将快速成形技术形象的比喻成“立体打印机”在此过程中STL格式的三维CAD实体模型数据被自发、直接、迅速、准确地制造成实体零件或模具。
快速原型制造技术极大程度的缩短了新产品的研发周期, 同时提高了产品质量降低了研发成本, 为新思路的验证、零件原型的再现等诸多方面提供了高效率低成本的实现方法, 可考虑作为接下来泥哨的模型制作方法。
1.2 几种快速成型方法的对比
世界上第一台SLA快速成形机由美国3D公司在20世界80年代末推出, 至今已形成了十余种不同的成形系统。自1991年起, 众多高校如清华大学、华中科技大学等在RPM设备及软硬件和成形材料方面做了相当多的研究, 并研制出了多种快速成形系统。现今国内能形成规模生产的方法主要有5种:熔融沉积成型法 (FDM) 、选择性激光烧结法 (SLS) 、光敏液相固化法 (SLA) 、叠层实体制造工艺 (LOM) 和三维打印成型 (3DP) [7]。
1.3 泥哨原型构造的方案
贵州泥哨多注重头部特征, 形态夸张、形状迂回复杂、特征突出;周身造型简洁洗练, 但表面具有装饰性的雕刻纹样或和图案, 特征细小繁复 (如图1所示) 。泥哨底部留有回气孔, 内部有空腔。这些特征, 要求在选择泥哨原型构造方案时, 综合分析对比各种快速成型方法, 以求最优方案。
单在加工制造方面, SLS和3DP方法具有明显的优势。
光敏液相固化法具有很好的精度和光洁度, 因此表面质量非常好, 几乎能够完全利用原材料, 可生产形状复杂和结构精细的零件。然而, 此技术具有一定的局限性, 比如材质不结实、工作台移动频繁、后处理复杂、需要操作者具有较高的能力。此技术一般应用在验证装配设计过程中。
叠层实体制造工艺该方法的缺点是无法完成太复杂零件的加工, 可用材料种类少, 无法调整每一层的厚度, 精度较低。
3DP的成型方式同SLS有一定的相似之处, 不同之处是3DP将SLS中的激光用喷射结合剂取代, 在铺好的粉末状材料上选择性喷射粘合剂, 被喷区域材料粘结, 其他区域不发生改变, 以此逐层粘结后即得到一个空间实体, 清除残留粉末, 烧结获得实体零件。相比于SLS, 3DP在精度和速度方面都有所提高, 而且易操作、小型化、成本低。所以本课题通过综合对比, 选择3DP打印方式来完成泥哨最后的模型构造。
2 泥哨曲面向实体模型的转换化
论文利用基于三角网格NURBS曲面重构的方法, 得到光滑拼接的泥哨NURBS曲面[8,9], 如图2所示。但生成的NURBS曲面还只是曲面模型。要进行接下来的快速原型构造, 还需把曲面模型转换为三维实体模型。具体转换步骤如下: (1) 把泥哨模型以.igs格式导入UG8.0, 采用“插入→组合→缝合”命令, 把泥哨的曲面模型转化为三维实体模型。 (2) 得到泥哨的三维实体模型, 以.STL格式导出文件。为接下来的模型制造做准备。
3 样品的改进设计
建立了工艺品数字化模型以后, 结合美学、市场等因素, 对产品进行再次设计。这种设计方法, 将极大的缩短工艺品的设计周期, 减少工艺品设计成本。
本次改进设计主要针对原模型面部特征不够立体化进行改进, 新设计添加了眼部、嘴及鼻子的立体化, 同时尾部翘高且稍许偏斜, 使得样品更加生动、可爱。在本实例的基础上, 可以进一步设计一系列表情和造型不一的样品, 这里不再深入讨论。
4 泥哨的快速原型构造
4.1“Objet30睿智”三维打印机
将上一步得到的泥哨实体模型, 转换为STL文件输出。最后导入objet studio系统, 利用‘Objet30睿智’三维打印机进行原型制造。
“Objet30睿智”三维打印机其工作原理是:打印机通过读取文件中的横截面信息, 用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来, 再将各层截面粘合起来从而制造出一个实体模型。该工艺可使用7种具有不同级别的物理和机械特性 (强度和韧性) 的打印材料, 其中主要材料是:刚性清晰透明材料、耐高温材料和类聚丙烯材料。该工艺技术具有速度高、弹性大、成本低、携带方便、兼容性强、分辨率和精确度高 (±0.1mm) , 几乎可以造出任何形状的物品。
4.2 泥哨的快速原型构造
启动软件, 导入STL格式的模型文件, 调整模型在打印框里的位置便可以打印样件。打印过程中, 软件一边做模型的切片文件, 一边传送数据给打印机进行打印。具体步骤如下:
(1) 打开objet studio软件界面, 以.STL格式导入如理好的泥哨三维实体模型。
(2) 利用命令设置打印模型的大小比例, 在实验中设置的实体模型与原件模型的比例为0.5, 如图3a所示。
(3) 利用placement命令, 调整泥哨模型打印的最佳位置, 如图3b所示。
(4) 经validate命令检测后, 没有出现未封闭曲面的问题, 模型合格。按build命令建立打印请求。
(5) 关闭打印系统。取出泥哨三维打印模型如图4所示。
5 结语
3D打印作为一种先进的新型快速成型技术, 必将带来我国民族工艺品生产工艺的创新, 改变我国民族工艺品制作工艺中存在的一些不足, 但是作为一种前沿的科学技术, 将其应用在工艺品的生产中同样存在着一些问题。例如快速原型制造技术与其它配套技术, 如逆向工程与CAD建模系统等的集成还很不够, 目前主要是通过标准的数据格式进行数据交换, 难以在设计修改过程中进行实时的交流进而达到互相补充、相互促进的效果。
工艺品的快速成型不同于其他零件, 由于其表面有装饰性的雕刻纹样或和图案, 结构特征细小、繁复, 在进行3D打印时, 很难保证工艺品外表面装饰花纹的精度。所以在民族工艺品的快速成型中, 即保证模型曲面连续性和光顺性又保证精确再现工艺品原貌, 还需进一步的研究, 这也是快速成型技术应用于民族工艺品的重点研究课题。
摘要：民族工艺品作为重要的非物质文化遗产, 对其进行数字化保护、创新设计与开发具有重要的现实意义。传统方法对复杂曲面的工艺品进行保护与开发存在一定的局限性。针对这一难题, 课题从贵州民族工艺品 (泥哨) 着手, 综合对比分析现有几种快速成型方法, 利用3D数字建模、与3D打印技术, 开展面向民族工艺品3D打印关键技术的研究。实现设计制造一体化, 将整个过程数字化、自动化与三维模型直接关联, 所见即所得, 工艺品随时制造与修改;同时缩短工艺品开发周期, 降低其开发成品。
关键词：民族工艺品,数字化,快速成型,创新设计,3D打印
参考文献
[1]王忠宏, 李扬帆, 张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横, 2013, 01:90-93.
[2]黄烽坚, 封小影, 黄昊.3D打印技术应用前景展望与分析[J].中国卫生质量管理, 2014, 02:53-55.
[3]李小丽, 马剑雄, 李萍, 陈琪, 周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表, 2014, 01:1-5.
[4]张荣红, 熊玮, 张楠.3D打印技术在传统工艺表现中的应用研究[J].宝石和宝石学杂志, 2015, 01:45-49.
[5]张盼盼, 蒋正清.基于3D打印云平台的旅游纪念品开发设计[J].设计, 2015, 04:20-21.
[6]卢秉恒.激光快速原型制造技术的发展与应用[J].航空制造工程, 1997 (7) :15-18.
[7]陈永华, 殷国富.快速原型制造技术的集成应用方法[J].机械与电子, 1998 (5) :9-12.
[8]张翠翠, 古文全, 李英.基于逆向工程的黄平泥哨的数据采集[J].贵州科学, 2015, 04:35-40.
快速原型模型 篇7
关键词：数控加工,快速磨具,工艺
一、工艺路线
该工艺根据经过精确误差补偿的CAD数据, 由数控加工设备快速加工出精密成形专用的蜡模、泡沫塑料模或者可加工高分子材料模具, 由精密铸造工艺制得金属模具成品或者半成品。
(1) 模具设计及误差补偿在得到产品的三维CAD模型后, 根据产品的特征进行模具的工艺及结构设计。在模具设计过程中, 重点要考虑前期误差补偿。笔者对整个制造系统的误差链进行了分析, 其中, 影响最终模具产品精度的主要因素有原型数控加工误差、铸造成形误差及后精整处理误差, 这些误差都可在模具的CAD数据中进行前期补偿。对于大型模具的模具设计, 设置好工艺参数之后, 可以采用模拟软件进行工艺数值模拟, 以实现对工艺的优化。
(2) 原型的数控加工数控加工的最大特点在于:一是可以极大地提高精度;二是加工质量的重复高, 可以稳定加工质量, 保持加工零件质量的一致性。另外, 还具有便于设计变更, 加工柔性强的特点, 便于进行快速模具设计。与常见的金属材料相比, 专用原型材料的数控机械加工具备不同的特点, 需要从材料的选择、工件装夹、刀具、加工工艺等多方面予以注意, 以获得尺寸精度高、表面质量好的原型。
(3) 精密铸造工艺为了将原型转换过程中的精度损失控制在最小、使精度的补偿控制简单化, 还必须选择合适的精密铸造技术来获得金属模具。常用的精密铸造方法有:石膏型精密铸造、熔模精密铸造、冷硬树脂砂型铸造、陶瓷型精密铸造等, 应结合模具的结构、尺寸大小及使用要求进行选择。对中小型铝基模具产品, 笔者选用石膏型精密铸造;对小型模具及型芯, 选用熔模精密铸造;对大型模具, 选用转移涂料冷硬树脂砂型铸造。
二、原型材料选用及其加工工艺
(1) 原型材料的选用在基于数控加工原型的快速模具制造工艺中, 专用原型材料是影响质量的关键因素。其性能既要满足精密铸造的要求, 又要满足数控机械加工的要求。笔者开发出了泡沫塑料基及石蜡基两大类专用原型材料, 泡沫塑料基专用原型材料的主要性能, 石蜡基专用原型材料的主要性能。
泡沫塑料基专用原型材料适用于大中型尺寸、形状较简单的模具, 石蜡基专用原型材料适用于小型尺寸、形状较复杂的模具。有时将两种不同专用原型材料组合起来使用, 以发挥各自优势。
(2) 原型材料的加工工艺泡沫塑料是多孔蜂窝状组织, 比重轻、质地软, 强度低以及导热性差, 其加工过程和金属加工不相同, 在挤压过程中容易在组织的薄弱处断裂, 或造成泡沫颗粒的剥落, 使被加工表面粗糙不平, 只能按“剥离”的原理来进行加工。切削泡沫塑料的刀具不能采用切削金属和木材的刀具, 而应选用刃口薄而锋利的专用刀具。其加工设备主要有铣床、车床、内、外圆砂带磨床和手推平刨床等;还有台式泡沫塑料线锯机、振动式泡沫塑料刨板机和电热丝切割机等专用设备。为了确保模样的尺寸精度和表面粗糙度, 一般应将板状泡沫塑料坯料先在手推平刨床或电热丝切割机上刨割出平直的基准平面, 然后再选用合适的方法进行精加工。
铣削加工是数控加工中最常用的一种方法, 主要用于加工平面、曲面、内孔和圆角等。泡沫塑料加工表面的质量很大程度上取决于铣刀的结构以及铣削方法和工艺参数。在加工泡沫塑料时, 应根据设备和加工要求选用不同的铣刀和工艺参数, 如果刀具和参数选择不当, 就容易发生泡沫颗粒的剥落现象或被加工表面拉毛。在铣削平面时, 主轴转速一般为1500~3500 r/min, 以3000 r/min为宜。而加工圆角、内圆时, 常控制在2700~4200 r/min, 以4200 r/min为宜。在数控铣削过程中, 经过较长时间的加工以后, 会有粘刀的现象出现, 容易在加工表面产生圆弧形的拉毛痕迹。因此在加工过程中也必须经常清理刀刃, 这同样也会影响切削效率。切屑泡沫塑料模样出现粘刀现象的主要原因是:泡沫塑料的导热性很差、软化温度低, 刀刃稍有发热就会使熔融状态的聚苯乙烯粘附在刀刃上。对石蜡基专用原型材料, 切削刀具也应选用刃口薄而锋利的专用刀具。铣削加工主轴转速一般以1800~2000r/min为宜。
三、模样表面质量的控制
泡沫塑料模型的表面质量除了与加工方法、切割刀具的结构、操作者的技巧和发泡工艺有关之外, 还与模样材料聚苯乙烯珠粒的组分、泡沫塑料的比重和孔径的致密程度, 以及模具的结构和表面粗糙度、模样的冷却方式和发泡剂有关。因为只有适宜的密度和合理的发泡工艺才能得到孔径致密、均匀的泡沫模样, 才能加工出表面光洁的零件曲面型面。
四、结论
应用上述技术, 配合多家企业进行了新产品开发。实践证明, 基于数控加工原型的快速模具制造工艺, 结合了数控加工工艺和精密成形技术的优点, 与传统机械加工模具工艺相比, 节省了昂贵的机械加工费用, 缩短了制造周期;与激光快速原型技术相比较, 可以不必购置昂贵的专用快速原型机而采用通用数控加工设备, 有利于快速模具技术在中小企业的推广。
参考文献
[1]Steven Ashley.From CAD art to rap id metal tool[J].Mechanical.Engineering, 1997, 119 (3)
[2]Smart R F.Investment Casting:A World View[J].INCAST, 2001, (2)