快速原型开发平台（共8篇）
快速原型开发平台 篇1
快速成型技术 (Papid prototyping, 以下简称RP) 自80年代问世以来, 在成型系统, 材料方面有了长足的进步, 同时推动了快速制模 (Papid Tooling, 以下简称PT) 和快速制造 (Papid Manufacturing, 以下简称RM) 的发展, 90年代中末期是PR技术蓬勃发展的阶段。我国的华中科技大学, 清华大学, 西安交通大学, 北京隆源公司和南京航空航天大学等单位, 于90年代初率先开发PR及相关技术的研究, 开发, 推广和应用。到1999年, 国内已有数10台引进或国产PR系统在企业, 高校, 研究机构和快速成形服务中心运行。在国家科技部的领导和支持下, 先后成立了近十家旨在推广应用PR技术的“快速原型制造技术生产力促进中心”, 863/CIMS主题专家组还将快速成形技术纳入目标产品发展项目。此外, 有相当一部分高校将PR技术列入了“211”规划。国内投入PR研究的单位逐年增加。PR市场初步形成[1]。
一、研发基于SLS快速原型及软模工艺的依据于意义
1、快速原型技术
快速原型技术是20世纪80年代中后期发展起来的观念全新的现代制造技术, 是多个学科的技术集成, 它将计算机辅助设计 (CAD) 、计算机辅助制造 (CAM) 、计算机数字控制 (CNC) 、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一身。与传统的去除成形不同, 它是一种离散—堆积的成型过程。这种加工过程可分为前期数据处理 (亦称离散) 和后期物理过程。在离散过程中, 将三维形体的CAD模型沿一定方向分解, 得到一序列截面数据。
PR技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维体的思想雏形, 最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年, Bianthre主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模成型模和注塑模。
SLS快速原型设备采用CO2激光器作为能量源, 通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属 (或其复合物) 的粉末材料均匀的烧结在加工平面上。激光束在计算机的控制下, 通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处, 粉末烧结成一定厚度的实体片层, 未扫描的地方仍保持松散的粉末状。根据物体截面层的厚度而升降工作台, 铺粉滚筒再次将粉铺平后, 开始新一层的扫描。如此反复, 直至扫描完所有层面。去掉多余粉末, 经过后处理获得零件或样件[2]。
2、依据与意义
材料是快速原型技术的核心, 一种新材料的出现往往会使快速原型工艺机器设备结构、成型件品质和成型效益发生巨大的进步。快速原型技术的发展历史充分证明了这个道理。1987年, 当第一种商品化的快速原型机问世时, 采用的成型材料为液态光敏聚合物, 针对这种材料, 分层叠加成型的制作方法是SLA, 因此有了SLA快速原型机, 能得到看起来像塑料的成型件。然而, 随着时间的推移和技术的发展, 此后出现了纸、蜡、塑料、陶瓷复合物和金属复合物等多种成型材料, 以及与此相应的一批LOM、FDM、SLS和TDP快速原型工艺和快速原型机, 可以得到近似ABS塑料、陶瓷、金属的高性能样品或模具, 成型效率也有明显的提高[3]。
软模通常指的是硅橡胶模具, 用SLA, FDM, LOM或SLS等技术制作的原型, 再翻成硅橡胶模具后, 向模中灌注双组分聚氨酯, 固化后即得所需的零件, 调整双组分聚氨酯的构成比例, 可使所得到的聚氨酯的零件的机械性能接近ABS或PP。
二、国内外研究概况及发展趋势
快速原型技术已在家电、汽车、玩具、轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到应用。RP是利用材料堆积法快速制造产品的一项先进制造技术, 它根据产品的三维模型数据, 不借助其他工具设备, 迅速而精确的制造出该产品。RP技术的应用目的主要有生产研制、市场调研和产品使用。在生产研制方面, 主要通过快速原型制造系统制作原型用来验证概念设计、确认设计、性能测试、制造模具的母模和靠模。在市场调研方面, 可以把制造的原型展示给最终用户和各个部门, 广泛征求意见, 尽量在新产品投产之前完善设计, 生产出销售对路的产品。在产品使用方面, 可以直接利用制造的原型、零部件的最终产品.这样可以大大缩短了新产品的设计、制造周期, 提高新产品的市场竞争力[4]。
翻模成型:实际应用上, 很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻制模具, 是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工, 必须通过模具成型。据估算, 开模时间要8个月, 费用至少30万。如果产品设计有误, 整套模具就全部报废。我们用快速成型法为该产品制作了塑料样件, 作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中, 浇入配好的硅橡胶, 静置12·20小时, 硅橡胶完全固化, 打开模框, 取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开, 将母模取出, 用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型, 经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷砂, 一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来, 经过必要的机加工, 即可装机运行, 使整个试制周期比传统方法缩短了2/3, 费用节省了3/4。
这种快速成型机的工作原理与SLA相仿, 不过所用成形材料不是液态的光敏树脂, 而是粉末状的高分子材料、金属或陶瓷与粘结剂的混合物等, 粉粒直径为50-125靘, 成形时先在工作台上铺一层粉末材料, 并加热至略低于熔化温度, 然后激光束按照截面形状进行扫描, 被扫描的部分材料熔化、粘接成形, 不被扫描的粉未材料仍呈粉粒状作为工件的支撑, 一层完成成形后, 工作台下降一个层高, 再进行下一层的铺料和烧结。
优点:一是可直接得到塑料、陶瓷或金属件, 可加工性好;二是无需设计支撑。缺点:一是成形件结构疏松多孔, 表面粗糙度较高;二是成形效率不高;三是得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件, 需进行渗铜等后处理, 后处理中难于保证制件尺寸精度。
激光快速成形技术是多种先进制造技术的集成。由于不同的快速成形机具有不同的特点, 因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择, 选择中要综合考虑成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形状、以及成形件的材质要求等等, 还要权衡制作成本。
目前RP技术的发展水平而言, 在国内主要是应用于新产品 (包括产品的更新换代) 开发的设计验证和模拟样品的试制上, 即完成从产品的概念设计 (或改型设计) ———造型设计———结构设计———基本功能评估———模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制, 或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视, 甚至将产品小批量组装先行投放市场, 达到投石问路的目的[5]。部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平, 价格却便宜得多。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。
三、总结
总之, 快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展, 它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同, 更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下, RP技术可以缩短产品开发周期, 降低开发成本, 提高企业的竞争力。下面通过一些事例, 说明该项技术在产品开发过程中起的作用。
课题拟通过在华中科技大学生产的HRPS-III快速原型设备上, 对华中科技大学所开发的HB1材料进行烧结实验, 通过基与SLS烧结出来的叶轮, 翻制成硅橡胶模具后, 取出叶轮原型, 向模具中灌注蜡件和树脂件, 固化后即得到所需的原件。用制造出来的蜡叶轮与原型比较。
基于SLS快速原型的快速软模工艺与制造技术开发, 可以极大地缩短新产品的开发周期, 降低开发阶段的成本, 避免开发风险, 可修改性, 制作出来的零件精度高。
参考文献
[1]王运赣.速成型技术.武汉:华中科技大学出版社, 1999
[2]王秀峰, 罗宏杰.快速原型制造技术.北京:中国轻工业出版社, 2001
[3]卢清萍.快速原型制造技术.北京:高等教育出版社, 2001
[4]王学让, 杨占尧著.快速成型理论与技术.北京:航空工业出版社, 2001
[5]王文广.塑料改性实用技术.中国轻工业出版社, 2000
快速原型开发平台 篇2
摘要：系统地描述快速原型法在深圳地铁AFC应用系统实施过程中的应用，分析深圳地铁AFC应用系统在改进更新过程中遇到客观阻力的原因，并对采用快速原型法的两种分类途径解决实际应用情况进行阐述。关键词：轻轨铁路;自动售检票系统;快速原型法;应用
自动售检票(AFC)系统是综合技术性很强的一个专业系统，涉及到机械、电子、微控、传感、计算机、网络、数据库和系统集成等多个方面，整个系统实现具有很大难度。AFC应用系统软件是其中最具有代表性的，它不仅要集成所有售检票设备信息，还要对车票和现金等实物进行管理，涉及车站管理、收益管理和车票管理等各个环节，数据关系较为复杂，需求难以把握，开发具有一定难度，是实现AFC系统集成的关键环节。
1、AFC应用系统在开发和应用中遇到的问题
深圳地铁AFC系统的建设是在探索中前进的，作为第一个具有自主知识产权的国产化AFC系统来讲，它不断要根据实际情况做出改进。但对于这个涉及面广、层次多的庞大系统而言，达到应用系统的需求一步到位是不可能的。这就对AFC项目的使用维护方提出了高水平的要求，要在掌握到第一线的乘客需求、车站运作情况和目前应用系统软件所实现功能的前提下，提出AFC系统的改进方向。对项目的开发方而言，用户需求的多变是让开发人员头痛的问题，如何快速地根据用户需求改进软件，尽快拿出满足用户需求的软件更是增加了开发的难度。
通过深圳地铁AFC系统两年来的实际使用，其中存在的一些问题显现出来，比如，管理信息不完整，部分统计数据不能满足实际运营需要，系统功能待改进等，造成工作效率低下、人力资源浪费和运作成本提高。在此基础之上，经深入讨论研究，使用快速原型法可以使实际和应用结合的较为紧密，是解决以上问题的有效方法。
2、快速原型法技术介绍
快速原型法(Rapid Prototyping Method)是近年来提出的一种以计算机为基础的系统开发方法，它首先构造一个功能简单的原型系统，然后通过对原型系统逐步求精，不断扩充完善得到最终的软件系统。原型就是模型，而原型系统就是应用系统的模型。这个模型可在运行中被检查、测试和修改，直到它的性能达到用户需求为止。因而这个工作模型很快就能转换成原样的目标系统。
快速原型法主要包括两种开发方法：快速建立需求规格模型法和快速建立渐进原型法。
3、快速原型法在优化AFC应用
系统中的应用统的神经中枢，它实现系统运作、收益及设备维护集中管理功能。监控并管理车站AFC系统内的所有设备，采集并上传售检票设备的交易、工作状态等信息，储存并下载运营和设置参数，具备售检票设备及运营的收益管理功能，能统计、生成及打印地铁运营日的现金收益、车站管理和票卡管理等报表，具备辅助分析功能。
(1)通过快速建立需求规格模型法建立用户需求
深圳地铁AFC应用系统的优化和改进首先采用了“快速建立需求规格模型法”来确认用户需求。这种快速原型法通过建立模型反映系统的某些方面，密切用户和开发人员的关系，促进相互了解，因此，有助于获得更完整精确的需求说明书。对深圳地铁AFC应用系统而言，采用快速原型法为AFC用户需求建立一个模型，该模型是系统功能的一个子集，开发人员测试通过后将这个模型提交给用户，通过用户的测试使用可以发现这个模型是否满足预想的需求，哪些功能冗余，哪些地方需要改进。
快速原型开发平台 篇3
NI Compact RIO是快速原型的理想平台, 它是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统, 采用可重配置的I/O (Reconfigurable I/O:RIO) 和FPGA技术实现超高性能和可自定义功能。NI CompactRIO包含实时控制器和可编程的FPGA芯片, 特别适合对可靠性有严格要求的独立嵌入式或分布式应用;还包含可热插拔的工业级I/O模块, 这些模块内置信号调理可直接和传感器/制动器连接。因为CompactRIO具有低成本开放性架构, 用户可以轻松访问到底层的硬件设备。而且, CompactRIO嵌入式系统可以使用高效的LabVIEW图形化编程工具进行快速开发。
按照《电动汽车充电站通用要求》的定义, 充电站是由三台及以上电动汽车非车载充电机和 (或) 交流充电桩组成 (至少有一台非车载充电机) , 可以为电动汽车进行充电, 并能够在充电过程中对充电机、动力蓄电池进行状态监控的场所。其系统包括:供电系统、充电系统、监控系统 (包括:供电监控系统, 充电监控系统和安全监控系统) , 如图1所示。充电设备研发主要分为两部分:充电系统、监控系统。
硬件在环
硬件在环 (HIL:hardware-in-theloop) , 又称半实物仿真, 是指用硬件I/O模拟真实的受控设备行为来验证控制器的性能。监控系统作为的充电站中枢神经必须具备实时、可靠、稳定和安全的特性, 在将控制器应用到实际系统前, 最好进行硬件在环仿真实验, 该环节的引入能确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试, 以便及早地发现问题, 从而降低解决问题的成本。
监控系统实现对充电机运行和动力蓄电池充电过程的监视、保护、控制、管理和事故情况下的紧急处理, 以及数据的存储、显示和统计。监控系统和充电系统构成一个闭环系统如图2所示。
充电设备研发举例
充电站的核心是充电机, 监控系统是网络中枢, 电动汽车的电池系统是服务对象, 将快速原型和硬件在环技术一起应用到充电设备的研发系统中, 必将极大地提高研发效率, 降低研发成本。聚星仪器以LabVIEW为软件平台, 以NI的可重配置I/O为硬件平台构建了如图3所示的充电设备研发架构。
图3中各部分功能如下:
(1) 监控主站和供电监控系统
监控主站实现的功能包括:作为整个充电监控系统的监控、管理中心, 完成所有充电机信息的采集和显示, 充电机的控制和管理, 以及整个充电监控系统数据的存储、管理和统计;
供电监控系统实现的功能包括:实时采集和记录供电系统运行信息, 对供电状况、电能质量、开关状态、设备安全等进行监视和控制, 保证对充电站的安全供电。
监控主站和供电监控系统采用一台工控机来实现, 重点在软件功能。
(2) 充电机
一台cRIO设备作为充电机系统的半实物模型, 模拟充电机的各种功能, 包括控制电压输出、电流输出, 与电池系统的通信, 并接受监控主站的监测与控制。
NI C系列平台包含50多个NI模块、50多个第三方模块, 具有多种类型, 包括模拟输入、模拟输出、数字输入、计数器/定时器、数字输出和脉冲生成、CAN通信、串口通信 (包括RS232和RS485) 。
(3) 电池系统
调试过程中需要一台标准的电动汽车的电池系统, 这一部分按照《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》的要求与充电机交互通信。这一部分由一台cRIO设备作为标准的电源系统的半实物模型。
按照以上模块划分, 分别调试成功之后, 进入原型发布阶段。监控系统软件采用LabVIEW开发, LabVIEW开发系统有Windows版、MAC OS版和Linus版等多种版本, 从而支持在多种操作系统的发布。
充电机、电池系统的通信功能和控制算法验证完毕之后, 可以将原型平台直接作为发布平台, 以节省发布时间, 更快投放市场;也可以发布到其他平台, 例如性价比更高的SingleBoard RIO平台, 并且无需修改代码。
总结
作为智能电网的一部分, 电动汽车的充电是一个难题, 因为给汽车充电需要很大的电流量和大功率的电源, 产生的谐波对电网的安全和电能质量都是很大的考验。还有电子监控、充电机监控、计费计量等等智能型功能都需要来解决。电动汽车尤其是纯电动汽车要想成为主流, 首要条件就是要有便捷的充电网点。充电站将会在不久的将来代替加油站、加气站所扮演的角色, 在人们的生活中无处不在。上海聚星仪器基于NI LabVIEW软件平台和cRIO硬件平台为充电设备以及充电设施建设研发提供解决方案, 助力中国电动汽车行业发展。
摘要：NICompactRIO加上基于NILabVIEW软件平台的快速软件开发为各种快速原型和硬件在环仿真提供了有力工具。电动汽车的发展日新月异, 其中充电系统的研发迫切地需要这种快速高效的研发模式——快速原型和硬件在环。
关键词：电动汽车,智能电网,NI CompactRIO,嵌入式平台
参考文献
[1]低碳技术市场化之路:电动汽车, 2011第二届中国绿色燃料与汽车峰会
[2]电动汽车传导式充电接,
[3]电动汽车充电站通用要求,
[4]电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通讯协议,
[5]轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法,
汽车门把手的快速原型制作 篇4
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
快速原型开发平台 篇5
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.
快速原型开发平台 篇6
1 快速原型技术的概述
RP技术是基于物体分层原理来进行产品原型的制作的一种方法, RP技术的基本原理是:根据CAD/CAM技术构造出的理想物体的三维模型, 将其进行分层处理, 然后分析各层截片的轮廓数据, 利用CAD/CAM设计软件将数据原型系统的激光装置, 有选择的利用激光对物体进行切割箔材、烧结粉末、固化树脂、热熔材料等操作, 这样可以使介质行成一系列薄层, 再进行层层迭加使其形成我们设计的三维实体, 从而完成所设计的新产品三维实体模型。
2 快速原型技术 (RP技术) 的工艺方法
2.1 熔融沉积造型工艺
这是一种将各种热熔性的丝状材料 (蜡、ABS和尼龙等) 加热熔化成形方法, 它技术设备简单, 运行费用便宜, 这种工艺适用场合比较灵活, 没有毒气或化学物质的危险, 工艺相对于其它成型方法, 比较干净、操作比较简单、且不产生多余的垃圾。可以快速成型楼空模型, 原材料以线的形式提供, 相对于其它成型方法易于搬运和更快速更换。但是问题在于精度相对低, 难以成型结果比较复杂的零部件。在垂直方向上强度较小, 成形速度也较慢, 不适合构建大型零部件。这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。其原理图如图1:
2.2三维打印成型工艺
其工艺原理图如图2:
如图所示, 左侧是一个储料容器, 是材料放置在快速成型设备中的起始位置, 工作平台中间有一个平整的金属平台, 上面有一层层的粉末材料, 它由成型机的滚筒设备铺开, 由成型机打印头喷出的粘结剂进行粘接, 这种工艺的成形速度快, 运行成本也较低, 可以使用淀粉、石膏粉等常见的材料做原材料, 且废弃物较少, 任意结构和形状的零件都适用。
2.3 立体印刷成型工艺
其工艺原理图如图3:
它是快速原型技术中技术应用最广泛、最成熟的一种方法。它在工作过程中首先在成型机工作台上铺一层液态树脂, CAD/CAM软件控制的激光束依照截面轮廓做横、纵向上的激光扫描, 使轮廓内的树脂固化, 然后把工作台下降一定的位置, 在涂上一层树脂, 再进行扫描, 如此反复进行直到整个原型成形完毕。这种工艺可以成形任何形状的三维实体, 仿真性很强, 成形的精度及材料的利用率都很高。
3 RP技术在复合材料中的应用
3.1 复合陶瓷材料的制备
RP技术首先借助支撑材料把陶瓷制品内的可动件和主体联成一体, 再经过预烧工艺除去支撑材料, 然后经过烧结工艺获得陶瓷制品。虽然陶瓷制品都需要经过高温烧制工艺, 但其在制胚过程中可以在常温下进行。
3.2 高分子基复合材料的制备
有机高分子材料具有熔点低、密度小、其自身在熔融状态具有一定的粘性, 不需要外加粘结剂的特点, 所以它是非常理想的快速原型技术的材料。但是有机分子高分子材料的机械的综合性能较低, 就连高密度聚乙烯的抗压强度也只有20MPa~40MPa。所以, 一般都要掺入增强材料来组成有较高机械强度的复合材料。例如:美国用粒度3μm~6μm的玻璃纤维增强的PVC, 制备出了大量的特种模具和零件, 它们的精度高, 抗拉强度好, 且其强度是钢材的3.5倍左右。
快速原型技术在制备高分子材料时, 要注意尽管增强纤维在引出工作头前已经进行过浸胶处理, 即在增强纤维的表面涂抹一层熔融有机高分子材料, 这样可以使新原材料间的相互粘接问题得到解决。但是由于零件的形状具有多个凹槽、空洞、凸起等结构, 这就使得工作头在越过这些结构时, 有些长纤维在离开原来位置时呗自动剪断, 而到达新的位置时又自动与工件粘牢的问题。
3.3 金属基复合材料的制备
在室温或者较低的温度条件下, 高分子材料可以使工作头引出的新料和固化的旧料黏结在一起, 在常温的条件下, 陶瓷材料本身虽然不会出现黏结的现象, 但是经过塑化后的熟料和外加有机黏结剂可以让陶瓷材料黏结成胚, 但是, 这些工艺都不适合制备金属材料。
金属材料的新、旧料之间的黏合比其它复合材料的要困难和复杂。制备金属和金属基复合材料制品使用快速原型技术有快速凝固的特点。作为基体材料的金属在熔融状态时是以金属流的形式从工作头引出的, 这点和快速凝固工艺中的Taglor抽丝方法较为相似。例如:用碳纤维作增强芯料制备复合材料, 它既能够有优良的快速凝固金属的性能, 又可以制的具有综合性能的纤维增金属基复合材料。所以, 使用RP技术制备金属基复合材料是非常具有可行性的。
4 结论
RP技术突破了传统机械零件加工制造的材料成形的工艺, 它引入了自动控制学、机械工程学、计算机、材料学等多种学科的先进制造技术, 并且它在下面两个方面还有非常突出的作用, 制备高分子材料基复合材料各复合陶瓷制品方面;在解决金属材料新旧料之间的黏合问题上它使用的是局部跟踪加热技术和焊接技术, 对这个问题也有很大的帮助, 尤其是RP技术应用在复合材料成形方面, 使复合材料的发展得到了很好的前景。
参考文献
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快速原型在建筑模型中的应用研究 篇7
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
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快速原型开发平台 篇8
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
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