快速原型制造（精选8篇）
快速原型制造 篇1
1 概述
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
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快速原型制造 篇2
针对目前电动观光旅游车原型制作中存在的周期长、精度低、工作环境差等问题，通过对比分析快速成型技术与玻璃钢翻模技术的工艺特点，并在实际项目实践中对比两种工艺的优缺点，阐述和分析了采用快速成型技术对于电动观光旅游车原型制作方面带来的好处，从而提出了在电动观光旅行车原型制作中采用快速成型技术的可行性。
关键词：
快速成型技术 电动观光旅游车 造型设计 原型
中图分类号：TB476
文献标识码：A
文章编号：1003-0069 （2015）02-0110-02
一 快速成型技术的概念
快速成型技术最早起源于19世纪末的美国，由于当时技术条件还不够成熟，直到20世纪80年代才得到进一步的发展和推广o它是集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术为一体的产品原型制造技术。该技术与传统的“减法”（CNC切削加工）加工工艺不同，它是一种“加法”制造方法，用不同的材料逐层叠加的方式建构起要加工的产品原型。具体的工艺过程是，首先依据设计出来的产品原型的三维模型图（文件为STL格式，Rhino、SolidWorks、CREO等工程软件均可以生成），经过格式转换后，形成分层的数据格式，获取各层载面的二维轮廓形状，然后按照这些轮廓形状，用激光束选择性地分别固化一层层的液态光敏树脂材料，或切割一层层的纸或金属薄片，或烧结一层层的粉末材料，也有的用喷射源选择性地喷射一层层的黏结剂或热熔性材料，形成各截面的平面轮廓形状，并逐步叠加成三维立体零件。由于该技术不需要采用传统的加工机床和模具，在原型制作上具有加工精度高、人力消耗少、效率高等特点，所以已成为在产品原型制作中广泛被采用的一项重要技术。
二 快速成型技术的分类以及性能特点
当前决速成型技术的工艺方法已有几十种，并且随着技术的不断革新与发展，新工艺、新方法还在不断出现，但目前主要工艺分为四种基本类型。
1 SLA工艺
SLA（ Stere0 1.thography Appearance）工艺全称为立体光固化成型法。其工艺过程是以光敏树脂为原料，在加工过程中，工作台表面浸在液体的光敏树脂中，一定功率的光照到光敏树脂表面，通过光聚合反应使其固化，一层固化完成后，工作台下降一定高度，重新覆盖一层树脂材料，光照固化新层，如此反复，直到零件完成。此工艺是目前技术最成熟，应用最广泛的一种快速成型技术。
2 LOM工艺
LOW（ Laminated Object Manufacturing）工艺全称为叠层实体制造或分层实体制造。其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料（如涂热敏胶的纤维纸，塑料薄膜，金属或者其他复合材料）加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料切割成该层面所要求形状，如此重复直到一层层叠加生成任意复杂形状的实体。
3 SLS工艺
SLS（ Selective Laser Sintering）工艺全称为选择性激光烧结。其工艺过程以金属、ABS塑料、陶瓷等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒铺设每一层粉状材料，在计算机控制下激光器发出的光束对每层粉末材料进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层撒上新的一层粉末，为下一次烧结做准备，直至完成零件的成型。
4 FDM工艺
FDM（Frequency Division Multiplexing）工艺称为熔融沉积制造，其工艺过程是以热塑性丝状材料为原料，通过加热器熔化丝状材料成液体，由计算机控制挤压头沿零件的的每一截面的轮廓运动，使熔化的材料通过喷嘴挤出，覆盖到截面上每一部分，并在1/10秒内快速凝固，逐渐形成一层造型。随后，挤压头沿轴向向上运动（距离大小依设备的运行精度有关）以进行下一层材料的构建，如此逐层由下到上堆积成一个产品原型或零件。
三 电动观光旅游车原型制作中常用的工艺方法
目前的电动观光旅游车原型制造中常用手糊玻璃钢方法和钢板冲压成型，但钢板冲压成型由于模具上的巨额投入，一般企业望尘莫及。手糊玻璃钢工艺加工容易，成本低，模具使用频率高，并能修复重复使用等优良性能，所以是目前此行业中比较适用的方法。其主要流程包括：原胎的制作、涂刷胶衣层、逐层糊制玻璃纤维层、脱模修整、批量加工原型、原型的表面处理、组装模型。
四 快速成型技術在电动观光旅游车原型中的应用案例
快速成型技术在目前的产品原型制作中是一种常用的加工方法，但在电动观光旅游车产品研发中应用不是很广泛，为此笔者依托第二代电动旅游观光车课题中原型的制作过程进行了尝试（如图1）。
1 三维数字模型：在三维软件中创建数字模型，常用的软件包括Rhino、Creo、SolidWorks等，快速成型机对于三维模型的格式无特殊要求。另外对于三维模型造型的曲面或者复杂度也无特殊要求，只要三维模型各个零件是完整的，都可以加工出来。
2 数字模型格式转换：将其他软件创建的三维模型文件转换成快速成型机能识别的文件格式，通常扩展名为.STL格式。
3 打印零件：快速成型机的控制软件根据三维模型的造型特点判断出模型的安置方式，并计算出打印消耗材料重量以及打印持续时间等信息。
4 零件的后处理：打印完成的原型或零件还不能直接使用，为了保证原型或零件的稳定性，打印过程中在原型或零件的周围需要额外打印支撑材料。打印结束后，需要去掉周边的支撑材料。并且喷涂之前需要对原型或零件表面进行打磨处理，用原子灰刮平表面需要处理的地方，然后用粗砂纸打磨掉突出部分，并用水砂纸对表面细磨处理，。
5 喷涂处理：对表面经过处理的零件或者原型进行喷涂，采用树脂专用油漆喷涂。
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6 组装模型：把处理好的原型或零件根据设计要求进行组装。
五 快速成型技术与传统玻璃钢技术在电动观光旅游车原型表现中的优缺点分析
1 造型的可加工性
快速成型技术能加工任何复杂结构的零件或原型，不管是双曲面造型还是变化复杂的曲面均能加工：而传统玻璃钢技术在翻模过程中，很多复杂造型的原胎成型需要耗费很长时间，并且在脱模过程中不能出现一些影响脱模的结构。
2 原型的制作效率
快速成型技术在设备成型范围内可以同时加工多个零件或原型，从数字模型到实体零件只需几个小时到十几个小时即可完成，加上组装和表面处理的时间，也不过几天就可完成一套产品原型：传统玻璃钢技术从搭建产品原型骨架到翻模完成至少一个月甚至更长的时间。
3 原型的制作精度
采用快速成型技术加工的原型最高精度能达到微米级别，且不受加工次数影响；而传统玻璃钢技术的加工精度只能达到毫米级别，在翻模过程中受模具精度的影响，多次使用后无法保证制作出来的原型精度。
4 原型的制作成本
当前的快速成型技术采用的材料成本偏高，尤其树脂材料；而玻璃钢技术使用的材料成本较低，但如果再加上昂贵的劳动力成本，快速成型技术加工的原型与玻璃钢技术相比，性价比较高。
5 原型材料性能
目前的快速成型技术使用的材料多样，性能各有特点，根据原型的测试要求，能选择到合适的材料：相比玻璃钢材料的强度以及韧性，目前常用的树脂材料和ABS材料还不能与之媲美。
6 原型制作环境
快速成型设备工作环境干净卫生，对周边环境无污染：而玻璃钢加工过程中工作环境脏、乱、差不可避免，所采用的工业级树脂有刺鼻的气味，并刺激人的神经系统，玻璃纤维也对肺部存在安全隐患。
通过以上六个方面的对比分析，在电动观光旅游车原型开发设计中采用快速成型技术，不仅能大幅提高工作效率，而且原型的加工质量也能得到可靠保證。
六 快速成型技术在电动观光旅游车原型表现中的展望
快速成型技术在电动汽车行业中的应用还处于摸索阶段，该技术具有很多传统技术无法比拟的优点，比如加工高效性、精确性等，尤其在以工业设计师为主的产品开发过程中采用并行设计方法，缩短产品的开发周期方面具有广泛应用的价值，但目前也存在一些技术瓶颈，比如说快速成型采用的材料的成本较高、材料在强度和耐高温还有不足之处、打印完成后表面的后处理相对复杂。随着技术的不断改善与进步，以上问题会逐渐被攻克，快速成型技术在产品的原型制造中会有更好的应用。
快速原型制造 篇3
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
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快速原型制造 篇4
传统艺术设计与制造的方法主要是手工或计算机制图，而后进行机械去除加工或手工雕塑。然而，随着计算机软件、图形学、自动控制、新材料等领域的迅速发展，艺术设计的理念与方法也进入了一个崭新的时代。近年来，快速原型制造(Rapid Prototyping&Manufacturing, RP&M)技术，作为一种累积制造方法，在艺术设计领域得到广泛重视。因此，快速原型制造的新技术改变了艺术设计制造的传统理念与方法。同时，艺术设计与制造的新理念与对快速原型制造技术提出了更高的要求，使快速原型制造技术与艺术设计与制造共同进步。基于此，本文主要论述快速原型制造技术在艺术设计领域的应用。
二、快速原型制造技术介绍
快速原型制造技术(Rapid Prototyping&Manufacturing, RP&M)是一种在计算机软件与硬件的控制下，根据所有成形物体的CAD模型，采用离散/堆积思想进行的成形新技术。其成形工程如下[1]： (1) 根据要求设计出待加工物品的三维CAD模型，采用计算机分层软件对该图形进行切片; (2) 将三维实体的切片信息输入到快速成形机中，生成数控代码，并将待成形材料(金属、高分子、陶瓷、纸等)装入快速成形机中; (3) 采用高能束(激光、电子束)，以一定的扫描路径，对实体材料的第一层进行熔融、切割或烧结，完成第一层的加工; (4) 加工平面下降一个层的厚度，重复步骤3，直至三维实体加工完成。根据能量输入方式的不同，快速原型制造技术可以分为以下几种：
1. 立体光刻成型（Stereo lithography Appearance, SLA)
该技术的思想是利用特定波长的激光聚焦到液态光敏树脂表面，使照射区的光敏树脂固化，而后由点到线，而后工作台下降一个切片层厚的高度，再固化下一层，这样由面到体从而成形出一个三维实体。最后将该实体取出，进行表面硬化，再进行抛光、电镀、涂刷或涂色即可。该技术的成形材料主要为光敏树脂材料，成本稍高。
2. 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS)
该技术的思想是利用低功率的CO2激光，对粉体材料进行逐层扫描，使粉体材料迅速升温、部分达到熔融态，从而使粉末相互粘合。根据这种思想[2]，进行类似上面的成形方法，即可将粉体材料成形为三维实体。最终一般需对三维实体进行后处理，如抛光、渗树脂、热处理等。该技术具有明显优势，其成形材料广泛，包括金属粉末、高分子粉末、陶瓷粉末、以上材料的复合粉末。另外，该技术成本相对较低，可以成形出复杂大尺寸工艺品。
3. 选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM)
该技术的思想是利用高功率的激光束，对金属粉末材料进行逐层扫描，使其达到完全熔化状态，从而成形三维实体。最后一般进行喷砂抛光则可获得较好的光洁度与精度。该技术的特点是，可成形出接近全致密的金属艺术品，其尺寸一般比SLS实体相对较小。
4. 薄材叠层（Laminated Object Manufacturing, LOM)
该技术的思想是利用纸质材料，逐层粘接与叠加，同时根据切片二维模型，材料激光束对每层的纸质材料进行切割，进而成形出三维复杂实体艺术品。[3]该技术发展较早，成本较低，已经取得广泛应用。
5. 熔融堆积（Fused Deposition Modeling, FDM)
该技术的思想是利用加热喷头实现高分子材料的熔化与逐层沉积。其材料为丝材，经过加热与熔化，从喷头挤出。通常喷头的温度应刚好在成形材料的凝固点之上，一般控制在比凝固点高1℃左右。其材料一般为线材为ABS、人造橡胶、铸蜡等。
可以看出，快速原型制造是基于点、线、面三维累积增量制造的思想，是当代制造业发展的新技术，具有成形件精度高、节省材料、设计不受约束、形状复杂、性能高、缩短产品周期等优点，已经在艺术设计与制造领域取得了广泛应用。
三、快速原型制造技术在艺术设计与制造中的应用
快速原型制造技术在以下艺术设计与制造领域已经取得了重要应用。本文作者根据艺术设计物品的材料进行分类，以具体成形实例为讲述对象，结合工艺品制造实际情况与作者本人的构想，进行如下论述。
1. 金属首饰制品的直接法成形
对于SLM直接成形金属首饰，可根据艺术设计工作者的灵感，在无需考虑加工复杂度的基础上，进行奇思妙想，设计出优美精致的首饰的三维CAD模型。采用切片软件对该CAD模型进行分层切片，生成每一层扫描轨迹的指令代码。成形材料可采用金、银、铜、钢等粉末材料，粒度小于20µm。成形设备可采用选择性激光熔化成形装备，选用200W连续模式的光纤激光器。为了保证工艺品质量，成形过程需在保护性气氛下进行。经过多层加工，最终可获得完整的三维工艺品首饰实体。为了提高表面质量，可对首饰表面进行喷砂抛光。
2. 金属首饰制品的间接法成形
对与SLS间接法成形金属首饰，其工艺流程如下：在艺术设计者用CAD表达出其构想的基础上，采用低功率的快速原型机对蜡纸粉末进行逐层烧结，成形出三维蜡质首饰模型。然后，利用熔模铸造的原理，制作出首饰的铸造模型，从而进行金属浇铸，获得三维金属首饰制品。需要指出的是，直接法具有工艺流程简洁、生产效率高、首饰力学性能高的特点;间接法具有零件尺寸大、工艺稳定、周期长的特点。
3. 纸质人体模型等工艺品
纸质人体模型工艺品的成形方法主要为LOM。采用LOM技术，可实现人体模型、建筑模型、风景实体模型等各个方面的制作。该技术发展的较为成熟，成本较低，可容易地制作出大尺寸的工艺品制件，已经在艺术设计中取得广泛用途。上个世纪90年代，华中科技大学在LOM装备与工艺方面已取得显著成果，其中艺术品制作是LOM的一个重要用途。
4. 高分子物体模型等工艺品
高分子造型制品的成形方法有SLA、SLS、FDM。其中SLA主要针对光敏树脂材料成形，SLS可对多种高分子材料进行成形，FDM也可以采用多种高分子丝材进行成形。例如，武汉滨湖机电技术有限公司利用SLA成形出优美精致、栩栩如生的飞龙模型等;采用SLS技术成功实现了卡通、龙的实体造型制造。
四、展望
快速原型制造技术作为新型成形方法，已经在首饰艺术品、人体艺术品、风景物体艺术品、建筑艺术品等艺术设计艺术设计领域得到广泛应用。在今后，预计快速原型制造技术将会在艺术设计更广阔的方面应用，成为一种常用的设计与制造方法;另外，制造将改变设计，也就是说快速原型制造形状无约束的特点，将会在一定程度上改变艺术设计的理念，提升艺术设计自由度与美感。
参考文献
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汽车门把手的快速原型制作 篇5
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
快速原型制造 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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快速原型制造 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
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