快速产品开发的方法与途径思考

Click to edit Master title style,Click to edit Master text style,Alternate bulleted first line,First level bullet,Second level bullet,Third level bullet, 200,5,苏文斌,80,快速产品开发的方法与途径思考,快速产品开发的方法与途径思考,近年来，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代速度越来越快，对快速设计与制造提出了越来越高的要求。,快速设计,（,Rapid Design）,快速原型制造技术,（,Rapid Prototyping &Manufacturing）,数值模拟技术,(,Numerical Simulation),快速设计,（,Rapid design）,企业为了适应快速多变的市场，全面提高对市场的快速响应能力，越来越多的采用,CAD,技术来开发新产品。然而，这些,CAD,软件在效率和质量仍然不能满足设计要求，或多或少存在一些问题。,通用模具,CAD,系统存在问题,不支持设计全过程,机械“全程,CAD”,可分为为：任务描述，分析设计，结构设计三部分。对于模具等工装的,CAD，“,任务描述”主要是输入工件信息和设计要求，通常简称工件图形输入；“分析设计”主要是工艺设计或工艺规划，例如模具,CAD,中的成型工艺设计等； “结构设计”都是根据前阶段的设计结果进行零部件和总装设计。现有通用,CAD,系统的功能非常丰富强大，但通常不包含“任务描述”和“分析设计”两个部分。它们对设计的支持主要体现在结构设计部分，致使不少人误将结构,CAD,等同于整个,CAD。,事实上，“任务描述”和“分析设计” 对于整个产品设计却非常关键。,快速设计,（,Rapid design）,设计效率不高,商品化的通用,CAD，,为了拥有足够的市场占有量，设计时应满足各类用户的需要，因而就不可能考虑不同设计对象自身的理论、规律、流程等具体问题，所以设计的主要过程仍需要由用户控制。交互是设计的一种主要手段，操作复杂繁琐，效率难以提高，尤其体现在结构设计部分，自动化程度很低。,设计方法不合理,现有的通用,CAD，,一般采用的是自底向上（,Bottomup）,的设计方法。即先对零件进行详细的定义、描述，然后再确定零件空间位置及装配关系。这种过程不符合工程师惯用的思维方式和设计顺序，要在“自底向上”的基础上大幅度提高,CAD,效率和自动化程度，难度极大,。,工程师设计方式一般是按照“先装配后零件、由粗略到详细、 反复细化”原则进行设计，即自顶向下(,Top-down),设计方法。这种设计策略符合人们正常的设计思路，有利于提高设计效率。,快速设计,（,Rapid design）,专用模具,CAD,系统存在问题,适应性及灵活性不强,专用型,CAD,系统一般包含设计的全过程，由于专业的设计理论和规律可以编制在软件内部，所以设计效率远远高于通用,CAD。,专业化程度高，效率提高幅度大，但灵活性小。由于市场小而开发工作量大，相对成本高。,智能化程度低,由于设计过程对经验和知识的依赖性很强，是一个知识集成过程。对于模具设计与制造而言，更体现了这一特点。要实现快速设计，就离不开利用已有的知识和经验，离不开智能化。而现有模具,CAD,系统的集成化程度和智能化程度都比较低，目前属于起步阶段。,三维专用软件不成熟,三维,CAD,系统可方便地设计出三维实体产品模型，并进一步实现分析、优化和数控加工等功能。但目前在三维系统基础上二次开发和独立开发的专用,CAD,系统还未见到性能较高的成熟产品。,快速设计,（,Rapid design）,具体内容：,按产品和模具特点进行科学的分类，建立和完善产品、模具结构标准和零件标准，保证设计的合理性，提高设计速度。,对相关工艺设计方法和经验进行归纳整理，完善工艺的设计规范和准则，提高设计的可靠性,建立基于参数化图形库管理系统,目前最常用的建库方法是构形函数法，也就是编写带参调用的零件图形或造型函数。此法通常有两种方式，一是将零件库的构形函数编写在软件内部；另一种是多数商品化,CAD,系统普遍采用的方法，即提供强大的二次开发语言，由用户根据需要编写构形函数，建立各种标准件库。,快速设计,（,Rapid design）,成组技术,（,Group Technology,），对于机械制造企业，可以定义为：将企业生产的多种产品、部件和零件按照一定的相似性准则分类编组，并以这些组为基础组织生产的各个环节，从而实现产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。利用成组技术有利于工序的优化设计，促进生产工艺的,标准化和规范化,，为,CAD/CAM,奠定基础。,分组编码的方法：,特征编码分组法,基于,Pro/E,的三维特征建模方法,a.,三维参数化特征建模,基于,Pro/E,的三维特征建模方法,b.,自动特征建模,特征元素树（,feature element tree,）,Pro/E,的二次开发方法,族表,（,Family Table,）,预先手工构建产品模型，把它作为族表的类属件，然后在族表中定义各个控制参数来控制模型的形状大小，并在程序中通过改变各个参数的值来得到所需要的衍生件,通过族表可以方便的管理具有相同或相近结构的零件，特别适用于标准零件的管理。族表通过建立通用零件为父零件，然后在其基础上对各参数加以控制生成派生零件。整个族表通过电子表格来管理，所以又被称为表格驱动。,Pro/E,的二次开发方法,Pro/Program,Pro/ENGINEER,软件对于每个模型都有一个主要设计步骤和参数列表,Pro/Program。,它是由类似,BASIC,的高级语言构成的,，,用户可以根据设计需要来编辑该模型的,Program,，,使其作为一个程序来工作。通过运行该程序，系统通过人机交互的方法来控制系统参数、特征出现与否和特征的具体尺寸等。,Family Table,特别适用于建立单个的标准零件库，利用,Pro/Program,的,Instantiate(,例证)功能，也能向族表中添加零件参数，生成新的零件。,Pro/E,的二次开发方法,用户定义特征,（,UDF,）,要预先构建产品模型, 模型创建定义包含几何特征、参考基准、可变尺寸以及可变尺寸的记号,将这些信息存为一个后缀为,gph,的文件。就可在程序中通过这个文件来改变可变尺寸, 产生所需衍生件。与族表法不同的是需要编程来建模。,Pro/TOOLKIT,Pro/Toolkit,是,PTC,公司为,Pro,/,E,软件提供的用户化工具箱,该工具箱为用户程序、软件及第三方程序提供了与,Pro,/,E,的无缝连接是用,C,语言编写的,Pro/Toolkit,提供了一个,C,的函数库，能够使用户或第三方的应用程序以一种可控制的、安全的方式访问,Pro,/,E,的数据库和应用,。,基于,Automation GATEWAY,利用,VB,进行二次开发,标准件库的建立,a.,标准件库的建立,把,Pro/Family Table,和,Pro/Program,两者的功能相结合，就能建立我们所需的标准模架库。在建立标准模架库的过程中，采用自顶向下设计思想，即先建立标准模架库，然后利用标准模架库和零件库之间的参数传递，来生成零件库。,b.,用户自定义特征库,Pro/TOOLKIT,二次开发技术,a. Pro/TOOLKIT,开发特点,Pro/TOOLKIT,是,Pro/E,系统个性化开发工具包，也可称为应用程序接口（,API,），它提供了大量的,C,语言库函数，能够使外部应用程序安全有效的访问,Pro/E,的数据库和应用功能。通过,C,语言编程可以实现应用程序与,Pro/E,的无缝集成，客户和第三方能够在,Pro/E,系统中增加所需的功能 。,对象和动作（,Objects and Actions,）,函数原型（,Function Prototyping,）,函数错误状态（,Function Error Statuses,）,对象句柄（,Object Handle,）,Pro/TOOLKIT,二次开发技术,b. Pro/TOOLKIT,开发模式的选择,在同步模式中又分为两种方式，一种是,DLL,模式,通过编译和连接,Pro/Toolkit,的,C,代码生成一个目标文件，该目标文件在,Pro/E,启动时与,Pro/E,连接在一起就像是,Pro/E,本身的程序一样。,另外一种是多进程模式,，Pro/Toolkit,代码经过编译和接连后生成一个独立的执行程序，这个程序可在,Pro/E,启动时一起启动，也可在,Pro/E,运行过程中由使用者根据需要启动，启动后的程序是作为,Pro,/,E,的一个子程序来运行的。,异步模式又可分为简单异步模式和全异步模式,Pro/TOOLKIT,二次开发技术,c. Pro/E,与,MFC,的接口开发技术,(1)使用,CWinApp,类来生成第一个,DLL,工程(简称,A.dll),工程类型选用共享,MFC,的常规,DLL,选项。然后在此工程中加入,ProTOOLKIT,程序,主要是函数,userinitialize(),的代码。,(2)使用同样方法生成第二个,DLL,工程(简称,B.dll),并在此工程中用类向导和资源编辑器生成所需要的,MFC,类(如对话框类、数据库类等),并定义一个函数完成该类的初始化;,(3)使,A.dll,中的,Pro/TOOLKIT,程序调用,B.dll,的导出函数,这是接口实现的关键。,(4)加入,Pro/TOOLKIT,程序所用到的库(如,mpr.lib,protk_dll.lib,prodev_dll.lib ,wsock32.lib,等等),并指出其路径,设为强制输出,使用,MFC,对这两个工程进行编译,生成新的,A.dll,与,B.dll,。,(5)在,Pro/E,中用,DLL,方式加载,Pro/TOOLKIT,程序(即,A.dll,),再通过,Pro/TOOKIT,程序调用,MFC,应用程程序。,Pro/TOOLKIT,二次开发技术,d.,基于,Pro/E,的系统开发基本过程,1.,建立,MFC,工程，编写源程序文件,2.,进行程序调试，生成相应的应用程序文件（,.dll,或,.exe,）,mpr.lib,，,protk_dll.lib,，,prodev_dll.lib,，,wsock32.lib,3.,注册运行应用程序,4.,解锁（,Unlock,）应用程序,protk.dat,注册文件：,name /,应用程序名称,;,exec_file /,程序文件的路径,;,text_dir /,菜单文件、资源文件和窗口信息文件的路径,;,STARTUP /,工作模式，动态链接库为,dll,，多进程为,spawn;,revision 2001 /,所使用的,Pro/E,的版本号,;,allow_stop TRUE /,实现在,Pro/E,任务中停止和重启应用程序,end /,结束。,Pro/TOOLKIT,二次开发技术,系统的交互界面,快速原型制造技术,快速原型制造技术产生背景,随着科学技术的进步，市场竞争日趋激烈，产品更新换代速度越来越快。缩短新产品的设计与试制周期，降低产品开发费用，是每个制造商亟待解决的问题。计算机技术应用于产品设计，虽然能够显著提高设计效率与设计质量，但是,CAD,并不能解决制造过程所面临的所有问题。在产品设计完成到批量生产阶段之间，往往还要制造产品的原型样品，以便尽早地对产品设计进行验证和改进，这是一项费时费力的工作，是新产品开发与研制的“瓶颈”所在。,随着计算机科学、,CAD,技术、材料科学、光、机、电、液控制技术的发展和普及，为新的制造技术的诞生奠定了技术基础。快速原型模具制造技术,(Rapid Prototyping,Manufacturing,，简称,RPM),就是在这种社会背景和技术发展的前提下，于,20,世纪,80,年代产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，是近,20,年来制造技术领域的一项重大突破，是一种全新的材料加工方法。,快速原型制造技术,快速原型制造技术是一种不同于传统的材料去除或材料变形方法的新技术，也称为材料累积成型法（,Material Incremental Method,），在计算机控制下，基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角度看，零件可视为由点、线或面的叠加而成，即从,CAD,模型中离散得到点、面的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体逐渐堆积成零件。从制造角度看，根据,CAD,造型生成零件三维几何信息，转化成相应的指令传输给数控系统，通过激光束或其他方法使材料逐层堆积而形成原型或零件，无需经过模具设计与制造环节，极大地提高了生产效率，大大降低生产成本，极大地缩短生产周期，被誉为制造业中的一次革命。另外，还可根据不同要求，将,RPM,原型和铸造等传统工艺相结合，快速制造出实用零件。这项技术一经产生就引起了学术和制造业界的广泛关注，被称为下一世纪制造业发展的方向。快速成型技术是一项直接面向产业界的综合性高新技术,备受学术和制造业界的瞩目。,快速原型制造技术,应用快速原型模具制造技术的企业已经取得了明显的效益。例如，德国大众汽车公司采用,RPM,技术中的分层物件制造方法，成功地制造了异常复杂的,Golf,、,Passat,轿车的齿轮箱体原型，精度超过传统方法，所用时间由,8,周缩短为,2,周。此原型用来作为铸模生产金属齿轮箱体铸件。又如美国,Ford,汽车公司采用,RPM,原型和精密铸造工艺方法，生产出注塑模型腔嵌块，所花时间和费用仅为传统工艺的一半，该公司认为，随着,RPM,技术进一步影响，将釆制造注塑模的时间可减少到三周，费用降低,60,，经济效益十分可观。美国,Pratt,Whitney,快速制造实验室于,1994,年制造了,2000,个铸件，按常规方法约需,700,万美元，而用,RPM,方法，只用了,6070,万美元，生产时间节约了,70,90,。美国一家设计高尔夫杆的公司，原来由手工艺人和设计者共同工作，用黄铜制作模型，费时费力，只制作三个方案。在设计一新球杆时，买了一台,LOM,1015,型的,RPM,机，在一年之内做了,90,个物理模型。这样可以以低成本在短时间内尝试众多的方案。确定一个方案后，用,LOM,机加工出注射模以制造蜡模，再用熔模铸造的方法，铸出不锈钢或钛的球杆头部模型。,快速原型制造技术,快速原型零件制造技术的原理,快速原型零件制造技术是由,CAD,模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。它的特征是：,1),可以制造任意复杂的三维几何实体。,2)CAD,模型直接驱动。,3),成形设备无需专用夹具或工具。,4),成形过程中无人干预或较少干预。,快速原型制造技术,快速成型技术的具体工艺方法有多种，但其基本原理都是一致的。以材料累积叠加法为基本思想，目标是将计算机三维,CAD,模型快速地,(,相对机加工而言,),转变为由具体物质构成的三维实体原型。其过程可分为离散和堆积两个阶段。首先在,CAD,造型系统中获得一个三维,CAD,模型，或通过测量仪器测取实体的形状尺寸，转化成,CAD,模型，再对模型数据进行处理，沿某一方向进行平面“切片”离散化。然后通过专用的,CAM,系统,(,成型机,),将成型材料一层层加工，并堆积成原型。,快速原型制造技术,CAD,模型的形成与一般,CAD,过程无区别，其作用是进行零件的三维几何造型。所以要求有较强的实体造型功能，并且应与后续软件有良好的接口。常用的硬件环境为工作站和高档微形计算机。常用的软件为,Pro,E,、,Auto CAD,、,SDRC,、,Unigraphics,、,CATIA,、,Computer Vision,、,EUCLID,等。这些软件系统能将零件的曲面或实体模型，自动转化成易于切片处理的表面三角形模型。对于,SLA,、,FDM,等成型方法，还要考虑在模型中加进支撑结构设计。由美国,3D,系统公司开发的,CAD,模型,STL (Stereo Lithography interface specification),格式被公认为目前的标准。它是用一系列的空间小平面（三角形面片）来表示物体表面，每个三角形都用一个法向,(,指向零件的内部和外部,),和三个顶点来描述。这样的三角形的顶点以及它们的法向数据汇集在一起，形成描绘三维实体的,STL,格式。,快速原型制造技术,模型,Z,向切片是一个分层过程，它将,STL,格式的,CAD,模型，根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位，横截成一系列具有一定厚度的薄层，从而得到每一个切层的内外轮廓等几何信息，层厚一般为,0.05 0.4mm,。若每层的厚度有变化时，可采用实时切片方式。,层面信息处理就是根据层面几何信息，通过层面内外轮廓识别及补偿、废料区的特性判断等，生成成型机的数控代码，以便成型机的激光头或喷口对每一层面进行精确加工。,快速原型制造技术,层面加工与粘结即根据生成的数控指令，对当前层面进行加工，并将加工出的当前层与已加工好的零件部分粘合。,当每一层制造结束并和上一层粘结后，零件下降一个层面，铺上新的当前层材料,(,新的当前层的位置保持不变,),，成型机再加工新的一层。如此反复进行直到整个加工完成，清理掉嵌在加工件中不需要的废料，即得完整的制件。,后处理是对成型机上完成的制件进行必要的处理，如深度固化、修磨、着色、表面喷镀等，使之达到原型或零件的性能要求。,经过上述过程可快速制造出原型。,RPM,技术的特征,高度柔性,快速原型技术的最突出特点就是柔性好，它取消了专用工具，在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中。,技术的高度集成,快速原型技术是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。在成型概念上，它以离散堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大的柔性为目标。因此只有在计算机技术、数控技术高度发展的今天，快速原型技术才有可能进入实用阶段。,设计制造一体化,快速原型技术的一个显著特点就是,CAD,CAM,一体化。在传统的,CAD,CAM,技术中，由于成型思想的局限性，致使设计制造一体化很难实现。而对于快速原型技术来说，由于采用了离散堆积分层制造工艺，能够很好地将,CAD,CAM,结合起来,。,RPM,技术的特征,快速性,快速原型技术的一个重要特点就是其快速性。由于激光快速原型是建立在高度技术集成的基础之上，从,CAD,设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时，比传统的成形方法速度要快得多，这一特点尤其适合于新产品的开发与管理。,自由形状制造,自由的含义有两个方面：一是指根据零件的形状，不受任何专用工具,(,或模腔,),的限制而自由成形；二是指不受零件任何复杂程度的限制。,材料的广泛性,在快速原型领域中，由于各种快速原型工艺的成型方式不同，因而材料的使用也各不相同，如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速原型领域已有很好的应用。由于传统加工技术的复杂性和局限性，要达到零件的直接制造仍有很大距离。,RPM,技术大大简化了工艺规程、工装准备、装配等过程，很容易实现由产品模型驱动直接制造。,快速原型制造技术,RPM,技术的主要方法,RPM,技术的具体工艺不下,30,余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，可归纳为,5,类方法：,光固化立体成型,分层物件制造,选择性激光烧结,熔融沉积成型,喷墨印刷,快速原型制造技术,光固化立体成型,(SL,，,Stereolithography),光固化立体成型原理是：将激光聚焦到液态光固化材料,(,如光固化树脂,),表面，令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层迭加成为一个三维实体，如图所示。实体磨削固化,(SGC,，,Solid Ground Curing),、激光光刻,(LS,，,Light Sculpting),都以激光选择性固化液体树脂为特征。,快速原型制造技术,快速原型制造技术,分层物件制造,(Laminated Object Manufacturing LOM),分层物件制造采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘接在一起，这样层层迭加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。层片添加的典型工艺是分层实体制造，如图所示。这里所说的箔材可以是涂覆纸,(,涂有粘接剂覆层的纸,),，涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材 。,快速原型制造技术,快速原型制造技术,选择性激光烧结,(Selected Laser Sintering,，,SLS),对于由粉末铺成的有很好密实度和平整度的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化而连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。粘接则是指将粉末采用粘接剂粘接，如图所示。无木模铸型,(PCM,，,Patternless Casting Mold),工艺也属于这类方法。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉以及金属粉如铁，钴，铬以及它们的合金。,快速原型制造技术,快速原型制造技术,熔融沉积成形,(FDM,，,Fused Deposition Modeling),熔融沉积成形是指将热熔性材料,(ABS,、尼龙或蜡,),通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。如图所示。,快速原型制造技术,快速原型制造技术,喷墨印刷,(InkJet Printing),喷墨印刷是指将固体材料熔融，采用喷墨打印原理,(,汽泡法和晶体振荡法,),将其有序地喷出，一个层面又一个层面地堆积建造而形成一个三维实体，如图所示。,快速原型制造技术,快速原型制造技术,国外,RPM,技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。从技术、材料、应用和基础设施等方面比较来看，总的情况是美国领先于欧洲和日本，欧洲和日本平分秋色。,目前世界上已有,200,多家机构开展了,RPM,的研究，能够商品化生产,RPM,设备的主要有美国,3D systems,、,Helisys,、,DTM Corp,、日本,CMET,、,D-MEC,、德国,EOS,、以色列,Cubital,，据统计到,1988,年全世界已有,4300,余台,RPM,成型设备。,快速原型制造技术,产品设计中的应用,快速产品开发,RPD,RPM,在,RPD,方面应用如图所示。,RPM,在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将显示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原形可对设计的正确性，造型合理性，可装配和干涉进行具体检验。对形状较复杂而贵重的零件,(,如模具,),，如直接依据,CAD,模型不经原型阶段就进行加工制造，这种简化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功，不仅延误的开发的进度，而且往往需花费更多的资金。通过原型的检验可将此种风险减到最低的限度。,一般来说采用,RPM,快速产品开发技术可减少产品开发成本,30,70,，减少开发时间,50,。,快速原型制造技术,快速原型制造技术,Rapid Tooling(,快速工具,),模具是快速工具制造技术应用的重要方面，基于,RPM,的快速模具总体情况见图。原型的快速设计和自动制造也保证了工具的快速制造。无需数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工具，直接根据原型而将复杂的工具和型腔制造出来是当今,Rapid Tooling,的最大优势。一般来说，采用,RP,技术模具制造时间和成本均为传统技术的,1,3,。,快速原型制造技术,利用,RP,技术来制造直接生产零件的模具可分为直接法和间接法两大类。,（,1,）直接法,基于,RPM,技术的快速直接制模法是将模具,CAD,的结果由,RP,系统直接制造成形。该法既不需用,RP,系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具制造尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法。,快速原型制造技术,A,直接型模具,以激光快速成型来方法来制造模具。,目前，由日本,CEMT,公司最新研制的,SOUP,系列设备，将三元次,CAD,数据翻转过来作为原始数据，以此数据在光造型装置上做出反模，在其背面注入金属铝粉及树脂的混合物增加强度，以此套直接型模具进行射出成型作业，可在短时间内作出,200,个左右的样品。在商品的开发设计阶段之初，快速成型设备，既能缩短周期由节省费用，无疑是最有效的方法。图下页为直接型模具示图。,快速原型制造技术,B,、直接制模铸造,(Direct Shell Production Castion，DSPC),DSPC,法来源于三维印刷,(3D Printing),快速成形技术，美国,Soligen,公司首先推出此项技术。它是通过,RP,技术直接成形熔模铸造用陶瓷模壳，而不需做蜡模和压型。使熔模铸造省去了制压型、注射蜡模、涂挂涂料工序和贮放，大大缩短了熔模铸件生产的周期。此外，该法不用蜡，是一种无蜡的“失蜡铸造”。这就避免了由于蜡模变形和烟雾等问题带来的不利影响。因此，,DSPC,法使熔模铸造成为更具有吸引力的金属精密成形方法。一般从工厂收到订单到生产出精密铸件只需,710,天。图,2,精密铸造示意图。,DSPC,法制得的模壳除直接用于精密铸造外，也可直接用作压铸模和注塑模的制作。,快速原型制造技术,C,、直接制造金属模具,直接制造金属模具的方法是直接,CAD,实体造型模具。目前主要采用,SLS,法，激光烧结涂有聚合物粘结剂的金属粉末，然后在炉中焙烧，将粘结剂烧失，再将低熔点的金属,(,如铜,),渗入烧结后模具内部的孔隙中，最后抛光型腔表面和型芯面，加上浇注系统和冷却系统，构成注塑模具。此法也可直接制作精密铸造用压型。例如，,DTM,公司专门开发的,Rapid-Steel,材料，是一种涂有树脂的钢粒。采用,SLS,法快速制造原型，原型中树脂在,300,烧失，,700,时钢粒之间发生弱联结，,1120,时熔化的铜在氢气气氛中渗入钢中，制成注塑模具。此模具材料中钢的质量分数为,60%,，铜的质量分数为,40%,，可代替机械加工的铝模，模具寿命可达数万件。若采用在原型烧失粘结树脂后渗环氧树脂的方法，模具寿命为,200,件，可用于生产批量较小时制作注塑模具。,快速原型制造技术,德国,EOS,公司开发的可直接对未经预热的金属粉末进行激光烧结的系统,(EOSINTM),与上述方法不同。它所采用的金属粉不是由不同金属组成的混合物。这种金属混合物是由不同熔点金属成分以一定配比构成，它能在烧结过程中相互补偿体积的变化，使全部粉末的收缩率小到可以忽略不计，不会由于内部应力而引起应变变形，使制件精度得到保证。另外，在这种混合物中主要成分的粒度仅为,50 m,左右，也有助于提高表面质量。最终形成的材料性能可与铝相比，并可通过将低熔点金属渗入内部的方法使模具材料更致密。,EOS,公司所开发的这种方法可用于制作注塑模具，也可直接制作薄壁且形状复杂的金属零件。,快速原型制造技术,（二）、间接法,A,、用快速成型件作母模，制作硅橡胶模,当制造的零件件数较少（批量在,2050,件）时，一般采用以,RP,原型作母模，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度（甚至有一定倒拔模斜度）以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。这种材料的萧氏硬度从,1060,不等，抗拉强度可达,46MPa,抗撕裂强度为,523kN/m,该工艺方法可以快速、容易而廉价地小批量生产各种塑料零件和石蜡模型，模具寿命为几十件，生产周期仅数小时。在航空航天、体育用品、玩具和装饰设备等领域应用广泛。下页为,硅胶模具示意图,快速原型制造技术,B,、金属树脂模具,所谓金属树脂模实际上是环氧树脂加金属粉（铁粉或铝粉）作填充材料，也有的加水泥、石膏或加强纤维作填料。这种模具利用,RP,原型翻制而成强度和耐温性比高温硅橡胶更好。国内最成功的例子是一汽模具制造有限公司设计制造了,12,套模具用于红旗小轿车的改型试制。该套模具采用瑞士汽巴精化（,Ciba,）的高强度树脂浇注成型，凹凸模间隙大小采用进口专用蜡片准确控制。该模具尺寸精度高，制造周期可缩短,1/21/3,12,套模具的制造费用共节省,1000,万元人民币。被瑞士专家认为已达到,90,年代国际水平。,快速原型制造技术,C,、金属喷涂模具（,Metal Spraying Mold,）,金属喷涂模属于热喷涂制模技术，该技术起源于,60,年代提出的。基本过程是将熔化的金属雾化后高速喷射沉积于基体材料上，得到与基体形状相对应的具有特殊性能的薄壳。,80,年代后期，热喷涂制模技术逐渐成熟，在工业上得到广泛应用。根据模型材料及喷涂材料不同可选用等离子喷涂、氧炔焰喷涂及电弧喷涂。其中电弧喷涂制模方法工艺简单、成本低，不受基体样模材料的限制，逐渐成为热喷涂主要方法，其代表为美国的,TAFA,技术。,快速原型制造技术,D,、石墨电极成型研磨法,石墨电极是电火花加工中常用的工具电极，它不仅具有良好的导电性能和化学稳定性，而且还有耐腐蚀、热膨胀小等优点。但是，常用的机械加工方法加工石墨电极时经常产生崩碎现象，尤其对于形面复杂、精细度高的石墨电极采用通常机械加工方法更为困难，甚至无法加工。整体,EDM,石墨电极研磨电极震动成型技术是一种非传统的快速制造整体,EDM,石墨电极的机械加工方法。由于研制制造困难和平动振幅大，研磨的石墨电极只能用于制造低精度要求的模段模具而未能推广应用。直到,80,年代后期快速成型技术发展成为一种新兴制造技术，利用快速成型的,RP,零件作为成型研具制造的原形，才为研具制造提供了一种快速有效的方法。,该法以,RP,原型为母模翻制成由颜料和特殊粘结剂的成型研具，然后用该研具在石墨电极研磨机上根据微震动原理直接研磨出石墨电极来。该工艺尤其适用于具有自由曲面不便于数控编程加工的石墨电极。,快速原型制造技术,RPM,技术的主要发展趋势是：,1,不同制造目标相对独立发展,从制造目标来说，,RPM,主要用于,快速概念设计原型制造，,快速模具原型制造，,快速功能测试原型制造及,快速功能零件制造。,由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距，两者将呈相对独立发展的态势。快速测试型制造由于使用范围的限制和特点不够鲜明，本身不会形成独立流派，将附属于快速概念型制造。快速功能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很长一段时间内，仍将局限于研究领域。,快速原型制造技术,2,向大型制造与微型制造进军,分析各大公司的产品系列，可以发现，原型的制造尺寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造难度和,RPM,在模具制造方面的优势，可以预测将来的,RPM,市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的将是,RPM,向微型制造领域的进军，,SL,的一个重要发展方向是微米印刷,(Microlithography),， 以制造微米零件,(Microscale Parts),。 日本,Nagoya University,在这方面领先。激光光斑直径可达,5um,，成形时原型不动，激光束通过透明板精密聚焦在被成形的原型上。,XY,扫描停位精度为,0,00025 um,，,Z,向停位精度为,0,001mm,，可制造,5um5um3um,零件如静脉阀、集成电路零件等。,快速原型制造技术,3,追求,RPM,的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性。,4,RPM,设备的安装使用外设化，操作智能化。使,RPM,设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。,5 RPM,行业标准化，并且与整个产品制造体系相融合。,数值模拟技术,CAE (Computer Aided Engineering),技术即计算机辅助工程技术，它是计算机辅助设计计算机辅助制造,(CAD,CAM),技术向纵深方向发展的要求。,CAE,技术一般认为是一个包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和数值实现方法。,CAD,CAM,技术水平和应用水平的提高是,CAE,技术发展的动力；,高性能计算机及图形显示设备的推出是,CAE,技术发展的条件；,有限元法、边界元法及结构优化设计技术等计算力学方法是,CAE,技术的理论基础。,数值模拟技术,塑料模具计算机辅助工程技术而言，它主要是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象、直观地在计算机屏幕上模拟出实际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据。,数值模拟技术,塑料注射模的传统做法,数值模拟技术,塑料注射模的,CAE,做法,数值模拟技术,塑料注射模,CAE,技术,目前注塑模,CAE,技术的研究工作主要集中在流动模拟、冷却模拟，以及压实和翘曲等方面。,(1),注射模流动充填过程模拟分析,流动充填模拟分析一般包括浇道系统分析和型腔充填分析。浇道系统分析的目的是确定合理的流道尺寸、布置以及最佳的浇口数量、位置和形状；型腔充填分析的主要目的是为了得到合理的型腔形状及最佳的注塑压力、注射速率等参数。,(2),注射模冷却系统模拟分析,注射模冷却系统的设计直接影响着注塑生产率和塑件质量，冷却系统的冷却效果决定着注塑模的冷却时间，而模具的冷却时间约占整个注塑循环周期的,2,3,。一个完善的冷却系统能显著地减少冷却时间，从而提高注塑生产效率。塑件的翘曲变形和内部残余热应力常常是由于冷却不均匀而产生的。利用,CAE,技术进行分析，可获得经济的冷却时间、合理的冷却管道尺寸和布置，使塑件尽可能地均匀冷却。,数值模拟技术,气体辅助注射模,CAE,技术,采用气体辅助注射成型可生产出空的、较轻的、韧性好的塑料制品，并避免塑件表面凹痕，减少翘曲变形。利用,CAE,技术可减少气体辅助注射成型中的循环时间，降低锁模力，并使塑件均匀凝固。,气体辅助注射成型的工艺过程,气体辅助注射成型,(Gas-Assisted Injection Molding),是在传统的注射成型基础上发展起来的一种创新的注射成型工艺，从,20,世纪,80,年代开始实际应用，是自往复式螺杆注射机问世以来，注射成型工业最重要、最有意义的发展。气体辅助注射成型所需的设备是利用普通的注射机，再加装一套气体注射装置即可。气体注射装置包括气体压力制备系统、喷气嘴和气体压力控制系统。,数值模拟技术,气体辅助注射成型的工艺过程分为三个阶段，如图所示。首先是充填阶段，在这一阶段先向型腔注入熔体，一般在型腔充填至,75,95,时，停止熔体注射，然后经过一段延迟时间,(,或立即,),向型腔内注入受压气体,(,因氮气具有成本低且不易 与熔体发生反应等特点而被普遍采用,),，气体可通过浇口、流道或直接进入型腔内部。熔体在受压气体的推动下继续向前运动直至将整个型腔充满。接着进入保压阶段，继续向型腔内注入高压气体，以弥补熔体因冷却而引起的收缩。在熔体完全冷却固化后，进入脱模阶段。,数值模拟技术,阶段,(1),充填阶段：,12,熔体注射,23,延迟时间,3-4,气体注射,阶段,(2),保压阶段：,45,气体保压,56,气体压力释放,阶段,(3),脱模阶段,数值模拟技术,优点,减少原料用量，从而降低生产成本；减轻制件重量，缩短生产周期；消除沉降斑，减轻制件翘曲变形；降低锁模力，等等。基于上述优点，气体辅助注射成型突破了传统注射成型的局限性，可灵活地运用于多种制件的成型加工。例如：利用其充填阶段注射气体可节省原料、降低成本、缩短冷却时间的优点生产柱状制件，例如衣服架、斧柄、沙滩椅腿等；利用其具有降低锁模力、减轻翘曲变形、提高制件表面质量的优点，可以生产平板状的设有内置式气道的制件，例如汽车表板、家用电器外壳、大型家具等；利用其可将复杂结构制件一次成型的优点，可用于加工具有厚、薄壁一体结构的制件，例如汽车车窗滑槽、办公和文具用品，等等。,数值模拟技术,缺点：,专用的气体注射装备目前成本还比较高；排气孔可能会引起制件的表面质量问题；对有些制件会出现锁模力较大的情况。除此之外，气体辅助注射成型加工过程增加了许多控制参数，诸如气体注入点、气体压力、熔体注射量、熔体一气体注射之间的延迟时间、气体保压时间等，气体辅助注射成型的模具设计和制造要额外地考虑气道的设置。这些对于缺乏气体辅助注射成型加工及模具设计、制造经验的工程人员都具有一定的难度。,数值模拟技术,气体辅助注射成型,CAE,技术,核心计算模块是充填流动分析模块。流动模拟的目的是预测熔体及气体充填型腔的过程，计算流道、浇口及型腔内熔体的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率分布、剪切应力分布以及熔体一气体的空间分布，并将这些结果以图表、等值线图或阴影图的形式显示在计算机屏幕上，以便设计师分析、评价模具设计参数和气体辅助注射成型工艺条件。从而确定合理的浇口、气体人口数量和布置，优化气体辅助注射成型工艺参数，预测所需的注射压力及锁模力，并发现可能出现的气穴、气体不均衡充填、注射不足、热降解等成型缺陷。,数值模拟技术,数值模拟技术,塑料模具,CAE,技术的研究现状与发展趋势,近几年来，发展最快的是利用计算机辅助工程,(CAE),对加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品和模具设计以及工艺条件的最佳方案，使加工成型从一项实用技术变为一门应用科学。如果对塑料在加工过程中的流动、传热，以及在力场和热场的作用下所出现的物理变化、化学变化没有深入的科学认识，就不能生产出质地优良的制品。因此，各国对塑料的成型加工的基础研究都非常重视。,数值模拟技术,注塑成型过程模拟始于,20,世纪,60,年代。英国、美国、加拿大等国的学者在,60,年代完成了一维流动和冷却数值模拟，,70,年代完成了二维分析程序，,80,年代开展了三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压、纤维取向、分子取向以及制品翘曲预测等领域。进入,90,年代后，开展了流动、保压、冷却、应力分析的注塑全过程的集成化研究。,数值模拟技术,美国,K,K,Wang,领导的,Cornell,大学,CIMP,研究小组自,1974,年开始，在美国政府的资助下，在注塑成型模拟研究方面取得了令人瞩目的成就，他们在非牛顿、非等温熔体流动的流变模型，冷却过程的热传导模型，保压和翘曲分析的粘弹性模型以及数值计算方法方面都取得了实质性的成果。,美国,ACTech,公司直接利用和推广,Cornell,大学的科研成果而研制开发的,CMOLD,软件无论是数学模型、程序编制，还是用户界面、软件接口都具有很高的水平，并且在美国和世界各地得到广泛应用。,美国的,AT&T,Bell,实验室，美国和意大利的,Plastics & Computer,公司，澳大利亚的,Mold Flow,公司，德国的,Ikv,研究所和,Aachen,大学，美国的,SDRC,公司和,Mc,Donell,Doudass,飞机公司等在注塑成型模拟和注塑模专家系统方面都进行了深入的研究。,数值模拟技术,国外注塑成型模拟研究的热点是气体辅助注射成型模拟和真三维的精密注射成型数值模拟以及联机分析成型过程的控制系统。将实际注射成型与计算机模拟结果进行实时比较，然后利用专家系统自动调整成型工艺参数，以实现注射成型机的优化控制。我国注塑成型模拟研究始于,80,年代。特别是在“八五”期间，在国家“八五”科技攻关项目的支持下，我国在注塑流动模拟、冷却模拟等方面都取得了长足进展，并在某些方面达到了国际,90,年代初的水平。,数值模拟技术,注射模软件的三个发展阶段,第,1,阶段为开发独立运行的注射过程模拟软件,第,2,阶段为二维模具设计软件与模拟软件的集成,第,3,阶段为三维模具设计与制造软件及模拟软件的集成,数值模拟技术,独立运行的注射过程模拟软件,澳大利亚,Moldflow,公司在,1978,年推出的基于有限差分方法的一维商品化流动分析软件,MF1,0,，以及美国,AC-Tech,公司在,1986,年推出的基于有限元方法的二维商品化流动分析软件,C-Flow1,0,是这一阶段注射模软件发展的两个里程碑。在随后的,10,年里，,MF,和,C,Flow,软件不断地得以改进和完善，现已形成包括流动模拟、保压分析、冷却分析、内应力分析、分子定向和翘曲变形预测等系列分析软件，在国内外模具界享有盛誉。,数值模拟技术,存在缺点和问题：,软件基于二维数学模型 尽管所有软件都采用了三维可视化技术，但数学模型过于简化，导致分析结果不精确，在许多情况下所获得的分析结果只能定性，不能定量，翅曲分析软件便成为无源之水。,中性面的生成一直是运行注射过程分析软件的拦路虎 由于流动、保压及冷却软件均需采用中性面来分析。所谓中性面是假想的位于模具型腔和型芯中间的层面，用户直接由塑料制品来构造中性面已深感困难，若依据型腔和型芯图形来生成中性面则更是难上加难。,必须事先知道模具浇住系统和冷却系统的布置方案和注射工艺条件 在缺少这些初始数据的情况下，分析软件的使用价值和效率便大打折扣，单纯依靠尝试法即使是反复运行这些分析软件也不一定能获得合适的技术方案和工艺条件。,曲面造型和编辑功能具有相当的局限性 其造型的方便程度和应用的覆盖面远不能和著名的商品化,CAD,CAM,系统相比。,数值模拟技术,二维模具设计软件与分析软件的集成,数值模拟技术,三维模具设计和制造软件与模拟软件的集成,在,90,年代，西方先进工业国已将商品化,CAD,CAM,系统与注射过程模拟软件进行了初步集成，并取得了显著成效。但是，无论是,UG,，,CADDS5,、还是,Pro-E,，在开发之初都是作为通用机械设计与制造工具来构思的，并不针对塑料模具，因此在使用这些通用,CAD,软件设计塑料模具时会感到效率低下、操作繁琐、功能短缺。为此，近年来发展的趋势是开发新一代的注射模,CAD,CAM,专用系统，或者是在,CAD,CAM,通用系统的基础上进行有针对性的二次开发。,如,Technical,公司开发的专用系统,CAMold,软件，能使注射模设计的许多常规工作自动化，,CAMold,软件建立了注射摸各部件之间的关系模型，能自动装配和修改注射模的结构和尺寸。再如,PTC,公司在,Pro,E,软件的基础上开发了用于注射模设计的专用软件,Pro,Moldesign,，初步实现了模具结构设计、注射流动过程模拟和注射模开合动作仿真的集成。,