工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速成型系統(tǒng)的研究

劉洋++成孝宗

摘 要：21世紀(jì)人們已經(jīng)步人了一個(gè)高度信息化的時(shí)代，一個(gè)信息經(jīng)濟(jì)和知識(shí)經(jīng).濟(jì)占主導(dǎo)的時(shí)代，信息經(jīng)濟(jì)已成為知識(shí)創(chuàng)新的決定因素。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，信息同樣體現(xiàn)出巨大的價(jià)值，誰占有廣泛的信息資源、擁有了新的信息，誰在收集、加工處理和利用設(shè)計(jì)信息方面領(lǐng)先一步，誰就`占據(jù)了新知識(shí)的制高點(diǎn)，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)中就具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)產(chǎn)品 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 快速成型系統(tǒng)

1、快速成型技術(shù)原理

快速成型技術(shù)，自產(chǎn)生以來已有30年左右的發(fā)展歷史，它融合了眾多的學(xué)科與技術(shù)，比如數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)械工程、材料科學(xué)、激光技術(shù)。它較傳統(tǒng)的機(jī)加工方法更快速地將設(shè)計(jì)概念實(shí)現(xiàn)為具有一定功能的模型或零件，從而為設(shè)計(jì)定義的發(fā)展、測(cè)試樣機(jī)的功能驗(yàn)證等工作提供低耗、高效的生產(chǎn)工藝。

它是一種基于離散-堆積成型原理的新型制造方法。先由CAD軟件建造出三維數(shù)字模型，然后把三維數(shù)字模型分層為二維平面信息；再將二維信息生成數(shù)控代碼，驅(qū)動(dòng)加工終端對(duì)材料進(jìn)行逐層成型并粘接為產(chǎn)品形體?？焖俪尚图夹g(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械加工的“去除”加工法，而是采用全新的“增材”加工制造方法。

2、快速成型技術(shù)在設(shè)計(jì)研發(fā)中的作用

2.1快速成型技術(shù)可以避免設(shè)計(jì)主觀失誤，提升創(chuàng)意品質(zhì)

新產(chǎn)品的創(chuàng)意初期經(jīng)常帶有設(shè)計(jì)者的主觀喜好，但有可能是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｍㄟ^快速成型技術(shù)的運(yùn)用，在創(chuàng)意設(shè)計(jì)的同時(shí)就能直觀得到產(chǎn)品的預(yù)想樣機(jī)模型，比僅靠三維數(shù)字模型更能發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，更能直觀地對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及其與整體的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)，避免了更多的反復(fù)修改。

2.2快速成型技術(shù)可以縮短設(shè)計(jì)周期，加快新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度

對(duì)于一般產(chǎn)品，只有在模具驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行整機(jī)的裝配及驗(yàn)收，這需要一段相當(dāng)長的時(shí)間。應(yīng)用快速成型技術(shù)之后，可以充分利用模具制造的這段時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)品部件的整體裝配和功能試驗(yàn)，使模具爭(zhēng)取一次性通過驗(yàn)收。這就會(huì)使模具制造與整機(jī)試驗(yàn)、評(píng)價(jià)工作同時(shí)進(jìn)行，最大限度地提升產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。

2.3快速成型技術(shù)可以在產(chǎn)品開發(fā)初期提供直觀的三維實(shí)體樣件

由于快速成型技術(shù)制作出的樣品更直觀、辨識(shí)度更強(qiáng)，所以在樣件制作方面有非常大的優(yōu)勢(shì)。利用快速成型技術(shù)制作產(chǎn)品模型，能夠使用戶在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前便全方位地查驗(yàn)產(chǎn)品的細(xì)節(jié)與整體，及時(shí)反饋意見，給設(shè)計(jì)生產(chǎn)方提供更多更全面的設(shè)計(jì)生產(chǎn)依據(jù)。

3、工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速成型平臺(tái)的選擇

3.1 工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)的選擇

工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是人性化物品優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)集工藝美術(shù)及商業(yè)等風(fēng)格為一體。在整個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念決定產(chǎn)品發(fā)展的前提，而選擇合適的設(shè)計(jì)平臺(tái)又是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)理念的關(guān)鍵所在。采用Pro/Engineer作為工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)造型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可利用實(shí)體建模、曲面建模、自由造型和圖形渲染等功能，輕松實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)意，直接預(yù)見設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外觀，并為下一步產(chǎn)品快速成型、輸出對(duì)應(yīng)模型格式奠定基礎(chǔ)。

3.2 快速制造平臺(tái)的選擇

工業(yè)產(chǎn)品的制造選用三維打印快速成形技術(shù)，其基于微噴射原理，將液態(tài)噴滴按一定程序逐層打印成形，整個(gè)過程在常溫下操作，設(shè)備價(jià)格較低，運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用較低，成型速度快，操作簡單，無污染，制件精度較高。

4、工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1 原產(chǎn)品及創(chuàng)新設(shè)計(jì)要求

圖1為電子定時(shí)控制插座，帶有液晶顯示和定時(shí)開關(guān)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能家居越來越普及，要求將原電子定時(shí)插座改為智能wifi遠(yuǎn)程控制插座，并要求創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品外形美觀，曲面飽滿、光順，線條清晰，色彩漂亮、協(xié)調(diào)，具有較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，且工作可靠，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗跌落性。

4.2 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)造型

由于內(nèi)部控制線板和基本形狀及尺寸已經(jīng)給定，且以大批量生產(chǎn)為前提，故產(chǎn)品外形創(chuàng)新設(shè)計(jì)力求簡單、實(shí)用，而且插頭和插孔以國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，故在草繪插板等標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，直接利用Pro/Engineer提供的高級(jí)草繪命令（草繪數(shù)據(jù)來自文件）進(jìn)行特征創(chuàng)建，既滿足設(shè)計(jì)要求，又縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，然后采用曲面造型及基本特征命令建立插座上蓋、下蓋、插板、按鈕等零件并進(jìn)行裝配。

5、快速成型技術(shù)的發(fā)展方向

5.1 獨(dú)立行進(jìn)的快速成型制造領(lǐng)域

目前，快速概念模型制造、快速模具技術(shù)、快速功能測(cè)試模型制造及快速功能零件制造并行發(fā)展。前三者由于針對(duì)目標(biāo)明確，發(fā)展方向相對(duì)獨(dú)立。相對(duì)來講，快速功能零件制造一直是快速成型技術(shù)研究的熱點(diǎn)和最具挑戰(zhàn)性的課題?，F(xiàn)有的快速成型技術(shù)可以制造出ABS或金屬零件，但其表面精度和內(nèi)部力學(xué)性能等方面仍然很難達(dá)到真正實(shí)際零件的全部要求。所以，在今后的很長一段時(shí)間內(nèi)，快速功能零件制造仍將局限于研究領(lǐng)域。

5.2 向大型制造與微型制造進(jìn)軍

分析快速成型技術(shù)主導(dǎo)公司的產(chǎn)品系列不難發(fā)現(xiàn)，成型的模型尺寸有不斷增大的趨勢(shì)，但是大型模具制造的難度也很大。不過快速成型技術(shù)在模具制造領(lǐng)域越來越有優(yōu)勢(shì)，未來的快速成型技術(shù)市場(chǎng)肯定會(huì)被大型制造占據(jù)一定份額。與此形成鮮明對(duì)比的是，快速成型向微型制造領(lǐng)域進(jìn)軍，采用高精度激光掃描系統(tǒng)的微米印刷技術(shù)來制造微米零件已經(jīng)成為開發(fā)微機(jī)電系統(tǒng)的重要手段。

5.3 新的成型方法和材料

現(xiàn)有的快速成型方法都基于立體平面化-離散-堆積的思路，今后有可能研究集“堆積”和“切削”于一體的快速成型技術(shù)，形成新的疊層成型方法，以提高模型的性能和精度，降低生產(chǎn)成本。另外，從快速成型技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，可以發(fā)展全新的快速成型材料，特別是復(fù)合材料、納米材料、非均質(zhì)材料等。

6、結(jié)論

快速成型技術(shù)是一種處在發(fā)展完善過程的高新技術(shù)，其技術(shù)本身和應(yīng)用領(lǐng)域尚需進(jìn)行大量的開發(fā)研究。21世紀(jì)將是以知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)為特征的時(shí)代，制造業(yè)面臨信息社會(huì)中瞬息萬變的市場(chǎng)對(duì)小批量多品種產(chǎn)品要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在制造業(yè)日趨國際化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn)，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。因此，快速成型、制模、制造技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

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