基于快速原型（RP）和虚拟制造（VM）的新模具研发

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欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 时间在不断推进时代的发展，“自动化”早已不是工程开发中最流行的字眼，取而代之，“人性化”其不可或缺的地位日趋显著。要实现产品最终人性化设计的目的，中间的制模阶段当然是不容忽视的。 传统的CAD/CAM系统虽说实现了快速建模，在一定程度上达到高效的设计和制造，并广泛应用于航天飞机，船舶，机车及其他工业产品和生活产品等行业，但随着市场需求的复杂度和产品本身的自由度发展，当这些系统不再能够满足人们的个性需求时，它们便显现出人性化方面的欠缺。而从上世纪末逐渐发展起来的快速原型技术(Rapid Prototyping简称RP)在很大程度上改善了原有传统系统的在人性化人机交流方面的不足。在快速原型系统中用户可以通过本地的，甚至远程的快速原型仪器的参与，直接设计建立他们所设想产品的物理模型。这样的界面，在进行产品研发建模的过程中，用户也可以参与其中，表达他们的思想和目的，从而真正的实现人性化设计。 德国奥迪(Audi)公司的理事Dr. Heinemann曾经在他的一个演讲中提到过这样的一个图例，以表达奥迪的产品研发理念。 可见，构成最终的一件成功的产品，质量，时间，成本这三个要素起着决定性的作用。那么就从这三个方面，来做一下传统CAD/CAM系统和现代RP系统的比较。 (1)时间方面。比方说传统的设计在制模阶段出现问题时，只能倒回到设计阶段进行改进。而在RP系统中，在虚拟建模的时候，产品设计师就可以通过次虚拟模型和技术工程师进行讨论，也不必因为一个简单的拔模角度问题而滞留整个设计过程。生产效率自然提高。 (2)质量方面。由于RP系统在虚拟建模的过程中不仅可以虚拟产品的几何外形，还可虚拟产品的动力学特征，如相干性、强度、硬度等问题，进而虚拟整个加工环境。那么在这样反复的测试中，产品的质量当然相应的就比较高。且模具较传统模具精度高。 (3)成本方面。由于传统的产品开发和筹划都是根据很多基于纸张上的文书信息所决定，如工程图，材料费用，购买顺序等等。而RP系统，对于完成这些前期工作，均是基于电子模型。虽说后期制造实体模型的材料价格相对昂贵，然而从长远的投资报酬率来说，效率、质量推动市场，赢得客户，节约了其它如耽搁在广告和运输等方面费用，那么总的来说，便节约了成本。 因此，基于快速原型系统的上述特征和优势，它现在的应用已经愈加广泛，并且有着非常好的市场前景。美国著名的Strata sys公司设计开发的一系列RP仪器就深受市场的好评。而Eaton和Caterpillar等创新型公司，将RP技术与电脑和网络相结合，更是赢得了一大批客户。 然而，RP系统依然存在着一些不足。目前的RP系统主要有LOM(Laminated object manufacturing)分层实体制造法、SL(Stereo lithography)立体光固化成型法、FDM(Fused deposition modeling)熔融沉积成型法、SLS(Selective laser sintering)选择型激光烧结法、MM(Model maker)建模法。无论哪种他们都在一定程度上存在自己的缺陷，比如说难以构建结构特别复杂的零件，可选择的制模材料有限，制模工艺过程中不够环保等等。那么如果在原有基础上，将模型进行完全虚拟，即整个制模过程都是数字化完成，那么所有上述实体建模过程中存在的问题便都迎刃而解。这便是虚拟制造系统(Virtual Manufacture 简称VM)。 所谓虚拟制造，实际上就是实际的制造过程在计算机上的映射。即采用计算机仿真和虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协作下，对实际的假想和仿真，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等管理和控制产品制造过程，以增强制造过程各级决策与控制能力。它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为基础，借助虚拟环境，获取各种信息，在产品设计或制造系统的建造实现前，就能使人们体会到未来产品装配性能或装配系统的状态，从而进一步贴近人性化设计。下面用一个图表简明说明虚拟制造的关键和优势。 可见，虚拟制造技术在理论体系、开放式体系结构、外形仿真、装配仿真、人机协作、运动和动力学仿真，加工仿真等方面都实现了其高效、环保、高质量的特征。因此它广泛应用于各大工业和小工业行业中，如煤矿、医疗等等。特别是在汽车生产制造过程中，如世界一线的汽车生产商，通用(GM)、福特(Ford)、克莱斯勒(Daimler Chrysler)。基于其对于虚拟制造技术的应用，其研发的工作周期从48-60个月缩短至18个月，大约下降了40-60%，成本也相应的下降了50%。以车外形覆盖件为例，其零件信息一般包括总体信息、几何信息、技术要求信息，以及工艺隐含信息。将虚拟制造系统与计算机结合开发出的仿真系统恰可以满足设计制造要求。用一种发散的方式来形容这个仿真系统。 在这主要的四个过程中，依据产品需求、市场需求、更重要的是客户需求，虚拟制造技术配合网络化技术的合理应用可以实现各种信息集成管理，产品研发的正确估量，绿色环保制造，能源节约，研发生命周期缩短，从而实现所谓人性化产品研发。 总的来说，快速原型技术以及虚拟制造技术还存在一定程度的不足和不成熟，但这正说明了它们广阔的发展空间。社会的发展，技术的进步，产品的革新，人们对生活的个性化追求等等，所有的这些都要求现代产品设计的人性化特征。而快速原型技术以及虚拟制造技术更进一步的完善一定可以实现真正的人性化设计。 参考文献 [1] 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 [2] [德]安德烈亚斯·格布哈特 快速原型技术 北京-化学工业出版社材料科学与工程出版中心 2005 [3]李雪如 搞设计 北京-中国建筑工业出版社 2005 [4] 严隽琪, 范秀敏, 马登哲 虚拟制造的理论、技术基础与实践 上海-上海交通大学出版社 2003 [5] 肖田元 虚拟制造 北京-清华大学出版社 2004 [6][美]Preston G. Smith Donald G. Reinertsen Developing Products in Half the Time (2nd edition) 清华大学出版社 [7] Prashant Banerjee, Dan Zetu 虚拟制造北京-清华大学出版社 2005(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/12/2006)