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工业设计/产品设计 |
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基于MEM技术的概念车身模型的制造 |
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作者：安芬菊 师文庆 |
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1 引言
快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)是近20多年来发展起来的一项新的造型技术。它是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、材料科学和激光技术等结合起来的综合性造型技术。它是采用数字化(离散)的方法、通过增材加工来构建最终实体。它与传统意义上的减材加工方法不同，加工过程无需刀具、模具和工装夹具，材料的利用率极高；突破了零件几何形状复杂程度的限制，理论上可以制造出任意复杂形状的零件；成型迅速，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型，具有高度柔性；能实现与CAD／CAM的无缝连接。由于该技术无需工模具设计／制造／调整，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本。从全程来看，能够快速完成设计／制造一体化。
到目前为止，全世界已经形成了很多种不同的成型方法和工艺。其中国内清华大学开发的相近于熔融沉积成型(FDM-Fused Deposition Modeling)的熔融挤压快速成型(MEM～Melted Extrusion Modeling)是RP技术中的一种重要方法，也是RP技术的后起之秀。该工艺原理是将丝状热熔性材料(ABS、PC、蜡)通过液化器熔化，挤压喷出并堆积一个层片，然后用同样的方法加工下一个层片，并与前一个层片熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。图1为熔融挤压快速成型的工艺原理。
图1 熔融挤压快速成型工艺原理
2 概念车身模型的制造方法
快速成型工艺过程是一个涉及CAD／CAM、数据编程、材料制备及后处理等环节的集成制造过程。在整个工艺过程中每一个环节都会对成型件的精度、成型时间及材料利用率产生影响。而成型件的精度和成型时间是MEM工艺中的两个主要技术指标。材料利用率也是一个比较重要的问题。同时，还要防止加工过程中由于热应力而出现的翘曲变形。所以。合理地设计加工方法及加工工艺至关重要。由于要加工的概念车身模型的尺寸较大，超过了所用MEM设备的成型空问，因此需要将整体概念车身模型分割处理，分割为若干个部分再进行加工。为减小加工过程中的台阶效应，提高精度，需要合理放置加工件，尽量使加工过程中加工件的主要表面与水平面的夹角最大；为防止成型件出现翘曲变形，就要尽量减小在加工过程中的内应力，其实质是使加工件在加工过程中的不同部分的温度差不要太大。为达到这一目的，可以采用缩小加工截面积的办法，即将概念车车身立起来放置(如图3(b)所示)。这样既能减小加工过程中任意横截面的面积，减小内应力，遏制翘曲变形；又能使概念车身模型的主要表面(外表面)与水平面的夹角最大，减小加工过程中的台阶效应，提高精度；还能省掉加工过程中不必要的支撑，提高材料利用率。
另外，熔融挤压快速成型的工艺参数在MEM的加工过程中起着相当重要的作用。这些工艺参数包括分层厚度、喷头温度、环境温度、挤出速度、填充速度、理想轮廓线的补偿量及延迟时间等。在工艺过程中为了保证相邻两层能够牢固的粘结，就应使分层厚度小于喷嘴的直径，挤出速度与填充速度合理匹配，使得喷丝从喷嘴挤出时的体积等于粘结时的体积。研究表明对改性ABS这种材料，喷头温度一般控制在248℃，工作室的环境温度设定为比挤出丝的熔点温度低I℃一2℃为宜，一般取55℃。同时需要合理设置延迟时间参数，设置调整理想轮廓补偿量。
图2 概念车身模型
3 概念车身模型的制造过程
3．1 利用Rhino软件进行三维CAD模型的构建使用Rhino软件进行3D建模，完成后的三维图形如图2所示。
目前快速成型设备能够接受STL、SLC、CLI、RPI、LEAF、SIF等多种格式的文件，其中sTL文件格式被大多数快速成型机所接受，被认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有的快速成型系统都采用STL数据格式。本系统也接受STL数据格式，因此要在快速成型之前，先要对3D实体模型进行三角网格划分以生成STL文件。Rhino软件生成、输出STL文件的过程为：①File(文件)-Save As(另存为)；②选择文件类型为STL；③输入文件名；④Save(保存)；⑤选择Binary STL Files(二进制STL文件)。
3.2 Aurora软件输出CLI文件
Aurora是专业快速成型数据处理软件，它接受STL模型，进行分层处理后输出CU格式标准文件，可供多种工艺的快速成型系统使用。Aurora软件具有输入、输出、模型分割、几何变换、三维模型显示、效验与修复、自动支撑功能和分层等功能。
概念车身模型进行整体加工时，由于概念车身模型的几何尺寸大于所用快速成型系统的成型空间，无法加工(图3(a))，这时需要通过Aurora软件对模型进行分割，利用分割命令将概念车身的STL模型在一个确定的高度分解，生成两个STL模型(图3(b))，然后分次进行加工(图3(c))。这里我们通过对STL模型坐标旋转变换，选择图3(c)的放置角度，设定分层参数(厚度为0．2ram)，进行模型分层。这样立起来放置，不仅可以减小台阶效应、提高成型件精度，而且可以节省加工时间，减少支撑，节省材料。
图3 模型分割过程
3．3 快速成型工艺参数的选择
MEM成型机对设计三维模型进行分层处理后开始加工，加工之前首先要调整工艺参数。概念车身模型的加工设备和加工过程中的主要工艺参数如下。
加工设备采用北京殷华激光快速成形有限公司研制的MEM-300-II型单喷嘴熔融挤压快速成型机，其加工精度±0.2／100；扫描速度0-80mm／s；喷嘴直径为0.3mm；材料为ABS树脂，材料的膨胀系数为Δ=7x10-5／℃，原丝直径D=2mm。
主要工艺参数如表1所示。
利用以上工艺参数在MEM-300-II型快速成型机上成功地加工出了概念车身模型的上、下两部分。
3．4 概念车身模型的后处理
在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要去除支撑结构，用粘结剂将模型的上、下两部分粘结在一起。然后进行打磨、抛光、喷漆。经过后处理完成的概念车身模型如图4所示。
图4 最终概念车身模型
4 结论
①基于快速成型的设计与制造是快速成型技术发展的必然趋势，本文通过概念车身模型的设计与制造，依据理论知识从实际生产中总结出其加工工艺，确定了较佳的工艺参数，为利用MEM技术进行大型、薄壁产品的开发、设计提供了理论的依据和实现的可能性。
②应用MEM技术进行产品模型的快速开发，试制周期短，能够提高产品的设计质量，具有很强的市场竞争能力，能够实现设计／制造一体化。(end)
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(12/10/2008) |
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