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快速成型技术用于产品快速开发 |
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作者：洪军 唐一平 卢秉恒 |
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摘要：本文介绍了快速成型技术在产品的设计评估与审核、产品的功能试验、与客户及订购商的交流及快速模具方面的应用与案例，在企业的新产品快速开发中，该项技术是加快产品的研发周期、提高企业市场竞争能力的关键使能技术之一。
关键词：快速成型，产品开发，制造系统
1 前言
近20年来，制造业市场环境发生了巨大变化：一方面表现为消费者兴趣的短时效性和消费者需求日益主体化、个性化及多元化；另一方面则是区域性、国际性市场壁垒的淡化或打破，使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定向、制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移等。此可视为各国致力于CIMS、并行工程、敏捷制造等现代制造模式研究与实践的重要背景。传统制造业的战略是规模效益第一，80年代又提出价格第一和质量第一，90年代以来，已发展为市场响应第一。快速响应制造已成为国际研究的热点。自动化制造系统是以响应市场定单为重点的。如今市场的机遇要靠企业去把握、去创造。因此，产品的快速开发是快速响应制造的龙头，将成为赢得21世纪国际市场竞争的关键。
80年代以来，由于光、机、电、材料科学的发展，一个基于材料累加原理的快速原型制造技术（RP）诞生了。短短几年之内，这一技术就为制造业广泛接受。利用这一技术可以在计算机控制下，迅速将CAD数字模型变为零件的物理模型。因而CAD→RP原型→评价→CAD修改已逐渐成为保证一次设计成功的新设计模式。在家电、汽车制造业中，模具成形零件占了制造工时的50%～70%。近几年来发展起来的基于RP的RT技术，可以快速将RP原型复制出各种工程材料的样件或小批量功能零件，实现产品的试产试销，以争取定单或占领市场。RT技术还可以迅速获得电极制造钢制模具。这一方法可制造注塑模、压铸模、冲压模等各类精密复杂模具。目前快速成型技术已经广范应用于汽车、航空航天、船舶、家电、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童玩具等领域，并且随着这一技术本身的不断发展和完善，其应用范围将不断拓广。
2 快速成型技术在产品的快速开发中的应用与案例
2.1 产品的设计评估与审核
在现代产品设计中，设计手段日趋先进，CAD计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员仍无法直观地评价所设计产品的效果、结构合理性及生产工艺的可行性。为提高设计质量，缩短生产试制周期。快速成型系统可在几个小时或几天内将设计人员的图纸或CAD模型转化成现实的模型和样件。这样就可进行设计评定，迅速地取得用户对设计的反馈意见。同时也有利于产品制造者加深对产品的理解，合理地确定生产方式、工艺流程。与传统模型制造相比，快速成型方法速度快，能够随时通过CAD进行修改与再验证，使设计走向尽善尽美。
图1为西北快速成型生产力促进中心为西北国际电信股份有限公司的医疗仪器产品做产品快速开发服务的典型案例，此产品是由西北国际电信股份有限公司开发，用于人体辅助治疗的医电产品，要求外形美观，符合人体工学，而且在设计阶段能进行试装配。图中(a)图为用户采用传统的办法制作的橡胶与铝质手工模型，制作周期为15天，无法满足用户的设计评估需要，(b)图为通过快速成型制作的树脂模型，耗时6小时，完全满足了用户的设计评估需要，通过试装配与外形评估，对产品的外形及功能结构做了重新修改，达到了理想要求。这一设计验证过程，使设计更趋完美，极大缩短了开发周期，避免了盲目投产造成的浪费。传统的手工模型制作与快速成型在产品的设计与评估中的比较见表1。表1 传统的手工模型制作与快速成型在产品的设计与评估中的比较
 由上表中的比较可以看出，虽然快速成型制作的成本高一些，但在新产品的快速开发成为企业生存与发展的瓶颈的市场环境下，快速成型制作已成为企业新产品开发的必要环节。
2.2 产品功能试验
由快速成型制作的原型具有一定的强度，可用于传热、流体力学试验，可用于产品受载应力应变的实验分析。例如，美国GM在为其97年将推出的某车型开发中，直接使用快速成型制作的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省花费达40％以上。国营西安东方机械厂导弹引信叶轮的开发的传统流程为：设计—制作钢模具—尼龙66成型—功能实验—设计修改，开发周期为3~5个月，费用为2~4万元，后来采用快速成型工艺制作叶轮的树脂模型（图2a），直接用于弹道试验，引信叶轮的临界转速高达50000rpm，制作时间为1.5小时，费用仅为400元，极大地加快了我国导弹引信的开发速度。图2b为江阴汽车空调器厂开发的汽车空调器动叶轮与静叶轮，直接使用快速成型制作的模型进行空气动力学实验，后经改型设计达到理想要求，极大地缩短了开发周期、节省了开发成本。
2.3 与客户或订购商的交流手段
在国内外，制作RP原型成为某些制造商家争夺订单的手段。例如西安奥星能源技术研究所，利用西安交通大学LPS600型快速成型机及以此为基础的快速模具制造技术，仅在接到西安VOLVO公司标书后的6个工作日内便设计生产出了第一个功能样件(图3)，从而在众多的竞争商中夺到年总产值达1000万美元的油箱件的供应合同。另一方面，客户总是更乐意对实物原型“指手划脚”，提出对产品的修改意见，因此快速成型制作的模型成为设计制造商与客户交流沟通的基本条件。
2.4 快速模具制造
以快速成型制作的实体模型，结合精铸、金属喷涂、电镀及电极研磨等技术可以快速制造出模具，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1／5～1／10，而成本却仅为其1／3～1／5。根据模具材料、生产成本、RP原型的材料、生产批量、模具的精度要求已开发出多种多样的工艺方法。本文仅对实际产品快速开发的常见工艺方法与案例加以介绍。
1）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20～50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。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，在航空航天、体育用品、玩具和装饰设备等领域应用广泛。制作生产周期为1周左右。成本为钢模的1/15~1/20。
图4为云南光学仪器厂开发的望远镜外壳快速模具制作案例。通过制作RP模型，采用硅橡胶模翻制ABS塑料样件，云南光学仪器厂快速地实现了新产品开发，含RP原型，制作生产周期为6天。
2）金属喷涂（Metal Spraying）制模法
当模具要求的寿命在3000件以下时，一般采用以RP原型作母模，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料，制作锌铝合金软模具。该工艺方法简单，周期短，型腔表面及其精细花纹一次同时形成。其制作周期为1～2周，成本为数控法加工钢模的1/3～1/5。
图5为国家节水灌溉中心开发的滴灌用滴头快速模具制作案例。通过制作滴头RP模型，采用金属喷涂制模法制作锌铝合金软模具，注塑成型1000件滴头产品，用于农业节水灌溉试验，国家节水灌溉中心快速地实现了新产品的试制，含RP原型，制作生产周期为2周。
3）用快速成型件作母模，制作钢模
当模具要求的寿命在3000件以上时，可以采用以RP原型作母模，翻制由环氧树脂与碳化硅混合物构成的整体研磨轮（3D砂轮），在石墨电极成型机上研磨出整体石墨电极，或利用电化学原理通过电铸的方法使铜沉积在RP原型表面约2～3mm厚，移去RP原型，得到电极壳体，充填背衬材料，制成整体铜电极。利用以上整体石墨电极或整体铜电极通过电火花加工制造钢模具。该模具制造工艺方法避免了CNC加工，节约了CNC编程及加工时间，复形精度也较高。其模具制作周期为3～4周，成本为数控法加工钢模的1/2～1/3。
图6为一拖集团公司开发的发动机用连杆快速模具制作案例。通过制作连杆RP模型，采用石墨电极整体成型技术制作连杆石墨电极，通过电火花加工制造连杆钢模具。制作生产周期为3周。
3 结论
从以上论述可以看出，快速成型技术及以其为基础的快速模具技术在企业新产品的快速开发中有着重要的作用，它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。在21世纪，新产品的快速开发成为企业生存与发展命脉，该项技术必将得到广阔的应用与发展。
参考文献
[1] 卢秉恒，唐一平，李涤尘. 激光快速成型制造技术的发展与应用. 航空制造工程 , 总第175期1997.7
[2] 唐一平，王平，丁浩. 基于RP法的快速模具制造. RP技术与快速模具制造论文集, 1998 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/29/2004) |
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