新产品开发 论文新产品开发设计 论文

基金项目:2008上海市教育发展基金会晨光计划项目(AASH 0803);上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(AAYQ0821)作者简介:郭华(1978# ),女,河南商丘人,硕士,上海建桥学院讲师,主要从事RE /RP /RT 的应用研究。

RP /RT 技术在新产品开发中的集成应用研究

郭华1

,王勇

2

(1.上海建桥学院机电工程系,上海201319;2.上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093)摘 要:介绍了快速成形和快速模具技术的主要方法、基本原理及主要应用领域,描述了FD M 法制作快速原型的步骤、硅橡胶模具的制作方法和步骤,证明集成RP /RT 技术可以大大缩短产品及模具的开发周期,节约开发成本。

关键词:快速成形;快速模具;硅橡胶模具

中图分类号:TH 166 文献标志码:B 文章编号:1671 5276(2010)06 0014 04

I ntegrated Application Study of RP /RT Technology on Ne w P roduct Develop m ent

GUO H ua 1,W ANG Y ong 2

(1.S hangha i Jianq i a o Co ll e ge ,Depa rt men t o f Mechan ica l and E l e c trica l Eng i n ee ring ,Shangha i 201319,Ch ina ;2.Un iversity of S hangha i f or Science and Techno l o gy ,School o f Energy &Po we r Eng i n ee ring ,Shangha i 200093,China)Abstrac t :M ain methods ,bas ic princ i p l e and app lication fi e lds of the rap i d protot yping and t oo ling t echnology are introduced bri e fl y .

The procedur e of a rapid pr o t ot ype manuf ac t uring on FDM ,t he manuf ac turing m et hod and procedure f or a silicon rubber mould are described in detai.l It is proved t hat the int egrat ed RP /RT t echnology can be used to greatly short en t he peri o d ofm ould develop ment and l o wer the cos t of produc ti o n .

K ey word s :r apid pr o t ot ype ;rap i d t ooli n g ;s ilicon rubber mou l d

0 前言

快速成形(rapid pro totypi ng ,R P )技术是20世纪80年代中后期发展起来的一项先进制造技术,该技术集成了CAD /CAM /CNC 、激光技术、材料科学等高新技术。RP 技术摆脱了传统机械加工中∃去除材料%的方式,采用∃材料堆积%的全新方法,使加工对象不受复杂程度的限制,从而在新产品的开发过程中得到了广泛的应用。快速模具制造(rap i d too ling ,RT )技术是以R P 技术为支撑,能按客户意图制造多品种、小批量生产用模具的快速模具制造技术[1]

。目前基于R P 的RT 技术主要包括直接快速制造和间接快速制造,直接快速制造主要包括光固化、激光烧结、熔融沉积等,间接快速制造主要包括硅橡胶模、粉末冶金模、铸造模等。在实际应用中,可以根据产品具体的批量、成本、周期要求,选择合适的快速模具制造方法。硅橡胶模具,又称作快速软模具,是间接快速模具中最常用的一种,可以用来作为快速过渡模,或作为中小批量生产用模具,模具寿命大约为10~30件。硅橡胶耐高温,硅橡胶模具成本低,周期短,柔性、弹性、脱模性和复制性好。在实际应用中,一般先通过快速成形技术制作出原型母模,再用硅橡胶翻制模具,利用翻制得到的硅橡胶模具在真空注型机中浇注出产品,这种方法常用于浇注塑件或低熔点合金件。硅橡胶模具与传统的模具制作方法相比较,其成本可以降低1/3~1/5,生产周期可以缩短1/3~1/10,可以使产品尽可能早的投入市场,也使企业的经

济效益得到了显著提高。图1为RP /RT 的集成应用。

图1 RP 技术实现流程

1 快速成形技术的实现

图2为RP 技术实现流程。从图2可以看出,R P 的实现需要以下几个步骤:

1)构建三维模型。在这一步可以用三维建模软件构建三维模型,或对现有产品通过逆向工程采集数据、数据处理、模型重构得到三维模型。

2)三维模型前处理。因为RP 采用的是∃离散#堆积%原理,各种三维建模软件中输出的三维模型转化为RP 设备常用的STL 文件格式后,可能或多或少产生缺陷性问题,在加工之前需先用专业软件(M ag i cs ,A urora 等)对模型的STL 文件进行修补处理,对处理好的模型根据选择的加工工艺不同,选择合适的∃材料堆积%方向(该方向即是要进行分层切片的方向),选择合理的切片厚度,对模型进行切片处理,即离散。

3)逐层加工成型。不同的RP 工艺具体的加工过程有所不同,这个过程可以说是离散过程的反过程,从下至

上,逐层把零件的截面加工出来。

4)零件的后处理。从成形机中取出的零件并不能直接使用,一般要对其进行支撑的去除、打磨、修补、喷涂等后期处理。

图2RP技术实现流程

2FDM法制作产品原型

应用较广泛的RP工艺主要有光固化立体造型(stere o lit hography apparat us,SLA)、选择性激光烧结(se lected l a ser si nte ri ng,SLS)、熔融沉积制造(fused depo siti on mode l i ng,FD M)、叠层实体制造(la m i nated ob ject m anufacturi ng, LOM)和三维喷涂粘结(three di m ens i ona l pr i nti ng and g l u i ng,3DPG)5种,FDM技术是快速成形制造中应用较广泛的一种工艺方法,与其他快速成形技术相比,其材料损耗最少,并且后处理比较方便。FDM可以使用A BS塑料、尼龙、蜡等丝材,常用的是ABS丝材,用该材料制作出的原型件的强度可以达到材料本身强度的80%,可以直接作为功能件使用。此工艺首先由美国Stratasys公司研制开发,生产有系列的商品化设备,笔者选用的是北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司的M E M 350单喷嘴熔融挤压快速成形机。图3为FDM原理图。该工艺将丝状热熔型材料(ABS,PC)通过液化器熔化,而后挤压喷出并堆积一个截面层片,然后工作台下降一个层,将第二个层片

图3MEM工作原理用同样的方法加工,并与前一个层片熔结在一起,如此层层堆积而最终得到三维实体的零件。M E M特有的空隙结构,节约材料和成形时间,该工艺特别适用于加工薄壳类零件及微小零件,并且原型强度好,近似于实际零件,可以作为概念设计的直接验证,也可以用来进行翻制模具。表1为M EM 350主要参数。

表1MEM 350主要参数

系统配置主机

操作系统W i ndo w s98、2K,XP

工艺M E M###熔融挤压成形

材料ABS

扫描速度0~80mm/s

成形空间350(长)&350(宽)&450(高)

精度∋0.2mm/100mm

电源4k W,200-240VAC,50/60H z 主机尺寸900(长)&1200(宽)&1800(高)重量约500kg

文件输入格式STL格式

运行环境温度:25(~30(,湿度:20%~30%

a)模型的构建及前处理

笔者选择UG NX4.0软件进行三维建模,并输出STL 格式文件,格式转换过程中可能有数据的缺失,因此必须对转换后的S TL文件进行三角面片的修补。RP工艺对STL 文件的正确性和合理性有较高的要求,主要是要保证STL 模型无裂缝、孔洞,无悬面、重叠面或交叉面,以避免出现分层后的歧义或不封闭现象。一般情况下,从C AD系统中直接输出的S TL模型错误较少,而从RE系统中获得的STL 模型错误较多,在此用Aurora软件对S TL模型进行处理。

A uro ra软件有较高的容错性,对STL文件中一些较小的缺陷问题也有自动检验和修复的功能,对不能完全修复的部分再进行人工交互修复。在完成修复工作后进行支撑的计算与分层切片、模型的分层切片,切片厚度为0.2mm。

b)参数设置及加工

在加工之前要进行一系列准备工作,首先注意材料及成形室的预热,喷嘴处丝料的熔融温度为220(,成形室温度53(,该温度下可以减少支撑的数量。然后进行数控的初始化,并检查挤丝状况,进行工作台的校准,喷嘴与底板之间的距离为0.2mm左右,该距离的大小和扫描速度有关,当扫描速度偏小而距离值偏大时会出现拉丝现象[2],这里选择成形速度为200mm/s。在加工完成15~30m in后取出原型件。

c)快速原型的后处理

在原型加工完成后要进行去支撑、打磨、修补、喷涂等后处理。

3硅橡胶模具制作

a)母模的选择

硅胶模具的制作是用母模进行硅橡胶模具的制作,母模可以是快速成形件、CN C工艺加工的塑料件或铝件、木料件等,材料可以是塑料、石膏、硅胶、木材等[3]。下面以某汽车零部件的FDM原型件作为母模进行快速模具制作,并分析研究存在的问题。