快速产品开发的方法与途径思考

1、快速产品开发的方法与途径快速产品开发的方法与途径 思考思考 2005 苏文斌 2 快速产品开发的方法与途径思考快速产品开发的方法与途径思考 近年来，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新近年来，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新 换代速度越来越快，对快速设计与制造提出了越来换代速度越来越快，对快速设计与制造提出了越来 越高的要求。越高的要求。 u快速设计快速设计 （Rapid Design） u快速原型制造技术快速原型制造技术 （Rapid Prototyping (3)使使A.dll中的中的Pro/TOOLKIT程序调用程序调用B.dll的导出函数的导出函数,这是接口实现的关键。这是接口实现的关键。

2、 (4)加入加入Pro/TOOLKIT程序所用到的库程序所用到的库(如如mpr.lib, protk_dll.lib,prodev_dll.lib ,wsock32.lib 等等等等),并指出其路径并指出其路径,设为强制输出设为强制输出,使用使用MFC对这两个工程进行编译对这两个工程进行编译,生成新的生成新的A.dll与与B.dll。 (5)在在Pro/E中用中用DLL方式加载方式加载Pro/TOOLKIT程序程序(即即A.dll),再通过再通过Pro/TOOKIT程序调用程序调用 MFC应用程程序。应用程程序。 2005 苏文斌 17 Pro/TOOLKIT二次开发技术二次开发技术 d. 基

3、于基于Pro/E的系统开发基本过程的系统开发基本过程 1.建立建立MFC工程，编写源程序文件工程，编写源程序文件 2.进行程序调试，生成相应的应用程序文件（进行程序调试，生成相应的应用程序文件（.dll或或.exe） mpr.lib mpr.lib，protk_dll.libprotk_dll.lib， prodev_dll.libprodev_dll.lib，wsock32.lib wsock32.lib 3.注册运行应用程序注册运行应用程序 4. 解锁（解锁（Unlock）应用程序）应用程序 protk.datprotk.dat注册文件：注册文件： name name /应用程序名称应用程

4、序名称; ; exec_file exec_file / /程序文件的路径程序文件的路径; ; text_dir text_dir / /菜单文件、资源文件和窗口信息文件菜单文件、资源文件和窗口信息文件 的路径的路径; ; STARTUP STARTUP / /工作模式，动态链接库为工作模式，动态链接库为dlldll，多进程为，多进程为 spawn;spawn; revision 2001 /revision 2001 /所使用的所使用的Pro/EPro/E的版本号的版本号; ; allow_stop TRUE /allow_stop TRUE /实现在实现在Pro/EPro/E任务中停止和重

5、启应用程任务中停止和重启应用程 序序 end /end /结束。结束。 2005 苏文斌 18 Pro/TOOLKIT二次开发技术二次开发技术 系统的交互界面系统的交互界面 2005 苏文斌 19 快速原型制造技术 u快速原型制造技术产生背景 l随着科学技术的进步，市场竞争日趋激烈，产品更新换代随着科学技术的进步，市场竞争日趋激烈，产品更新换代 速度越来越快。缩短新产品的设计与试制周期，降低产品速度越来越快。缩短新产品的设计与试制周期，降低产品 开发费用，是每个制造商亟待解决的问题。计算机技术应开发费用，是每个制造商亟待解决的问题。计算机技术应 用于产品设计，虽然能够显著提高设计效率与设计质量

6、，用于产品设计，虽然能够显著提高设计效率与设计质量， 但是但是CAD并不能解决制造过程所面临的所有问题。在产并不能解决制造过程所面临的所有问题。在产 品设计完成到批量生产阶段之间，往往还要制造产品的原品设计完成到批量生产阶段之间，往往还要制造产品的原 型样品，以便尽早地对产品设计进行验证和改进，这是一型样品，以便尽早地对产品设计进行验证和改进，这是一 项费时费力的工作，是新产品开发与研制的项费时费力的工作，是新产品开发与研制的“瓶颈瓶颈”所在所在 。 l随着计算机科学、随着计算机科学、CAD技术、材料科学、光、机、电、技术、材料科学、光、机、电、 液控制技术的发展和普及，为新的制造技术的诞生奠

7、定了液控制技术的发展和普及，为新的制造技术的诞生奠定了 技术基础。快速原型模具制造技术技术基础。快速原型模具制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称，简称RPM)就是在这种社会背景和技就是在这种社会背景和技 术发展的前提下，于术发展的前提下，于20世纪世纪80年代产生于美国，并很快扩年代产生于美国，并很快扩 展到日本及欧洲，是近展到日本及欧洲，是近20年来制造技术领域的一项重大突年来制造技术领域的一项重大突 破，是一种全新的材料加工方法。破，是一种全新的材料加工方法。 2005 苏文斌 20 快速原型制造技术 快速原型制造技术是一种不同于传统的材料去除或材

8、料变形 方法的新技术，也称为材料累积成型法（Material Incremental Method），在计算机控制下，基于离散堆积原理采用不同 方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角 度看，零件可视为由点、线或面的叠加而成，即从CAD模型 中离散得到点、面的几何信息，再与成形工艺参数信息结合 ，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体逐渐堆积成 零件。从制造角度看，根据CAD造型生成零件三维几何信息 ，转化成相应的指令传输给数控系统，通过激光束或其他方 法使材料逐层堆积而形成原型或零件，无需经过模具设计与 制造环节，极大地提高了生产效率，大大降低生产成本，极 大地缩短生产周期，被

9、誉为制造业中的一次革命。另外，还 可根据不同要求，将RPM原型和铸造等传统工艺相结合，快 速制造出实用零件。这项技术一经产生就引起了学术和制造 业界的广泛关注，被称为下一世纪制造业发展的方向。快速 成型技术是一项直接面向产业界的综合性高新技术,备受学术 和制造业界的瞩目。 2005 苏文斌 21 快速原型制造技术 应用快速原型模具制造技术的企业已经取得了明显的效益。例 如，德国大众汽车公司采用RPM技术中的分层物件制造方法，成 功地制造了异常复杂的Golf、Passat 轿车的齿轮箱体原型，精度 超过传统方法，所用时间由8周缩短为2周。此原型用来作为铸模 生产金属齿轮箱体铸件。又如美国Ford

10、汽车公司采用RPM原型和 精密铸造工艺方法，生产出注塑模型腔嵌块，所花时间和费用仅 为传统工艺的一半，该公司认为，随着RPM技术进一步影响，将 釆制造注塑模的时间可减少到三周，费用降低60，经济效益十 分可观。美国PrattWhitney快速制造实验室于1994年制造了2000 个铸件，按常规方法约需700万美元，而用RPM方法，只用了 6070万美元，生产时间节约了7090。美国一家设计高尔夫 杆的公司，原来由手工艺人和设计者共同工作，用黄铜制作模型 ，费时费力，只制作三个方案。在设计一新球杆时，买了一台 LOM1015 型的RPM机，在一年之内做了90个物理模型。这样 可以以低成本在短时间

11、内尝试众多的方案。确定一个方案后，用 LOM机加工出注射模以制造蜡模，再用熔模铸造的方法，铸出不 锈钢或钛的球杆头部模型。 2005 苏文斌 22 快速原型制造技术 快速原型零件制造技术的原理 l快速原型零件制造技术是由CAD模型直接驱 动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总 称。它的特征是： l 1)可以制造任意复杂的三维几何实体。可以制造任意复杂的三维几何实体。 l 2)CAD模型直接驱动。模型直接驱动。 l 3)成形设备无需专用夹具或工具。成形设备无需专用夹具或工具。 l 4)成形过程中无人干预或较少干预。成形过程中无人干预或较少干预。 2005 苏文斌 23 快速原型制造技术 快速成

12、型技术的具体工艺方法有多种，但其基本原 理都是一致的。以材料累积叠加法为基本思想，目 标是将计算机三维CAD模型快速地(相对机加工而言 )转变为由具体物质构成的三维实体原型。其过程可 分为离散和堆积两个阶段。首先在CAD造型系统中 获得一个三维CAD模型，或通过测量仪器测取实体 的形状尺寸，转化成CAD模型，再对模型数据进行 处理，沿某一方向进行平面“切片”离散化。然后 通过专用的CAM系统(成型机)将成型材料一层层加 工，并堆积成原型。 2005 苏文斌 24 快速原型制造技术 CAD模型的形成与一般CAD过程无区别，其作用是进行零 件的三维几何造型。所以要求有较强的实体造型功能，并 且应与

13、后续软件有良好的接口。常用的硬件环境为工作站 和高档微形计算机。常用的软件为ProE、Auto CAD、 SDRC、Unigraphics、CATIA、Computer Vision、EUCLID 等。这些软件系统能将零件的曲面或实体模型，自动转化 成易于切片处理的表面三角形模型。对于SLA、FDM等成 型方法，还要考虑在模型中加进支撑结构设计。由美国3D 系统公司开发的CAD模型STL (Stereo Lithography interface specification)格式被公认为目前的标准。它是用一系列的空 间小平面（三角形面片）来表示物体表面，每个三角形都 用一个法向(指向零件的内部

14、和外部)和三个顶点来描述。 这样的三角形的顶点以及它们的法向数据汇集在一起，形 成描绘三维实体的STL格式。 2005 苏文斌 25 快速原型制造技术 u模型Z向切片是一个分层过程，它将STL格式的 CAD模型，根据有利于零件堆积制造而优选的特殊 方位，横截成一系列具有一定厚度的薄层，从而得 到每一个切层的内外轮廓等几何信息，层厚一般为 0.05 0.4mm。若每层的厚度有变化时，可采用实时 切片方式。 u层面信息处理就是根据层面几何信息，通过层面内 外轮廓识别及补偿、废料区的特性判断等，生成成 型机的数控代码，以便成型机的激光头或喷口对每 一层面进行精确加工。 2005 苏文斌 26 快速原

15、型制造技术 层面加工与粘结即根据生成的数控指令，对当 前层面进行加工，并将加工出的当前层与已加工好 的零件部分粘合。 当每一层制造结束并和上一层粘结后，零件下降 一个层面，铺上新的当前层材料(新的当前层的位 置保持不变)，成型机再加工新的一层。如此反复 进行直到整个加工完成，清理掉嵌在加工件中不需 要的废料，即得完整的制件。 后处理是对成型机上完成的制件进行必要的处理 ，如深度固化、修磨、着色、表面喷镀等，使之达 到原型或零件的性能要求。 经过上述过程可快速制造出原型。 2005 苏文斌 27 RPM技术的特征 u高度柔性 快速原型技术的最突出特点就是柔性好，它取消 了专用工具，在计算机管理和

16、控制下可以制造出任意复杂形 状的零件，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息 方式集成到一个制造系统中。 u技术的高度集成 快速原型技术是计算机技术、数控技术、 激光技术与材料技术的综合集成。在成型概念上，它以离散 堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大的 柔性为目标。因此只有在计算机技术、数控技术高度发展的 今天，快速原型技术才有可能进入实用阶段。 u设计制造一体化 快速原型技术的一个显著特点就是CAD CAM一体化。在传统的CADCAM技术中，由于成型思想 的局限性，致使设计制造一体化很难实现。而对于快速原型 技术来说，由于采用了离散堆积分层制造工艺，能够很好 地将CADCA

17、M结合起来。 2005 苏文斌 28 RPM技术的特征 u快速性 快速原型技术的一个重要特点就是其快速性。由 于激光快速原型是建立在高度技术集成的基础之上，从 CAD设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时，比 传统的成形方法速度要快得多，这一特点尤其适合于新 产品的开发与管理。 u 自由形状制造 自由的含义有两个方面：一是指根据零 件的形状，不受任何专用工具(或模腔)的限制而自由成 形；二是指不受零件任何复杂程度的限制。 u 材料的广泛性 在快速原型领域中，由于各种快速原型 工艺的成型方式不同，因而材料的使用也各不相同，如 金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷，甚至纤维等材 料在快速原型领域已

18、有很好的应用。由于传统加工技术 的复杂性和局限性，要达到零件的直接制造仍有很大距 离。RPM技术大大简化了工艺规程、工装准备、装配等 过程，很容易实现由产品模型驱动直接制造。 2005 苏文斌 29 快速原型制造技术 RPM技术的主要方法 lRPM技术的具体工艺不下30余种，根据采用 材料及对材料处理方式的区别，可归纳为5 类方法： l光固化立体成型光固化立体成型 l分层物件制造分层物件制造 l选择性激光烧结选择性激光烧结 l熔融沉积成型熔融沉积成型 l喷墨印刷喷墨印刷 2005 苏文斌 30 快速原型制造技术 光固化立体成型(SL，Stereolithography) l光固化立体成型原理是

19、：将激光聚焦到液态光 固化材料(如光固化树脂)表面，令其有规律地固 化，由点到线到面，完成一个层面的建造，而 后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆 盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层 迭加成为一个三维实体，如图所示。实体磨削 固化(SGC，Solid Ground Curing)、激光光刻(LS ，Light Sculpting)都以激光选择性固化液体树 脂为特征。 2005 苏文斌 31 快速原型制造技术 2005 苏文斌 32 快速原型制造技术 分层物件制造(Laminated Object Manufacturing LOM) l分层物件制造采用激光或刀具对箔材进行切 割。首先

20、切割出工艺边框和原型的边缘轮廓 线，而后将不属于原型的材料切割成网格状 。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切 割出新的层片并将其与先前的层片粘接在一 起，这样层层迭加后得到一个块状物，最后 将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需 的三维实体。层片添加的典型工艺是分层实 体制造，如图所示。这里所说的箔材可以是 涂覆纸 (涂有粘接剂覆层的纸)，涂覆陶瓷箔 、金属箔或其他材质基的箔材 。 2005 苏文斌 33 快速原型制造技术 2005 苏文斌 34 快速原型制造技术 选择性激光烧结(Selected Laser Sintering ， SLS) l对于由粉末铺成的有很好密实度和平整度的层面，

21、有选择地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成一个 层面，铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与 原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体 。所谓直接熔结是将粉末直接熔化而连接；间接熔 结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘 结的目的。粘接则是指将粉末采用粘接剂粘接，如 图所示。无木模铸型(PCM，Patternless Casting Mold)工艺也属于这类方法。这里的粉末材料主要有 蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉以及金属粉如铁 ，钴，铬以及它们的合金。 2005 苏文斌 35 快速原型制造技术 2005 苏文斌 36 快速原型制造技术 熔融沉积成形(FDM，Fused Deposit

22、ion Modeling) l熔融沉积成形是指将热熔性材料(ABS、尼龙或 蜡)通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面 ，然后将第二个层面用同样的方法建造出来， 并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而 获得一个三维实体。如图所示。 2005 苏文斌 37 快速原型制造技术 2005 苏文斌 38 快速原型制造技术 喷墨印刷(InkJet Printing) l喷墨印刷是指将固体材料熔融，采用喷墨打印原 理(汽泡法和晶体振荡法)将其有序地喷出，一个层 面又一个层面地堆积建造而形成一个三维实体， 如图所示。 2005 苏文斌 39 快速原型制造技术 2005 苏文斌 40 快速原型制造技术 l国

23、外RPM技术的研究和应用主要集中在美国 、欧洲和日本。从技术、材料、应用和基础 设施等方面比较来看，总的情况是美国领先 于欧洲和日本，欧洲和日本平分秋色。 l目前世界上已有200多家机构开展了RPM的研 究，能够商品化生产RPM设备的主要有美国 3D systems、Helisys、DTM Corp、日本C MET、D-MEC、德国EOS、以色列Cubital， 据统计到1988年全世界已有4300余台RPM成 型设备。 2005 苏文斌 41 快速原型制造技术 产品设计中的应用快速产品开发RPD lRPM在RPD方面应用如图所示。 lRPM在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的 ，它不受

24、复杂形状的任何限制，可迅速地将显示于计 算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原 形可对设计的正确性，造型合理性，可装配和干涉进 行具体检验。对形状较复杂而贵重的零件(如模具)，如 直接依据CAD模型不经原型阶段就进行加工制造，这 种简化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功 ，不仅延误的开发的进度，而且往往需花费更多的资 金。通过原型的检验可将此种风险减到最低的限度。 l一般来说采用RPM快速产品开发技术可减少产品开发 成本3070，减少开发时间50。 2005 苏文斌 42 快速原型制造技术 2005 苏文斌 43 快速原型制造技术 Rapid Tooling(快速工具) l模具是

25、快速工具制造技术应用的重要方面，基于 RPM的快速模具总体情况见图。原型的快速设计 和自动制造也保证了工具的快速制造。无需数控 铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工 具，直接根据原型而将复杂的工具和型腔制造出 来是当今Rapid Tooling的最大优势。一般来说，采 用RP技术模具制造时间和成本均为传统技术的1 3。 2005 苏文斌 44 2005 苏文斌 45 快速原型制造技术 利用RP技术来制造直接生产零件的模具可分为直接 法和间接法两大类。 （1）直接法 l基于RPM技术的快速直接制模法是将模具CAD的 结果由RP系统直接制造成形。该法既不需用RP系 统制作样件，也不依赖传统的

26、模具制造工艺，对 金属模具制造尤为快捷，是一种极具开发前景的 制模方法。 2005 苏文斌 46 快速原型制造技术 A直接型模具 l以激光快速成型来方法来制造模具。 l目前，由日本目前，由日本CEMT公司最新研制的公司最新研制的SOUP 系列设备，将三元次系列设备，将三元次CAD数据翻转过来作为数据翻转过来作为 原始数据，以此数据在光造型装置上做出反原始数据，以此数据在光造型装置上做出反 模，在其背面注入金属铝粉及树脂的混合物模，在其背面注入金属铝粉及树脂的混合物 增加强度，以此套直接型模具进行射出成型增加强度，以此套直接型模具进行射出成型 作业，可在短时间内作出作业，可在短时间内作出200个

27、左右的样品个左右的样品 。在商品的开发设计阶段之初，快速成型设。在商品的开发设计阶段之初，快速成型设 备，既能缩短周期由节省费用，无疑是最有备，既能缩短周期由节省费用，无疑是最有 效的方法。图下页为直接型模具示图。效的方法。图下页为直接型模具示图。 2005 苏文斌 47 2005 苏文斌 48 快速原型制造技术 B、直接制模铸造(Direct Shell Production Castion，DSPC) lDSPC法来源于三维印刷(3D Printing)快速成形技 术，美国Soligen公司首先推出此项技术。它是通 过RP技术直接成形熔模铸造用陶瓷模壳，而不需 做蜡模和压型。使熔模铸造省去

28、了制压型、注射 蜡模、涂挂涂料工序和贮放，大大缩短了熔模铸 件生产的周期。此外，该法不用蜡，是一种无蜡 的“失蜡铸造”。这就避免了由于蜡模变形和烟 雾等问题带来的不利影响。因此，DSPC法使熔模 铸造成为更具有吸引力的金属精密成形方法。一 般从工厂收到订单到生产出精密铸件只需710天 。图2 精密铸造示意图。 lDSPC法制得的模壳除直接用于精密铸造外，也可 直接用作压铸模和注塑模的制作。 2005 苏文斌 49 2005 苏文斌 50 快速原型制造技术 C、直接制造金属模具 l直接制造金属模具的方法是直接CAD实体造型模具 。目前主要采用SLS法，激光烧结涂有聚合物粘结剂 的金属粉末，然后在

29、炉中焙烧，将粘结剂烧失，再 将低熔点的金属(如铜)渗入烧结后模具内部的孔隙中 ，最后抛光型腔表面和型芯面，加上浇注系统和冷 却系统，构成注塑模具。此法也可直接制作精密铸 造用压型。例如，DTM公司专门开发的Rapid-Steel 材料，是一种涂有树脂的钢粒。采用SLS法快速制造 原型，原型中树脂在300烧失，700时钢粒之间 发生弱联结，1120时熔化的铜在氢气气氛中渗入 钢中，制成注塑模具。此模具材料中钢的质量分数 为60%，铜的质量分数为40%，可代替机械加工的铝 模，模具寿命可达数万件。若采用在原型烧失粘结 树脂后渗环氧树脂的方法，模具寿命为200件，可用 于生产批量较小时制作注塑模具。

30、 2005 苏文斌 51 快速原型制造技术 l德国EOS公司开发的可直接对未经预热的金属 粉末进行激光烧结的系统(EOSINTM)与上述方 法不同。它所采用的金属粉不是由不同金属组 成的混合物。这种金属混合物是由不同熔点金 属成分以一定配比构成，它能在烧结过程中相 互补偿体积的变化，使全部粉末的收缩率小到 可以忽略不计，不会由于内部应力而引起应变 变形，使制件精度得到保证。另外，在这种混 合物中主要成分的粒度仅为50 m左右，也有 助于提高表面质量。最终形成的材料性能可与 铝相比，并可通过将低熔点金属渗入内部的方 法使模具材料更致密。EOS公司所开发的这种 方法可用于制作注塑模具，也可直接制作

31、薄壁 且形状复杂的金属零件。 2005 苏文斌 52 快速原型制造技术 （二）、间接法 A、用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 l当制造的零件件数较少（批量在2050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。这种材料的萧氏硬度从1060不 等，抗拉强度可达46MPa,抗撕裂强度为523kN/m,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，模具寿命为几十件，生产周期仅 数小时。在航空航天、体

32、育用品、玩具和装饰设备等 领域应用广泛。下页为 硅胶模具示意图 2005 苏文斌 53 2005 苏文斌 54 快速原型制造技术 B、金属树脂模具 l 所谓金属树脂模实际上是环氧树脂加金属粉（ 铁粉或铝粉）作填充材料，也有的加水泥、石 膏或加强纤维作填料。这种模具利用RP原型翻 制而成强度和耐温性比高温硅橡胶更好。国内 最成功的例子是一汽模具制造有限公司设计制 造了12套模具用于红旗小轿车的改型试制。该 套模具采用瑞士汽巴精化（Ciba）的高强度树 脂浇注成型，凹凸模间隙大小采用进口专用蜡 片准确控制。该模具尺寸精度高，制造周期可 缩短1/21/3,12套模具的制造费用共节省1000万 元人民

33、币。被瑞士专家认为已达到90年代国际 水平。 2005 苏文斌 55 快速原型制造技术 C、金属喷涂模具（Metal Spraying Mold） l 金属喷涂模属于热喷涂制模技术，该技术起源 于60年代提出的。基本过程是将熔化的金属雾 化后高速喷射沉积于基体材料上，得到与基体 形状相对应的具有特殊性能的薄壳。80年代后 期，热喷涂制模技术逐渐成熟，在工业上得到 广泛应用。根据模型材料及喷涂材料不同可选 用等离子喷涂、氧炔焰喷涂及电弧喷涂。其中 电弧喷涂制模方法工艺简单、成本低，不受基 体样模材料的限制，逐渐成为热喷涂主要方法 ，其代表为美国的TAFA技术。 2005 苏文斌 56 快速原型制

34、造技术 D、石墨电极成型研磨法 l石墨电极是电火花加工中常用的工具电极，它不仅具有良好的 导电性能和化学稳定性，而且还有耐腐蚀、热膨胀小等优点。 但是，常用的机械加工方法加工石墨电极时经常产生崩碎现象 ，尤其对于形面复杂、精细度高的石墨电极采用通常机械加工 方法更为困难，甚至无法加工。整体EDM石墨电极研磨电极震 动成型技术是一种非传统的快速制造整体EDM石墨电极的机械 加工方法。由于研制制造困难和平动振幅大，研磨的石墨电极 只能用于制造低精度要求的模段模具而未能推广应用。直到80 年代后期快速成型技术发展成为一种新兴制造技术，利用快速 成型的RP零件作为成型研具制造的原形，才为研具制造提供了

35、 一种快速有效的方法。 l该法以RP原型为母模翻制成由颜料和特殊粘结剂的成型研具， 然后用该研具在石墨电极研磨机上根据微震动原理直接研磨出 石墨电极来。该工艺尤其适用于具有自由曲面不便于数控编程 加工的石墨电极。 2005 苏文斌 57 快速原型制造技术 RPM技术的主要发展趋势是： 1不同制造目标相对独立发展 l从制造目标来说，RPM主要用于快速概念设计原 型制造，快速模具原型制造，快速功能测试原 型制造及快速功能零件制造。 l由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场 和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化 的重点。由于彼此特点有较大差距，两者将呈相对 独立发展的态势。快速测试型制

36、造由于使用范围的 限制和特点不够鲜明，本身不会形成独立流派，将 附属于快速概念型制造。快速功能零件制造将是发 展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很 长一段时间内，仍将局限于研究领域。 2005 苏文斌 58 快速原型制造技术 2向大型制造与微型制造进军 l分析各大公司的产品系列，可以发现，原型的制造尺 寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造难度和RPM在 模具制造方面的优势，可以预测将来的RPM市场将有 一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的 将是RPM向微型制造领域的进军，SL的一个重要发展 方向是微米印刷(Microlithography)， 以制造微米零件 (Microsca

37、le Parts)。 日本Nagoya University在这方面 领先。激光光斑直径可达5um，成形时原型不动，激 光束通过透明板精密聚焦在被成形的原型上。XY 扫描停位精度为000025 um，Z向停位精度为0 001mm，可制造5um5um3um 零件如静脉阀、集 成电路零件等。 2005 苏文斌 59 快速原型制造技术 3 追求RPM的更快的制造速度、更高的制造精度 、更高的可靠性。 4 RPM设备的安装使用外设化，操作智能化。使 RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门 的操作人员。 5 RPM行业标准化，并且与整个产品制造体系相 融合。 2005 苏文斌 60 数值模拟技术

38、CAE (Computer Aided Engineering)技术即计算机辅助工程技 术，它是计算机辅助设计计算机辅助制造(CADCAM) 技术向纵深方向发展的要求。CAE技术一般认为是一个包 含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿 真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题 的模型化和数值实现方法。 lCADCAM技术水平和应用水平的提高是CAE技术发展 的动力； l高性能计算机及图形显示设备的推出是CAE技术发展的 条件； l有限元法、边界元法及结构优化设计技术等计算力学方 法是CAE技术的理论基础。 2005 苏文斌 61 数值模拟技术 塑料模具计算机辅助工程技术而

39、言，它主要是利 用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算 机图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值 模拟，在模具制造之前就可以形象、直观地在计 算机屏幕上模拟出实际成型过程，预测模具设计 和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷 ，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学 的依据。 2005 苏文斌 62 数值模拟技术 塑料注射模的传统做法 2005 苏文斌 63 数值模拟技术 塑料注射模的CAE做法 2005 苏文斌 64 数值模拟技术 塑料注射模CAE技术 l目前注塑模CAE技术的研究工作主要集中在流动模拟、冷 却模拟，以及压实和翘曲等方面。 l (1)注射模流动充填过程模拟分析注射

40、模流动充填过程模拟分析 l 流动充填模拟分析一般包括浇道系统分析和型腔充填分析。浇流动充填模拟分析一般包括浇道系统分析和型腔充填分析。浇 道系统分析的目的是确定合理的流道尺寸、布置以及最佳的浇口道系统分析的目的是确定合理的流道尺寸、布置以及最佳的浇口 数量、位置和形状；型腔充填分析的主要目的是为了得到合理的数量、位置和形状；型腔充填分析的主要目的是为了得到合理的 型腔形状及最佳的注塑压力、注射速率等参数。型腔形状及最佳的注塑压力、注射速率等参数。 l (2)注射模冷却系统模拟分析注射模冷却系统模拟分析 l 注射模冷却系统的设计直接影响着注塑生产率和塑件质量，冷注射模冷却系统的设计直接影响着注塑

41、生产率和塑件质量，冷 却系统的冷却效果决定着注塑模的冷却时间，而模具的冷却时间却系统的冷却效果决定着注塑模的冷却时间，而模具的冷却时间 约占整个注塑循环周期的约占整个注塑循环周期的23。一个完善的冷却系统能显著地减。一个完善的冷却系统能显著地减 少冷却时间，从而提高注塑生产效率。塑件的翘曲变形和内部残少冷却时间，从而提高注塑生产效率。塑件的翘曲变形和内部残 余热应力常常是由于冷却不均匀而产生的。利用余热应力常常是由于冷却不均匀而产生的。利用CAE技术进行技术进行 分析，可获得经济的冷却时间、合理的冷却管道尺寸和布置，使分析，可获得经济的冷却时间、合理的冷却管道尺寸和布置，使 塑件尽可能地均匀冷

42、却。塑件尽可能地均匀冷却。 2005 苏文斌 65 数值模拟技术 气体辅助注射模CAE技术 l采用气体辅助注射成型可生产出空的、较轻的、韧性好 的塑料制品，并避免塑件表面凹痕，减少翘曲变形。利 用CAE技术可减少气体辅助注射成型中的循环时间，降 低锁模力，并使塑件均匀凝固。 l气体辅助注射成型的工艺过程 l 气体辅助注射成型气体辅助注射成型(Gas-Assisted Injection Molding) 是在传统的注射成型基础上发展起来的一种创新的注是在传统的注射成型基础上发展起来的一种创新的注 射成型工艺，从射成型工艺，从20世纪世纪80年代开始实际应用，是自往年代开始实际应用，是自往 复式

43、螺杆注射机问世以来，注射成型工业最重要、最复式螺杆注射机问世以来，注射成型工业最重要、最 有意义的发展。气体辅助注射成型所需的设备是利用有意义的发展。气体辅助注射成型所需的设备是利用 普通的注射机，再加装一套气体注射装置即可。气体普通的注射机，再加装一套气体注射装置即可。气体 注射装置包括气体压力制备系统、喷气嘴和气体压力注射装置包括气体压力制备系统、喷气嘴和气体压力 控制系统。控制系统。 2005 苏文斌 66 数值模拟技术 气体辅助注射成型的工艺过程分为三个阶段，如 图所示。首先是充填阶段，在这一阶段先向型腔 注入熔体，一般在型腔充填至7595时，停止 熔体注射，然后经过一段延迟时间(或立

44、即)向型 腔内注入受压气体(因氮气具有成本低且不易 与 熔体发生反应等特点而被普遍采用)，气体可通过 浇口、流道或直接进入型腔内部。熔体在受压气 体的推动下继续向前运动直至将整个型腔充满。 接着进入保压阶段，继续向型腔内注入高压气体 ，以弥补熔体因冷却而引起的收缩。在熔体完全 冷却固化后，进入脱模阶段。 2005 苏文斌 67 数值模拟技术 阶段阶段(1)充填阶段：充填阶段： 12 熔体注射熔体注射23 延迟时间延迟时间3-4 气体气体 注射注射 阶段阶段(2)保压阶段：保压阶段： 45 气体保压气体保压56 气体压力释放气体压力释放 阶段阶段(3)脱模阶段脱模阶段 2005 苏文斌 68 数

45、值模拟技术 优点 l减少原料用量，从而降低生产成本；减轻制件重量，缩短 生产周期；消除沉降斑，减轻制件翘曲变形；降低锁模力 ，等等。基于上述优点，气体辅助注射成型突破了传统注 射成型的局限性，可灵活地运用于多种制件的成型加工。 例如：利用其充填阶段注射气体可节省原料、降低成本、 缩短冷却时间的优点生产柱状制件，例如衣服架、斧柄、 沙滩椅腿等；利用其具有降低锁模力、减轻翘曲变形、提 高制件表面质量的优点，可以生产平板状的设有内置式气 道的制件，例如汽车表板、家用电器外壳、大型家具等； 利用其可将复杂结构制件一次成型的优点，可用于加工具 有厚、薄壁一体结构的制件，例如汽车车窗滑槽、办公和 文具用品

46、，等等。 2005 苏文斌 69 数值模拟技术 缺点： l专用的气体注射装备目前成本还比较高；排气 孔可能会引起制件的表面质量问题；对有些制 件会出现锁模力较大的情况。除此之外，气体 辅助注射成型加工过程增加了许多控制参数， 诸如气体注入点、气体压力、熔体注射量、熔 体一气体注射之间的延迟时间、气体保压时间 等，气体辅助注射成型的模具设计和制造要额 外地考虑气道的设置。这些对于缺乏气体辅助 注射成型加工及模具设计、制造经验的工程人 员都具有一定的难度。 2005 苏文斌 70 数值模拟技术 气体辅助注射成型CAE技术 l核心计算模块是充填流动分析模块。流动模拟的 目的是预测熔体及气体充填型腔的

47、过程，计算流 道、浇口及型腔内熔体的压力场、温度场、速度 场、剪切应变速率分布、剪切应力分布以及熔体 一气体的空间分布，并将这些结果以图表、等值 线图或阴影图的形式显示在计算机屏幕上，以便 设计师分析、评价模具设计参数和气体辅助注射 成型工艺条件。从而确定合理的浇口、气体人口 数量和布置，优化气体辅助注射成型工艺参数， 预测所需的注射压力及锁模力，并发现可能出现 的气穴、气体不均衡充填、注射不足、热降解等 成型缺陷。 2005 苏文斌 71 数值模拟技术 2005 苏文斌 72 数值模拟技术 塑料模具CAE技术的研究现状与发展趋势 l近几年来，发展最快的是利用计算机辅助工程 (CAE)对加工过程进行数值模拟，研究加工条件的 变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品和 模具设计以及工艺条件的最佳方案，使加工成型 从一项实用技术变为一门应用科学。如果对塑料 在加工过程中的流动、传热，以及在力场和热场 的作用下所出现的物理变化、化学变化没有深入 的科学认识，就不能生产出质地优良的制品。因 此，各国对塑料的成型加工的基础研究都非常重 视。 2005 苏文斌 73 数值模拟技