文献翻译快速成型与虚拟成型在产品设计和制造中的应用文档格式.docx

1、School of Mechanical & Production Engineering; and Gintic Intitute of Manufacturing Techniology, Nanyang Technological University,Singapore引言快速成型是一种从不需任何加工或数控加工程序就得到实体形状的加工过程。这种技术归诸与阶段制造，材料储存制造业，剩余材料制造，固体形式制造和立体印刷。在前十年中，一批RP技术得到了发展。在制造模型中这些技术应用不同的方法和材料，给出不同的收缩量，表面精度和准确度。VP是一种已经成熟的在计算机模式下执行分析和模拟。近而像基

2、于实体上一样执行同样的测试。有时，VP也会涉及到CAE分析和工程模拟。本论文就着两种技术的联系描述了它们的对比研究。这次课题研究了两种技术在成型方面的适用性和效率。这只是总体设计和制造中的一个环节。关键词：产品设计，快速成型，虚拟成型1. 前言 RP做为一种关键的技术正在发展。它能迅速成型出复杂的零件。它还能使产品设计人员缩短产品设计和开发周期。即将到来的这种技术的时代已在当今的CAD系统中的STL反映出来。STL是一种德国标准，在RP系统中代表实体3D模型。当RP是一种较新的技术时，VP已经在70年代很多领域里得到了稳定的发展。采用虚拟成型意味着在计算机上分析3D模型。现在VP通常综合了CA

3、D/CAM软件，并且涉及到CAE文件包。RP能在不首先制造这个零件时用一种模拟的方式来测试零件的情况。2. RP和VP的定义快速成型在工程中应用很广，尤其在计算机软件业上，它首先被用于软件快速开发。这个名词也被制造业广泛应用来表现实体模型从液体固体对比传统的制造方法在很短的时间内成型的过程。这种技术广泛用于阶段加工，材料剩余加工，材料的额外加工及固体形式的加工，立体印刷。虚拟成型指一种用计算机制造的模式，通常指CAD/VAE/CAM。虚拟计算机成型通常被理解成用于实现绘图模拟目的的产品构筑模式。本论文中，VP将涉及到模仿，虚拟现实和制造过程的设计领域。然而，在很多领域中，RP和VP的区别是很模

4、糊的。由于RP系统依赖CAD系统产生的所需文件来制造原型。在制造和零件开发过程中，RP看上去是从VP衍生出来的饿。实际上，Pratt对VP 的定义揭示了VP是一种自由应用于成型领域内的术语。因此清楚地定义RP和VP是很恰当的。采取快速成型，意味着：从计算机模式产生实体模型而不用任何的夹具和数控加工。这也包括其他相关过程和用RP制造物体的应用如：快速使用工具。相似地，为了模拟和分析的目的，将VP定义为实体CAD模式的连续操作过程而不包括3D的构建。VP有以下功能：1. 有限元分析2. 制造形式，配合和交互检查3. 机械模拟4. 虚拟视图分析5. 装饰模拟6. 装配功能RP和VP之间的关系如图1所

5、示。图1.1 RP和VP之间的关系3. 新加坡的成型在新加坡选择两个从事产品开发活动的多国合作的公司（一个是美国，一个是德国），它们显示了对RP和VP的不同态度。两个公司在成型过程中都用了RP。第一个公司B更侧重于虚拟成型。他们生产电话通信设备，如：手机。公司移动了所有的成型应用，正在从RP到VP转移。目前，他们的RP模式仅应用于概念的设计和市场的目的。另外的成型由VP来执行。第二个公司C制造消费电子产品如：电视机， 音频接收机，电话等。VP仅作为一种生产3D模型的工具。从实体3D模式生成所需的STL文件来制造RP模型。公司C用这个部件做硅橡胶的主要部件来生产一定数目的实体ABS模型，这种模型

6、为各种各样的成型进行测试和模拟。公司B更倾向于转移更多的成型到VP，而不用实体造型。虚拟成型在减少成本的同时提高了质量和可靠性。对比用实体造型虚拟成型的操作使设计的提高更加容易。公司B用PRO/E草绘CAD模型，然后用Patran来提前加工模型。用ABAQUS来执行静态的FEA，而用ABAQUS模式来分析动态方案。当执行不同的概念和实际设计时，ALILAS用于装饰模拟。B公司常用FEA执行大量的VP，这使公司只用46周的时间设计一个寻呼机。在执行FEA中大多数集中于静态结构分析和动态测试分析，偶尔进行震动测试。有些正在进行的装饰模拟中，常常是为了当前的目的。FEA常用于研究以下问题：1. 估测

7、一个设计的变化和正确性2. 基于经验估计失败的可能性3. 做一些同实体测试有关的有根据的测试4. 尽力阐明导致失败的原因根据B，VP的缺点是不能有效的模拟过程中的问题。因为材料内部的矛盾，FEA的准确度是有限的。大量的计算也决定了FEA的准确度。RP在B公司的应用也是有限的。室内层压实体制造RP系统常用于为概念设计的制造的设计模型而不是几何造型。公司C大量用RP，而很少用VP。从收音机到29寸电视的外壳等的零件都用RP。典型 的说，公司用一年的时间来完成产品的概念设计到产品销售。 公司C的目标在通过RP 成型所有的零件。CAD模式用I-DEGS制造出来。RP格式是为RP零件开发的。RP零件的主

8、要目的是检验设计。常用的快速成型零件有以下功能：1. 装配形式2. 工程检查3. 概念设计4. 加工性能5. 动力学检查6. 弹性检查由于VP不能模拟，所以C公司在VP的限制上做了很多研究。1. 触觉（对按键）不能测量；如果能测出压力便可以用VP。2. 装配性能4 实例1：成型手机外壳这个例子研究了RP和VP模式下的设计依据，装配，干涉检查。ABS产品，RP和VP零件都要在各方面进行估计。这里用的QP系统是SLA。ABS和RP零件如图2示，对RP零件的研究揭示了：1. 表面精度比ABS零件还差2. 翘曲很明显 4.1 设计依据做为一个有实际尺寸的物理零件，RP能给设计者一种能估计尺寸的感觉。这

9、种对RP零件的判断是错误的。因为零件通常自动适应可视窗口。实体零件的另外一个优点是可以进行人类工程学检查。从通信设备的配合到危险角落和边缘的深度检查。它提供了触觉检查，在产品上是很重要的，在人类工程学上也很重要，如触摸键。VP不能提供这些。VP模式下的圆边在RP零件上证明是不安全的。VP模式下可以进行美学估价。CAD模式允许在任何方向上观察模型，至少有基本的观察能力。然后，能够在预期的模拟灯光和成千上万的阴影颜色的混合下观察零件。RP零件不能上色，表面和描绘就需另外的工序。任何的一种表面差别都能立即检查出来而不用去检查实体零件。这也允许设计者估计美学价值，做一些纠正。在大多数合资公司中，设计和

10、制造通常有一定的差距。CAD文件能送出和接受电子信号，大大帮助设计过程，而且是可重复和并发的。随着CAD软件的发展，成型过程将很迅捷和简单。任何一种虚拟成型设计的都能生产出来，几乎连续用于设计过程中的零件。4.2 装配因为弯曲和收缩随着时间的延长而提高，所以RP零件必须迅速执行。弯曲是零件几何设计要考虑的问题。最好的设计零件也有不同程度的弯曲和收缩。一些RP零件像SLA收缩率固定，零件需要设计大一点，使它收缩到正确的尺寸。只有这样安排设计，才有可能装配好，但也有可能被弯曲和收缩损坏。一些零件仅仅在外力作用下才会装配好。RP零件不仅允许用户连续装配。而且允许用户以一定角度放置在不能线形放置的装配

11、中。装配用的RP零件的缺点是材料易碎，脆弱，不易用紧固件连接。CAD软件允许零件以3D 形式或平面模式或局部装配。在虚拟领域中，装配很普通的用于检查我们即将谈到的配合形式。CAD软件的装配形式和局部装配允许产品设计者快速检查自己是否正确设计了零件。凸缘是否足够高并能容纳一个插入的螺钉穿过另一个零件，两个槽是否水平形成一个大的槽。虚拟环境下装配的优点是没有实体零件需要制造，因而减少了成本。没有实体零件，也就减少了加工时间。虚拟环境下的装配可在几分钟或几天内完成，比制造实体零件要快，然后进行装配。用户也可以建立和制造一个零件或修改零件的特征。当所有的实例被改变时也可以用工程参数或零件的实际尺寸的形

12、式写下装配关系。当进行装配时，在允许柔韧性条件下，也可以解决平衡问题。对设计的公差估计从最小成本进行。也可以通过缩小公差制造公差，这些公差对总体尺寸变化很重要，对疏散公差有很少的作用。4.3干涉检查和配合形式RP零件的弯曲和收缩影响着干涉检查和配合形式。因此干涉或配合取决于弯曲、收缩或设计错误中的一个或更多因素。即使RP零件配合好了，仍然不能保证尺寸的正确性。两个或更多零件在同一方向或不同方向收缩仍能产生一个好的配合。在这种情况下，CAD模式常用于确定干涉和配合是否取决于设计缺点。CAD系统广泛应用干涉检查和配合形式。它描绘了用户的一种能力，就是进行配合零件和干涉检查时，不必生产零件（尺寸不正

13、确的零件），因此降低了成本。CAD系统中的进程的相互作用也使用户和设计者从工程绘图到检测干涉的需要中解脱出来。这个过程允许用户建立制造过程中重要而稳定的尺寸公差。当配合小数目零件时，CAD系统的干涉检查是不明显的。对于复杂的大量零件的装配，特殊零件有很多特征。这些零件必须与另外零件装配和对齐。CAD系统不仅不允许任何的不对齐和干涉的监测，而且会立即纠正问题。当用户需要时，CAD系统会在装配上进行干涉检查。它比其他方法更快、更准确和精确。CAD也会阐述列出特征，用户也会看到实体来纠正位置。5. 实例2：膝盖修补的成型5.1 背景 快速成型已在医疗事业中得到应用，然而这种应用中，STL文件不会在C

14、AD模式中得到。通过医疗设备得到数据，进而从数据中产生STL文件。Swaelens和Kluth提出三种方法可以从CT扫描数据中成型RP零件。在大部分情况下，用STL分界，在STL交接，用一个CT扫描器绘制一个3D曲面的表面。这些文件转化成三角文件形式，这些文件再转化成RP机器需要的STL文件。从CT扫描到RP 机械有一个直接的数据转换，因此扫描平面通过RP机器再生出来。当用这种形式时，VP几乎扮演了一个可忽略的角色。在RP辅助的医疗成型中，做为一个观察者来改正表面轮廓。Jacob在5中从CT扫描的数据中构建了3D模式。他们认为这种设备的优点在于清晰，由于外科是一种精致的人工技术。我们能在任何一

15、种角度观察模型，甚至可对起进行操作。用这种方式，医生能掌握了解问题。这个研究表明了VP可做3D的观察器。当研究3D模式是否是实体模式时，它会打开集成的CAD软件进入这个进程，虽然数据交换有些问题。同CAD系统对照线路如下所示。LB大学的研究人员从CT扫描数据阐明轮廓并且把它们引进CAD来生成平面模型。经过很多努力研制出臀部的实体模型，整个过程用了几周的时间。把CT 扫描的数据转化为3D的过程是复杂而且易产生错误。他们必须把得到的CT扫描的三点连接起来形成曲线。当表面层叠时易发生混乱。当一点在很近的点的下方时，这一点可能不是对应的连接点。这些曲线必须是独立的并且有人工选择来定义平面，必须细心以保证形成的平面近似于原平面。形成原平面后，必须把他们连接起来形成网格，然后把这些平面混合起来形成平面模型。如果模型完全被封锁，CAD系统就会把它转化成3D模型。人类身体的复杂