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快速成型技术在航空航天业的应用与发展

2017-9-21 14:53| 发布者: 蛤蟆要起飞| 查看: 289| 评论: 0|来自: 南极熊3D打印

摘要: 与传统的切削加工去除成型的减法原理不同,这种基于离散的增长方式成型技术是以加法的方式来获得产品,可直接从 CAD 文件快速地制作产品物理原型(样件),用以验证产品外观造型、零件装配关系或进行功能试验,从而 ...
与传统的切削加工去除成型的减法原理不同,这种基于离散的增长方式成型技术是以加法的方式来获得产品,可直接从 CAD 文件快速地制作产品物理原型(样件),用以验证产品外观造型、零件装配关系或进行功能试验,从而提供了一种可测量、可触摸的直观手段,改善了设计过程中的人机交流,缩短了产品的开发周期。快速成型技术是继数控技术之后制造业的又一次重大革命。

快速成型技术是20世纪80年代中后期发展起来的新型数字制造工艺技术。RP技术的加工原理是基于离散堆积成形思想,由CAD模型直接驱动,把零件的三维数字模型进行离散化,然后按照数字积分的思路进行逐层加工,以快速完成任意复杂形状三维实体零件的制作加工。 快速成型的加工过程可分为前 中的人机交流,缩短了产品的开发周 期。快速成型技术是继数控技术之后制造业的又一次重大革命。 

快速成型技术的工艺特点 
RP采用逐层材料累加法加工实体模型,也称为增材制造或分层制造技术,这种特殊的加工方式决定了它具有以下与传统加工方法完全迥然的技术特性。 
(1)高度柔性。可以制造任意复杂形状的三维实体。加工过程无需进行刀具、模具或工装夹具等生产准备,对于不同的零件模型,只需重新输入CAD数据,或调整设置不同 马劲松 上海联泰科技有限公司副总经理,长期从事立体、光固化激光快速成型技术的应用和市场研究工作。 Application of Rapid Prototyping in Aviation Industry 期的数据处理(离散)和之后的物理实现(堆积)2个阶段(见图1):在离散过程中,将零件的三维CAD模型沿一定方向分解得到一系列的截面数据,在此基础上获得控制成型头的运动轨迹;在堆积过程中,成型头在运动轨迹的控制下,逐层加工出零件的每一个截面,如此反复进行层层截面的堆积连接,最终获得加工零件。 与传统的切削加工去除成型的减法原理不同,这种基于离散的增长方式成型技术是以加法的方式来获得产品,可直接从 CAD 文件快速地制作产品物理原型(样件),用以验证产品外观造型、零件装配关系或进行功能试验,从而提供了一种可测量、可触摸的直观手段,改善了设计过程的工艺参数即可,其单件生产成本几乎与产品的复杂程度和产品批量无关。

(2)CAD/CAM高度一体化。RP技术由CAD模型直接驱动,不同的零件生产无需考虑专用工具和工装的设计使用,可避免繁琐的CAPP瓶颈,制作过程完全数字化,真正实现了CAD/CAM之间的无缝衔接。
(3)成型全过程的快速性。从CAD设计到原型零件制成,一般只需几个小时至几十个小时,即可得到高精度和高还原性的产品,远远超出了传统加工的速度。 
(4)高度自动化。工艺过程全自动,加工过程无需人员干预,零件加载后,设备可做无人值守工作。   

快速成型技术的应用方向 
从20世纪80年代以来,RP技术发展迅速,广泛应用于汽车、航空航天、医学、轻工等诸多方面,其应用方向主要有3个方面(见图2)。

(1)模型。 RP技术成功地解决了三维造型“看得见,摸不着”的问题,其最大特点是能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型,使设计模型从“看得见”(三维数模)到“摸得着”(实体模型)。因此RP技术一个主要的作用是还原设计思想,快速获得概念产品,侧重于外观的还原和展示效果,通常用于新产品的销售演示和市场推广,测试市场反应,从而提高新产品开发的市场反应速度,降低开发风险。

(2)原型。利用RP技术得到的快速原型,可以对产品的可装配性及可制造性两方面进行充 分评估。 由于RP技术的CAD/CAM的高度一体性,它不仅可以快速地还原产品外观,也同样能够快速制成产品零件和结构部件,从而可以对产品进行结构、装配的验证和分析,对产品设计进行快速评估、测试,缩短产品开发的研制周期,减少开发费用,提高参与市场竞争的能力。 此外,在快速获得的产品原型。基础上还能对后期的产品模具设计、生产工艺、装配流程,甚至是批生产工夹具的设计等后续制造进程进行校核和测评,避免进入批生产流程之后由于设计缺陷可能导致的生产问题和巨大损失,从而能以最快的速度、最低的成本和最好的品质将产品投入市场。事实上,如果研发/生产 体系结合得当, 快速成型技术将 成为实现并行工程和敏捷制造一 个非常有效的技术手段。

(3)单元制造/小批量直接 生产。使用间接制模的方法,结合各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具,如硅胶模技术、RIM技术、消失模铸造等,可便捷地实现单件或小批量产品生产,满足产品更新换代快、批量小的发展趋势。 

快速成型技术在航天航空领域的应用实例 
航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点,产品的定型是一个复杂而精密的过程,往往需要多次的设计、测试和改进,耗资大、耗时长,RP技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势而在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。 在各类已经商业化运用的快速成型工艺中,立体光固化成型(Stereolithography Apparatus,SLA)技术应用最为成熟,是工业领域中应用最广、最主流的RP技术。SLA技术依靠光聚合反应来进行固化成型,不产生热扩散和热形变,加上链式反应能作精确控制,可保证聚合反应不发生在激光点之外,因而加工精度高,表面质量好,原材料的利用率接近100%,成型效率高。 此外,由于SLA技术没有热效应,能制成各类大小规格的复杂精细零件,适用范围广泛,具有良好的综合稳定性,是唯一能满足航空航天产品的精度、表面质量和稳定性



工业设计,快速获得概念产品,还原设计概念展会展示 市场/销售演示 用于投标的实物展示设计验证及分析 设计的反复性及优化结构、装配及功能验证ModelsConceptualization &Presenlation真空注型(硅胶模)低压注型(RIM,环氧树脂模) 快速铸造(QuickCasting)PrototypesDesign,Analysis,Verification &Testing Patterns/Parts Secondary Molding&Casting Operations&Small-lotprduction(数据)离散(物理)堆积CAD模型 前处理快速成型 后处理CAD数据 构建支撑 .STL模型 制作原型STLLOMSLSFDMTDP 生成.STL要求的快速原型技术。目前,比利时Materialise公司的Mammoth激光快速成型系统,其一次性最大加工尺寸可达2200mm;在国内,上海联泰科技有限公司的RS800型设备最大可提供800×600×500mm的成 型空间,最小薄壁厚度可做到0.4~0.6mm,可满足大部分航空航天快速原型件的要求。下面以快速成型技 术在航天航空行业的部分实际应用案例来作一些简要说明。 

(1)展示模型——制导炸弹弹 翼组件。图3为2008珠海航展上展出的空军某型250kg级制导炸弹。该弹是在现有的老式航弹弹体上加装弹翼组件后改装而来的。展出的绿色弹体为常规航空炸弹,白色部分为弹翼组件,由联泰科技RS6000激光快速成型机全尺寸制作完成。其(单边)翼展最大尺寸约为1.2m长,整个组件在10天内即全部完成,其 中SLA制作7天,表面处理时间3天,为模型及时参与航展提供了有效保障。 

(2)功能讲解演示模型——航空发动机。图4为美国通用公司全尺寸航空发动机模型,所有零部件均由SLA技术实现。制作过程中甚至可在外壳上特别设计出可打开的剖面机构,以充分暴露其内部结构,利 于进行产品内部组件的展示和功能 讲解。 

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