快速成型技术在工业设计中的应用_徐江华.pdf
快速成型技术在工业设计中的应用 徐江华,张敏 ( 南昌航空工业学院, 南昌 330034) 摘要 先进的技术必将推动工业设计的发展。 该文分析了快速成型技术在工业设计中应用 的必要性以及工业设计与快速成型技术的互动性。 关键词: 快速成型; 工业设计; 互动 中图分类号: TB47文献标识码: B文章编号: 1001-3563( 2004) 06-0131-03 TheApplication of Rapid Prototypingin IndustryDesign XU Jiang -hua , ZHANG Min ( Nanchang Institute of Aeronautical Technology , Nanchang 330034 , China) A bstract:The advanced technology must promote the development of industry design.The necessity of applying Rapid Prototyping to the industry design and the interaction between them were analyzed and discussed. Key words: Rapid prototyping;Industry design;Interaction 收稿日期: 2004-07-02 作者简介: 徐江华( 1977- ), 男, 湖北荆州人, 南昌航空工业学院教师, 主要研究方向为产品的开发设计。 由于计算机技术的快速发展和普及, 工业设计也进入了一 个新的信息时代。 计算机的应用极大地改变了工业设计的技 术手段, 改变了工业设计的程序与方法。 与此相适应, 设计师 的观念和思维方式也有了很大的转变。 另一方面, 以计算机技 术为代表的高新技术开辟了工业设计的崭新领域, 先进的技术 必须与优秀的设计结合起来, 才能使技术人性化, 真正服务于 人类, 工业设计对推动高新技术产品的进步起到了不可估量的 作用。 工业设计不同于其他设计, 它是立体的物质实体性设计, 在设计展开的不同阶段, 具体创意单纯靠效果图检验不出实体 体量关系, 必须辅以各种立体模型对设计方案不断检测和修 改。运用快速成型( Rapid Prototyping) 技术代替传统的手工模 型制作能够更加精确、快速、直观、完整的传递产品的信息, 更 重要的是建立起一种并行结构的设计系统, 将设计、工程分析、 制造三位一体优化集成于一个系统, 使不同专业的人员能及时 相互反馈信息, 从而缩短开发周期, 并保证设计、制造的高质 量。 1快速成型技术 快速成型技术是近年发展起来的直接根据电脑数字文件 快速生成模型或零件实体的技术的总称。 用快速成型技术制 作的产品样机模型俗称 RP 手板, 它主要是用激光片层切割叠 加或激光粉末烧结技术、分层实体造型、熔融挤压实体造型、光 固化造型生成产品的模型或样件。 制作产品的样机模型并不 是它的全部内容, 而只是这项技术应用的一个方面 , 如在航空、 医疗等方面的应用。 快速成型技术目前的主要用途有 3 大类: 1) 设计模型的制造, 它使工业设计师设计的产品外壳和工 程师设计的机器零件, 都可以通过这项技术快速地生成可以看 得见, 摸得着的实体模型; 2) 小批量生产, 对于那些不能批量生 产的零件, 利用快速自动成型, 或者是使用与之相关的快速模 具来制造, 成本会大大降低; 3) 模具加工, 用快速成形法可以制 造塑料模以取代传统木制仿形模, 也可以生产精密铸造用蜡 模。 在工业设计中模型是产品开发中的重要表现方式和手段, 是从物质的实体性构成上表达具体产品的实态性构成, 其目的 是从设计的环节性要求上探讨和验证实体构成元素关系。 所 以, 所谓真实化的模型表现, 集中反映着不同设计思想凝聚的 设计目标和技能表现意识支撑下的表现形式, 这是模型表现的 双重规律和意义。 伴随产品开发的一步步进程, 运用快速成型 技术取代石膏、软木、纸、泡沫塑料、ABS 工程塑料板、油泥等材 料所表现出来的草模、比例模型、局部模型、原大模型、样机等 能在各个设计环节点上以实体体量的检测推进设计工作进程, 并促使产品从一个个实体上不断完善。 2 样机制作中的应用及在新产品设计中的必要性 作为开发性产品造型设计, 展示模型是采用得最多的一 种, 它真实感强, 为研究人机关系、结构尺寸、造型工艺、合理美 观的外形以及市场宣传等, 提供了较完美的立体形象。产品样 131 徐江华等快速成型技术在工业设计中的应用 机常被作为项目审批、投标审定、展示说明、归档收藏、研究分 析、批量生产等的重要参考依据。 样机模型是设计师推敲和检 验设计的重要手段。 但是在以往传统的模型制作中主要采用 的是手工制作的方法, 制作工序复杂, 手工制作的样机模型不 仅工期长, 而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸, 因 而其检查结构设计合理性的功能大打折扣, 由于工具的限制在 的新产品开发中只能达到事倍功半的效果。 近几年发展起来 的快速成型技术在工业设计中应用显得尤为重要, 快速成型技 术代替手工制作样机模型是必然趋势。 它的必要性主要体现 在以下几个方面。 2. 1 在产品外观设计上的必要性 模型是设计物立体的、形象化的表达手段, 包括运用各种 材料制成的草模、精致模型、透明模型、剖面模型及测试模型 等。 快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模 型相比较可以更直观地以实物的形式把设计师的创意反映出 来, 这在工业设计师对产品的外观造型的设计推敲中是必不可 少的。 而且它所具有的超前性, 可以使企业在模具制造出来之 前就开始产品的广告宣传, 甚至是前期的市场销售, 并为以后 的批量生产做好准备。 图 1 是运用快速成型设备制作的参赛 外观模型。 2. 2 在样机结构设计上的必要性 因为样机和实际产品一样是可装配的, 所以它能直观地反 映出结构设计合理与否, 安装的难易程度, 使结构工程师可以 及早发现和解决问题。 由于模具制造的费用一般很高, 比较大 的模具往往价值数十万乃至几百万, 如果在模具开出后发现结 构不合理或其他问题, 其损失可想而知。 而应用快速成型技术 的样机制作可以把问题解决在开出模具之前, 这样就有效地降 低了企业的投资风险。 图 2 浙江余姚一家生产吸尘器厂家运 用快速成型技术为吸尘器实物直接成型的外壳部件能够完整 的安装一体。 图 1汽车模型 图 2快速成型的吸尘器部件 Fig . 1 The model of car Fig. 2 Vacuum cleaner by Rapid Prototyping 2. 3 在样机模型制作周期、成本上的必要性 快速成型技术成型的一个重要的优点是模型的造价几乎 与产品的复杂程度无关, 成型复杂的形态也非常容易。 另一个 重要的优点是速度快, 而且实现快速铸造、快速样机模具制造、 小批量生产。 快速成型用得较多的电脑文件是 STL 格式 , 这 是国际上成型文件通用格式, 它可以通过 Pro/ E, Solidworks, UG 等软件获得。 目前在广东地区、浙江沿海一带, 小家电产 品和塑料产品特别发达, 并且这些私营企业的产品主要是针对 出口, 为国内增加不少的外汇积累。 但是在成品大批量生产之 前, 他们的产品样品必须送到出口单位认可, 那么国内厂家只 有高成本预先开好模具制成成品样机, 而且制作样机的周期 长, 然而一旦外方对样机不满意或需重新修改, 预先开发的模 具就会作废, 造成巨大的浪费, 无形提高了生产成本。 快速成 型设备运用到工业设计中, 极大的解决了国内厂方这一难题。 快速成型机可以以极低廉的制作成本重复制作样机, 直到外方 满意, 才去开发最终的模具。 以 M EM 熔融挤压实体造型快速 成型机制作模型为例, 熔融挤压成型技术不用激光器, 基本上 设备没有损耗。 材料价格 400 元/ kg , 用量为 10g/h。 耗电量 为每小时两度, 每度电价 0. 8 元。 2. 4 在样机模型制作精确度上的必要性 不管是简单的外观形体还是复杂的产品内部结构, 快速成 型技术都能够高精度的一次成型。 利用计算机软件的虚拟建 模, 设定好需要模型的效果参数, 通过数据线与快速成型设备 的连接, 达到电脑控制一体化。 快速成形技术制作产品样机模 型的方式主要有 4 种。 1) 光固化树脂成形( SLA)。 SLA 是最早出现的一种商 品化快速成形机, 它由液漕、可升降工作台、激光器、扫描系统 和计算机数控系统等组成, 由激光固化液态光敏聚合物而成。 优点: 成形速度极快、成形精度、表面质量高, 适和做小件及细 节件; 2)熔融挤压喷丝成形( FDM)。 FDM 快速成形机主要由 工控机, 送丝机构, 运动系统, 喷头等组成。 优点: 运行费用极 低( 无激光器损耗), 精度比较高, 成形材料种类也较多, 材料的 利用率高, 原材料便宜, 成形样件强度好, 易于装配, 表面质量 较好; 3) 粉末烧结成形。 粉末烧结成形是用电脑控制激光束 扫描特殊的树脂粉末, 激光束扫过的地方, 树脂粉末就烧结成 具有一定厚度的片层, 这样反复的扫描和烧结, 一个三维实体 模型就制造出来了; 4) 涂覆纸叠加成形( LOM) 。 LOM 快速成形机主要由 工控机、原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、 可升降工作台和数控系统等组成。 优点: 成形精度较高, 适合 做大件及实体件, 特适合铸造等行业。 应用快速成形技术制作 产品样机模型的 4 种方式都具有成型精度高的优势, 是传统模 型制作方式无法比拟的。 产品样机的制作过程, 实际上是调 整、修正、补充、完善的过程, 是设计、实践、设计紧密结合的过 程。随着 CAD、CAM 的快速发展, 快速成型技术为样机的制 造提供了更好的技术支持, 使得制造与真实产品一模一样的样 机成为可能。 3快速成形技术与工业设计发展的互动性 132 包装工程PACKAGING ENGINEERING Vol. 25 No. 6 2004 工业设计是技术、艺术与市场相结合的边沿学科, 先进的 技术推动工业设计向前发展, 近年来发展起来的直接根据电脑 数字文件快速生成模型或零件实体的快速成型技术必将推动 工业设计向前迈进一大步。 在信息时代, 工业设计从设计、样 机制作、开模实行计算机一体化; 高度柔性、CAD 模型直接驱 动、成形过程中信息过程和材料过程一体化、使成形材料非均 质的原型; 成形的快速性, 技术的高度集成, 在制造业中快速成 型技术能够高精度、高效率 、低成本地制造这些精铸件的母模 必将直接取代效率低、精度低的传统的木模工手工制作。 同时 由于工业设计本身专业特性也将对目前的快速成型技术及设 备的成型空间、成型材料、软件的兼容等方面提出新的要求, 工 业设计也将促进快速成型技术的”再设计”过程。 工业设计与 快速成型技术最终形成一个良性的互动发展。 计算机技术的 快速发展和普及以及因特网的迅猛发展使工业设计产生了前 所未有的重大变化, 工业设计对推动高新技术产品的进步起到 了不可估量的作用, 计算机发展的历史本身就说明了这一点。 4结语 高新技术开辟了工业设计的崭新领域。 高精度、高效率的 快速成型技术在工业设计中的应用缩短了产品开发周期, 降低 了成本, 提高了产品设计质量; 另一方面, 工业设计也因其自身 的特性对快速成型提出新的要求而对其“ 再设计”互动发展。 快速成型技术在工业设计中的应用是信息时代工业设计的发 展趋势。 参考文献 1 何人可. 信息时代的工业设计 J/OL . dolcn网站, 2002( 余不详) 2闫卫. 工业产品造型设计程序与实例 M . 北京: 机械工业出版 社, 2003 ( 上接第 123 页) 制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股 份有限公司应用, 使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几 小时, 并保证一次试切成功; 另外, 东北大学、机械科学研究院、 北京机床研究所、上海交大和长沙铁道学院等单位也相继研制 出一些虚拟仿真软件。 3. 4 虚拟装配 借助虚拟装配设计系统, 设计人员可以在虚拟环境中使用 各种装配工具对设计的机构进行装配检验。 产品设计过程中 最容易出现也最难发现的问题就是装配问题, 有时设计完的产 品在生成成品的时候, 才发现产品的装配无法实现、零部件装 配发生干涉等问题。 而虚拟装配系统可以在产品的设计阶段, 就按照产品结构树的顺序对产品进行虚拟装配( Virtual As - sembling), 对产品的结构设计、零件的安装、装配进行虚拟操 作, 从而及早发现并解决装配中的问题, 提高设计效率, 减少不 必要的经济损失。 尽管虚拟装配技术尚未充分地应用于产品 的分析和评价, 但是这项技术的可靠及应用价值已得到广泛肯 定, 华盛顿州立大学开发研制了一个名为“ 虚拟装配设计环境” ( Virtual Assembly Design Environment)、简称 VADE 的虚拟设 计系统, 利用该系统, 设计人员在设计初期便可考虑有关装配 的问题以避免这方面的设计缺陷, 并能利用这个虚拟环境评价 产品的公差、选择零部件的装配顺序、确定装配工艺并将结果 进行可视化处理。 3. 5 虚拟销售与服务 利用产品外观造型、动画广告漫游、虚拟装配和功能介绍, 向销售商进行推销, 通过意向或合同确定虚拟销售( Virtual Selling) 的数量。 这也是将产品是否从“储备”状态转入“设计” 状态、或改变产品开发优先顺序的重要依据。 另外, 通过虚拟 装配和性能树制定维修手册和维修光碟, 指导各维修网点进行 维修培训, 对顾客提供虚拟服务( Virtual Servicing) 。 4 结 语 尽管虚拟技术还很年轻, 但是虚拟现实仍然被看作是未来 的人机接口方式。 在工业设计中应用虚拟技术, 可以实现产品 的完全数字化, 因为虚拟产品是可以具有产品的全部信息和功 能接近现实的计算机模型。 可以预见, 在未来的工业设计中, 虚拟技术将逐渐应用到设计的各个环节中, 从产品的外形设 计, 到动力学仿真 , 乃至产品设计管理、广告漫游和销售等, 虚 拟技术必将发挥更大的优势。 相信在未来的产品开发设计当 中, 虚拟设计会被广泛地推广, 并将给整个设计制造业带来巨 大影响。 参考文献 1 李怡等. 虚拟工业设计 M . 北京: 电子工业出版社, 2003 2 秦怀宇. 论虚拟设计在新产品开发中的应用 EB/OL . 设计在线 ( 余不详) 3 http: /www . images. com. cn/virtual_reality/vr _tutoriall/vr _man- tan. htm 4 宫文飞, 等. 产品方案的虚拟设计初探 J . 机械设计, 2003, ( 9) : 12-14 5 刘宏增, 等. 虚拟设计 M . 北京: 机械工业出版社, 1999 133 徐江华等快速成型技术在工业设计中的应用
