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第三屆國際會議材料加工和特征描述（2015年ICMPC） CAD/CAM與快速成型技術在產(chǎn)品的整合中的發(fā)展：審查 摘要： 快速原型設計和制造技術（RP&M）在縮短新產(chǎn)品周期和降低成本等方面凸顯出很高的潛力。對于很多中小型企業(yè)，開發(fā)和應用集成的CAD/CAM RP&M系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠程部件的操控和制造用于快速成型技術來提高企業(yè)快速發(fā)展的能力。本文提供了最近關于CAD/CAM RP &M系統(tǒng)的全面審查。并對實現(xiàn)遠程RP&M系統(tǒng)的關鍵和有力工具，包括：1）CAD/CAM/CAE ；(2)建模和優(yōu)化；(3)算法；（4）各向異性強度測量；（5）STEP/XML(產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范/可擴展標記語言)；（6）應用新技術和對快速成型系統(tǒng)的概念，進行詳細的描述。最后，綜述了CAD/CAM RP & M系統(tǒng)未來可能的發(fā)展觀和研究方向。 2015年 艾斯維爾有限公司（作者），保留所有權利 由第四屆國際材料加工會議委員會編輯并共同審查 關鍵字：CAD/CAM 快速成型 算法 1.概述 由于21世紀的國際競爭和市場全球化的壓力，在業(yè)內(nèi)通過縮短產(chǎn)品上市時間降低成本并同時確保產(chǎn)品的性能和服務作為企業(yè)強大的驅(qū)動力。RP（快速成型技術）就是一種新型的技術，它根據(jù)3d模型能在很短的時間內(nèi)在計算機的控制下按照新的成型技術逐步加工工件。相比傳統(tǒng)的加工方法，大多數(shù)快速成型系統(tǒng)往往基于添加原料的工藝制造零件，而不是磨削材料。因此，這種類型的加工制造方法不受傳統(tǒng)加工制造方法的限制。通過添加材料制造零件已有15年的歷史。它始于80年代后期的立體光刻技術。從那以后，許多新的加工制造思想開始出現(xiàn)，有很多專利技術開始慢慢積累。一些新工藝也隨之發(fā)明和商業(yè)化，還有一些就慢慢消失在人們的視線中。在表1中給出概述。 A.K.馬塔：2論文集（2015年）3438 - 3445 表1. 名稱 首字母略縮詞 發(fā)展年份 Stereolithography SLA 1986~1988 Solid Ground curing SGC 1986~1999 LaminatedObject Manufacturing LOM 1985~1991 FusedDepositionModeling FLM 1988~1991 SelectiveLaserSintering SLS 1987~1999 3D Printing 3DP 1985~1997 RP以新的方式向快速原型工具（RT）方向演變。RT是一項轉(zhuǎn)換RP使之形成功能模塊的技術，尤其是金屬和塑料件。它提供了一種快速，低成本的方法來生產(chǎn)模具和功能部分。此外，在RP和RT的發(fā)展戰(zhàn)略中，兩者都在促進公司的整合與并行。 很多程序已經(jīng)從 RP系統(tǒng)中開發(fā)并應用于模具制造。RT 方法大致可以分為直接和間接的工具類別，也分為軟膜和硬膜。間接RT 需要某種主模式，可通過常規(guī)方法實現(xiàn)，如：高速加工 （HSM），或更為常見的RP工藝，例如SL或者SLS。直接 RT，顧名思義，因為直接在RT系統(tǒng)上制造工具腔，因此消除了畫圖紙的中間步驟。軟?？梢酝ㄟ^從主層面復制來獲得，軟模成本低，適用于小批量生產(chǎn)，并在低硬度的情況下使用，例如，硅氧烷樹脂，環(huán)氧樹脂，低熔點合金等材料 。RTV橡膠模具，環(huán)氧樹脂模具，金屬噴涂模具等是一些典型的軟模具。硬模適用于高產(chǎn)量，和更大的材料硬度要求。Keltool過程，快速鑄造工藝，以及快遞工具工藝是一些硬模的應用。電火花加工（EDM）是在快速制模中發(fā)現(xiàn)了潛在的應用價值，這似乎是一個有趣的領域。使得基于RP技術的電火花電極技術得以開發(fā)，容易研磨工藝，銅電凈形制造等 基于RP和RM,本文的目的是介紹CAD/CAM系統(tǒng)的最新進展并對其進行全面審查。討論其未來的研究方向。并基于RP和RM為CAD的發(fā)展提供參考和方向 2.快速制造的定義和分類 在這一領域的主要參與者們已經(jīng)得出一個突破性的結(jié)論，但也只能應用在基礎層面。類似于西門子和峰力等大規(guī)模定制生產(chǎn)的公司創(chuàng)造了一些新的術語和專利，波音公司最近通過先進的數(shù)字化制造（ADM）3D系統(tǒng)的滿足成產(chǎn)需求。 RM必須在產(chǎn)品的整個生命周期中保證組件的的可使用性能，保證易損件的使用周期。這就需要材料在LM技術中有很高的要求。經(jīng)過該模式的間接生產(chǎn)和再生產(chǎn)，在一個工藝鏈中，即使在制造過程中有一個顯著的特點和有重要的特征表現(xiàn)，或者有一個重要的選擇方向也不能被視為是LM了，對比快速制造（RM），快速模型技術在以前的定義中僅是在一段很長時間的生產(chǎn)中保持產(chǎn)品一致性的工具，這意味著一個模具在淘汰前能夠生產(chǎn)幾十萬甚至上百萬的產(chǎn)品。談及模具，主要是指注塑模具，因為這些模具是最經(jīng)常使用的成型工具，當然我們不得不考慮其他 關于模具，主要考慮注塑模具，因為這些模具是最經(jīng)常使用的成形工具。當然，我們不得不考慮，在其他苛刻條件下對材料性能的需求，因為在壓鑄件鍛壓板材和鍛造模具時，應該增加對發(fā)熱、機械負荷和磨損的要求。在另一方面，我們也需要考慮到在低負載條件下的經(jīng)濟效益，例如：熱成型、纖維成型、以及其他類似的工藝，圖2所示，基于集成系統(tǒng)，開發(fā)并用于RT系統(tǒng)制造工藝的流程圖。 圖 1.機構(gòu)的 RT 集成制造系統(tǒng)。 3.在產(chǎn)品開發(fā)過程中的關鍵問題 在各類CAD RP/RM系統(tǒng)的發(fā)展中，我們已經(jīng)討論了一些關鍵問題。基于目前對CAD RP/RM系統(tǒng)的研究成果，這些關鍵問題可分為以下六大類：（1）CAD/CAM/CAE；（2）建模與優(yōu)化；（3）算法研究；（4）各向異性強度的測量；（5）STEP/XML；（6）應用到快速原型系統(tǒng)中的新技術和新概念。本文對這六大類關鍵問題進行了詳細的說明。 3.1 CAD/CAM/CAE STL,這個已經(jīng)在RP/RM行業(yè)廣泛采用的數(shù)據(jù)標準，是一種基于三角形或四邊形產(chǎn)品模型的近似表示方案。然而，在STL文件中，孔、缺失/蛻變/重疊面內(nèi)存在一些問題，例如在從原始CAD文件轉(zhuǎn)換過程中會生誤差。在另一方面，STL幾何表示也不太準確，它需要很大的存儲空間，需要NURBS曲線，貝塞爾曲線，B曲線等復雜的數(shù)學參數(shù)來表示。不過最近，在積極的研發(fā)下，更多的數(shù)學參數(shù)被引進來以更好地發(fā)展RP/RM。 一些研究成果采用參數(shù)有效表示了諸如貝塞爾曲線、B曲線和NURBS曲線以改善RP/RM幾何質(zhì)量誤差。但是，參數(shù)和工藝方案之間也會存在誤差，所以亟需一個智能的解決方案來提高RP/RM的建模效率、幾何精度以及能表達復合生物醫(yī)學模型等不同的集合模型。 3.2 建模和優(yōu)化 建模模塊允許設計者用VR模型交互以操控顯示效果和零件的幾何形狀，這允許設計者通過圍繞其顯示，改變光線、陰影和渲染條件來查看模型。 例如，以8000系列牽引機的右工作臂的三點鏈接組件為例，其在垂直向下的壓力下工作，因為負載由牽引機的中心向右移動，所以這些應力只會出現(xiàn)在右臂。對于這一問題，因為在輪毅附近會發(fā)生形變可能與升降機的升降郵箱活塞桿發(fā)生碰撞，所以對于這些問題選用有限元進行分析。提升臂位于牽引機的后部，左右升降臂通過搖桿相連接，它們是鑄造件，安裝到牽引裝置中，提高了四桿機構(gòu)的強度并且降低了設備的高度。在左右升降臂上各有一個液壓缸提供動力來升降運動臂。升降臂按照規(guī)定安裝到執(zhí)行單元。 3.3 各向異性強度的測量 為了做出壓縮測試樣品，采用3D打印機選用一種FDM中的ABS材料、apz102（石膏粉），NCDS丙烯酸 - 羥基磷灰石等復合材料，壓縮試樣的尺寸是根據(jù)ASTM D695.In壓縮試驗，建立方向，這是唯一的檢查方法，“軸向”（水平）和“橫向”（垂直）。光柵角分別為setas（45?/-45?）。注意，（45?/-45?）是在快速切片方案中定義的默認光柵角度。在3D打印的過程中，建立三個建模指示軸-軸向、橫向、對角來制作模型，假定在斜坡底部對角樣本圖層的傾斜角為45度。 3.4 算法 切片算法為了保持原有模型的精確度代表每個切片層的邊界輪廓作為一個封閉的NURBS曲線?；旌系毒呗窂剿惴ㄊ巧奢喞弯忼X形刀具路徑，以滿足幾何精度和建設效率的要求。工具 - 路徑用來制造沿每個切片層的邊界的區(qū)域中的輪廓，以改善產(chǎn)品模型的幾何質(zhì)量。鋸齒狀刀具路徑用于制造模型的內(nèi)部區(qū)域，以提高效率。從一端獲得的第一層在自適應切片具有足夠小的厚度。在這一層點到位于部件邊緣的平面沿RP建模方向突出。這形成了散亂的二維帶。直觀的解決方法是使用該頻帶的寬度為自適應分層的量度。在沿建模方向的大曲率的變化分量會產(chǎn)生一個很寬的分散帶。我們假定一個厚品帶的寬度一般代表一個大尖端的高低程度或者代表一個很大的形狀誤差。那么厚頻帶寬度公差就須考慮到最終成型的模型的寬度與云數(shù)據(jù)點之間的最大允許誤差。如果測量得到的最大頻帶公差比規(guī)定的頻帶寬度公差要小的話，那么該層的自適應厚度則應該增加。由于厚度層在實際確定下來之后世實際的形狀誤差才能隨之確定，所以切片的過程應該遵循一個迭代的過程。在這一方面，從開始構(gòu)建模型到檢查模型再到重建模型，公差帶必須要在一個合適的范圍之內(nèi)并且符合實際的生產(chǎn)所規(guī)定的范圍之內(nèi)才能滿足需求。 使用MATLAB（第六版）設計的DPS算法中，通過RTW用目標語言編輯器實時編譯從思慕環(huán)節(jié)DPS模塊塊（數(shù)據(jù)存儲）的產(chǎn)生到圖形塊，然后加上其他的配套文件，，編譯出該文件的C代碼。匯編和使用TI TMS320C6000代碼生成工具和使用GMAKE自動連接。然后，將可執(zhí)行代碼下載到TMS320C6701-EVM進行實時信號處理?？焖俪尚偷姆椒梢愿爬槿齻€步驟： （1）代碼生成過程; （2）可執(zhí)行代碼的建設進程; （3）可執(zhí)行代碼下載處理。 3.5 STEP/XML 基于用戶STEP數(shù)據(jù)模型的標準,該層的主要功能是數(shù)據(jù)的存儲的檢索。STEP標準具有數(shù)據(jù)協(xié)議，可以組織在其上產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)成的設計信息和有關其生產(chǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)?；诋a(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性本標準已被實施在具體的結(jié)構(gòu)中，各種亞結(jié)構(gòu)組成了STEP數(shù)據(jù)模型，并被稱為應用層協(xié)議（APS）。這些應用層協(xié)議的定義不僅包括像是汽車、航空航天、船舶、電子、施工設施、維修設備等行業(yè)中的規(guī)則擬定性元素，也是一種數(shù)據(jù)的類型和一個總體結(jié)構(gòu)的一部分。從INFELT STEP開發(fā)平臺的形勢出發(fā)綜合考慮，該平臺是用來實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM加工工藝和數(shù)控加工工藝的一種平臺。下面的應用協(xié)議的集成層用于： 1.配置控制設計 2.功能數(shù)據(jù)和流程規(guī)劃示意圖 3.汽車機械設計過程的核心數(shù)據(jù)和對工藝規(guī)劃 4.機械產(chǎn)品定義 5.產(chǎn)品的材質(zhì)信息 6.數(shù)控加工的集成 7.產(chǎn)品生命周期的支持 3.6.應用于快速原型系統(tǒng)的新技術和新理念 3D打印機構(gòu)建部件層。從模型數(shù)據(jù)的?STL?和切片算法生成的每一層的詳細信息。首先，粉末層散布機床床身，該組件的切片，然后由噴墨選擇性地注入粘合 劑的材料形成綠色部分。然后活塞部分降低，接下來平鋪粉末，假如粘結(jié)劑再次被打印。這一層接一層的過程重復，直至該部件完成打印。完成打印后，經(jīng)過后期處理，沒有粘接的粉末被清除，留下預制件。納米復合材料：沉積系統(tǒng)（NCDS）使用聚合物樹脂作為基質(zhì)和各種納米粒子結(jié)合，以形成復合材料，以及由沉積基質(zhì)和“機械微加工”的材料去除加工過程中沉積到10-100納米的薄層福合埕近似于網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。通過在每個層面重復以上加工過程，最終獲得三維部分。 4.結(jié)論 CAD/CAM和快速原型技術已經(jīng)開始傳統(tǒng)的制造方法和進一步開發(fā)傳統(tǒng)制造的潛力。它們在當前的制造業(yè)中也變得越來越重要了，此外，基于CAD的盈虧系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)出來并逐步實現(xiàn)快速原型產(chǎn)品的開發(fā)和制造了。RP和RM設備實用性強，對很多中小型企業(yè)來說，可速提高產(chǎn)品的開發(fā)能力和速度。本文回顧了CAD RP/RM技術的發(fā)展歷程，該系統(tǒng)的未來改進工作應該集中在以下幾個方面：在寫作環(huán)境中集成和交互操作性課提高RP服務的競爭優(yōu)勢，因襲基于CAD的RP/RM系統(tǒng)集成和操作交互性是一個重要的課題。計算機輔助設計服務代表了在設計和克服可能出現(xiàn)的縮放問題的各種實體之間的合作的一個步驟。計算機輔助設計服務技術可以為這個問題提供一個解決方案。一些新的技術和概念，如：STEP、XML等為基于軟件的應用系統(tǒng)提供了一個有效的工具?；贑AD RP/RM系統(tǒng)未來的研究和開發(fā)，應該借鑒這些新技術和新理念，尤其是3D打印技術。NCDS.Further的研究將專注于為RP和RT并發(fā)進程，優(yōu)化外部制造資源?；贑AD的設計和制造系統(tǒng)是使命，結(jié)構(gòu)，基礎設施，能力和設計過程的長期制成的新產(chǎn)品。本文的顯著貢獻是提出了基于CAD RP/RM技術的最新進展和和對其進行了綜合性的回顧，并討論了其未來的發(fā)展方向。這可以提供基于CAD的盈虧系統(tǒng)的發(fā)展方向提供參考和方向。雖然基于CAD的技術已經(jīng)應用到協(xié)作型產(chǎn)品的設計和制造商許多年了，但實際工業(yè)應用領域還沒有完全普及的很好。作為典型的案例是基于CAD的協(xié)同產(chǎn)品設計和制造系統(tǒng)，基于CAD RP/RM的系統(tǒng)已經(jīng)在制造業(yè)顯現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，但是想要走上真正的商業(yè)應用還有很長的路要走。