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快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

發(fā)布時間:2011-02-14 10:01:08

目前RP技術(shù)的發(fā)展水平而言,在國內(nèi)主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品(包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代)開發(fā)的設(shè)計驗證和模擬樣品的試制上,即完成從產(chǎn)品的概念設(shè)計(或改型設(shè)計)——造型設(shè)計——結(jié)構(gòu)設(shè)計——基本功能評估——模擬樣件試制這段開發(fā)過程。對某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進行小批量試制,或進行一些物理方面的功能測試、裝配驗證、實際外觀效果審視,甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場,達到投石問路的目的。
  快速成型的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
  ?。?)新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證與功能驗證。RP技術(shù)可快速地將產(chǎn)品設(shè)計的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實物模型,這樣可以方便地驗證設(shè)計人員的設(shè)計思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性,發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題可及時修改。如果用傳統(tǒng)方法,需要完成繪圖、工藝設(shè)計、工裝模具制造等多個環(huán)節(jié),周期長、費用高。如果不進行設(shè)計驗證而直接投產(chǎn),則一旦存在設(shè)計失誤,將會造成極大的損失。
  ?。?)可制造性、可裝配性檢驗和供貨詢價、市場宣傳,對有限空間的復(fù)雜系統(tǒng),如汽車、衛(wèi)星、導(dǎo)彈的可制造性和可裝配性用RP方法進行檢驗和設(shè)計,將大大降低此類系統(tǒng)的設(shè)計制造難度。對于難以確定的復(fù)雜零件,可以用RP,技術(shù)進行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。此外,RP原型還是產(chǎn)品從設(shè)計到商品化各個環(huán)節(jié)中進行交流的有效手段。比如為客戶提供產(chǎn)品樣件,進行市場宣傳等,快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑。
  ?。?)單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。對于高分子材料的零部件,可用高強度的工程塑料直接快速成型,滿足使用要求;對于復(fù)雜金屬零件,可通過快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項應(yīng)用對航空、航天及國防工業(yè)有特殊意義。
  ?。?)快速模具制造。通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將RP原型轉(zhuǎn)換成各種快速模具,如低熔點合金模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等,進行中小批量零件的生產(chǎn),滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代快、批量越來越小的發(fā)展趨勢??焖俪尚蛻?yīng)用的領(lǐng)域幾乎包括了制造領(lǐng)域的各個行業(yè),在醫(yī)療、人體工程、文物保護等行業(yè)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
  快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用各行業(yè)的應(yīng)用狀況如下:
   ◆汽車、摩托車:外形及內(nèi)飾件的設(shè)計、改型、裝配試驗,發(fā)動機、汽缸頭試制。
   ◆家電:各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計,裝配試驗與功能驗證,市場宣傳,模具制造。
   ◆通訊產(chǎn)品:產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計,裝配試驗,功能驗證,模具制造。
   ◆航空、航天:特殊零件的直接制造,葉輪、渦輪、葉片的試制,發(fā)動機的試制、裝配試驗。
   ◆輕工業(yè):各種產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、裝配,市場宣傳,玩具、鞋類模具的快速制造。
   ◆醫(yī)療:醫(yī)療器械的設(shè)計、試產(chǎn)、試用,CT掃描信息的實物化,手術(shù)模擬,人體骨關(guān)節(jié)的配制。
   ◆國防:各種武器零部件的設(shè)計、裝配、試制,特殊零件的直接制作,遙感信息的模型制作。
  總之,快速成型技術(shù)的發(fā)展是近20年來制造領(lǐng)域的突破性進展,它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同,更重要的是在目前產(chǎn)業(yè)策略以市場響應(yīng)速度為第一的狀況下,RP技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,提高企業(yè)的競爭力。下面通過一些事例,說明該項技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)過程中起的作用。
  1.設(shè)計驗證:用于新產(chǎn)品外觀設(shè)計玲證和結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證,找出設(shè)計缺陷,完善產(chǎn)品設(shè)計。在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中,設(shè)計手段日趨先進,計算機輔助設(shè)計使得產(chǎn)品設(shè)計快捷、直觀,但由于軟件和硬件的局限,設(shè)計人員仍無法直觀地評價所設(shè)計產(chǎn)品的效果和結(jié)構(gòu)的合理性以及生產(chǎn)工藝的可行性??焖俪尚图夹g(shù)為設(shè)計人員迅速得到產(chǎn)品樣品,直觀評判產(chǎn)品提供了先進的技術(shù)手段。我公司為某摩托車生產(chǎn)廠新型250摩托車制作的覆蓋件樣件,包括油箱、前后擋板、車座和側(cè)蓋等共13件。采用AFS成型技術(shù),僅用12天就完成了全部制作。設(shè)計人員將樣件裝在車體上,經(jīng)過認真評價和反復(fù)比較,對產(chǎn)品的外觀做了重新修改,達到了理想狀態(tài)。這一驗證過程,使設(shè)計更趨完美,避免了盲目投產(chǎn)造成的浪費。
  2.裝配驗證:制出樣品實件,進行裝配實驗。天津某公司委托我方加工傳真機外殼及電話。用戶不僅要進行外觀評價,而且要將傳真機的內(nèi)部部件裝入樣件中,進行裝配實驗和結(jié)構(gòu)評價。該公司首先選擇傳統(tǒng)加工方法,分塊加工,手工粘結(jié),僅加工一套電話聽筒就耗資肆仟元,耗時20天。預(yù)計制作傳真機樣品需2個月,費用為2·5萬元。我公司用快速成型技術(shù),僅用15天就將該產(chǎn)品一套共六件交給委托方。用戶在裝配實驗中發(fā)現(xiàn)了7處裝配干涉和結(jié)構(gòu)不合理處。將前后兩種方法相比,傳真機BABS塑料組裝樣件傳統(tǒng)加工方法工序繁多,手工拼接費時、費力,材料浪費大、加工周期長。對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面,加工粗糙,尺寸精度低,制作的實物模型與設(shè)計模型之間不能建立一一對應(yīng)的關(guān)系,因而在裝配實驗中很難檢查出設(shè)計錯誤。而自動成型法,高度自動化,一次成型,周期短,精度高,與設(shè)計模型之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系,更適合樣品組裝件的生產(chǎn)和制造。
  3.功能驗證:我公司為某摩托車廠制作250型雙缸摩托車汽缸頭。這是一款新設(shè)計的發(fā)動機,用戶需要10件樣品進行發(fā)動機的模擬實驗。該零件具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)機加工無法加工,只能呆用鑄造成型。整個過程需經(jīng)過開模、制芯、組模、澆鑄、噴砂和機加等工序,與實際生產(chǎn)過程相同。其中僅開模一項就需三個月時間。這對于小批量的樣品制作無論在時間上還是成木上都是難以接受的。我們采用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù),以精鑄熔模材料為成型材料,在快速成型機上僅用5天即加工出該零件的10件鑄造熔模,再經(jīng)熔模鑄造工藝,10天后得到了鑄造毛坯。經(jīng)過必要的機加工,30天即完成了此款發(fā)動機的試制。
  4.快速鑄造:在制造業(yè)特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業(yè),共基礎(chǔ)的核心部件一般均為金屬零件,而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細結(jié)構(gòu)的零件。這些零件的生產(chǎn)常采用鑄造或解體加工的方法。在鑄造生產(chǎn)中,模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機加工的方法來完成的,有時還需要鉗工進行修整,不僅周期長、耗資大,而且從模具設(shè)計到加工制造是一個多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程,咯有失誤就會導(dǎo)致全部返工。特別是對一些形狀復(fù)雜的鑄件,如葉片、葉輪、發(fā)動機缸體、缸蓋等,模具的制造是一個難度更大的問題,即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備,在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍有很大困難??梢栽O(shè)想,如果遇到此類零件的試制或小批量生產(chǎn),其制造周期、成本及風險是相當大的。
  激光快速成型技術(shù)已被證明是解決小批量復(fù)雜零件制造的非常有效的手段。迄今為止,我們己通過激光快速成型成功地生產(chǎn)了包括葉鈴、葉片、發(fā)動機轉(zhuǎn)子、泵體、發(fā)動機缸體、缸蓋等千余仕掃盤鉆件 我們將快速成型與鑄造工藝的結(jié)合稱為快速鑄造工藝。圖5給出了快速鑄造工藝與傳統(tǒng)鑄造工藝的比較。由于快速鑄造過程無須開模具,因而大大節(jié)省了制造周期和費用。圖6是采用快速鑄造方法生產(chǎn)的燃氣二動機S段,零件直徑80Omm,高410m們,按傳統(tǒng)金屬鑄件方法制造,模具制造周期約需半年,費用幾十萬。用快速鑄造方法,快速成型鑄造熔模7天(分6段組合),拼裝、組合、鑄造10天,費用每件不超過2萬(共6件)。用快速成型方法生產(chǎn)的新型坦克增壓器的鑄造熔模,我們用5天時間就完成了37件蠟?zāi)5纳a(chǎn),使整個試制任務(wù)比原計劃提前了3個月。
  5.翻模成型:實際應(yīng)用上,很多產(chǎn)品必須通過模具才能加工出來。用成型機先制作出產(chǎn)品樣件再翻制模具,是一種既省時又節(jié)省費用的方法。發(fā)動機泵殼原型件產(chǎn)品用傳統(tǒng)機加工方法很難加工,必須通過模具成型。據(jù)估算,開模時間要8個月,費用至少30萬。如果產(chǎn)品設(shè)計有誤,整套模具就全部報廢。我們用快速成型法為該產(chǎn)品制作了塑料樣件,作為模具母模用于翻制硅膠模。將該母模固定于鋁標準??蛑?,澆入配好的硅橡膠,靜置12·20小時,硅橡膠完全固化,打開???,取出硅橡膠用刀沿預(yù)定分型線劃開,將母模取出,用于澆鑄泵殼蠟型的硅膠模即翻制成功。通過該模制出蠟型,經(jīng)過涂殼、焙燒、失蠟、加壓澆鑄、噴砂,一件合格的泵殼鑄件在短短的兩個月內(nèi)制造出來,經(jīng)過必要的機加工,即可裝機運行,使整個試制周期比傳統(tǒng)方法縮短了三分之二,費用節(jié)省了四分之三。
  6.樣品制作:制造產(chǎn)品替代品,用于展示新產(chǎn)品,進行市場宣傳,如通訊、家電及建筑模型制作等。
  7.工藝和材料驗證:快速制作各種蠟?zāi)?,用于精鑄新工藝和新型材料的摸索、驗證以及新產(chǎn)品制造所需輔助工具及部件的試驗。近無余量精鑄葉片的實驗品。首先按不同收縮率用成型機一次制作幾個葉片蠟?zāi)#缓笸繗?、編號、失蠟鑄造。將所得葉片鑄件進行測量,反復(fù)幾次即可確定不同材料無余量精鑄收縮率,為批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。如果用開模具的辦法進行此項試驗,其費用和周期都將大大增加。發(fā)動機高速渦輪,要求材質(zhì)高,鑄件密實。使用激光快速自動成型機,制作精鑄用蠟?zāi)K膫€,編號涂殼,使用不同配比特殊合金,分別澆鑄,對所得四件樣品進行測試,分別加以比較分析,即確定材料最佳配方。從制模到取得結(jié)果僅需一個月。
  8.反求工程與快速成型:成型機成型的一件摩托車的前面板樣件,面板上包含了一個前大燈和二個側(cè)燈的外罩,它們與面板構(gòu)成一個完整的曲面。這是一個用反向工程進行零件詳細設(shè)計的典型實例。整個工藝過程是首先由模型工根據(jù)摩托車的整體形象要求用油泥制作概念模型,經(jīng)評審滿意后用三座標測量儀進行數(shù)值化,測量數(shù)據(jù)用Pro/E軟件的Scantools模塊進行整理并轉(zhuǎn)換成曲面模型,再轉(zhuǎn)換成實體模型并進"細節(jié)"計。糟加筋、孔和車孔的輪廓
  等結(jié)構(gòu),最后由成型機制作出樣件模型,經(jīng)過打磨和噴漆的處理后裝在摩托車上進行外觀、裝配等檢驗,整個過程從完成三座標測量到得到樣件僅用一周時間。此時得到的樣件模型巴不同于最初的油泥模型,而成為與實際零件壁厚、尺寸一致,筋、孔等結(jié)構(gòu)齊全的零件模型,這比油泥模型無疑是一個很大的進步。如果這時需對模型進行修改,只需在CAD系統(tǒng)上就可完成。當模型的外觀和細部結(jié)構(gòu)確定無誤后,就可利用最后的模型數(shù)據(jù)進行模具設(shè)計和加工.

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