工業產品的創新設計與快速成型系統的研究

劉洋++成孝宗

摘 要：21世紀人們已經步人了一個高度信息化的時代，一個信息經濟和知識經.濟占主導的時代，信息經濟已成為知識創新的決定因素。在設計領域，信息同樣體現出巨大的價值，誰占有廣泛的信息資源、擁有了新的信息，誰在收集、加工處理和利用設計信息方面領先一步，誰就`占據了新知識的制高點，在創新設計競爭中就具有更強的競爭力。

關鍵詞：工業產品 創新設計 快速成型系統

1、快速成型技術原理

快速成型技術，自產生以來已有30年左右的發展歷史，它融合了眾多的學科與技術，比如數控技術、計算機輔助設計、機械工程、材料科學、激光技術。它較傳統的機加工方法更快速地將設計概念實現為具有一定功能的模型或零件，從而為設計定義的發展、測試樣機的功能驗證等工作提供低耗、高效的生產工藝。

它是一種基于離散-堆積成型原理的新型制造方法。先由CAD軟件建造出三維數字模型，然后把三維數字模型分層為二維平面信息；再將二維信息生成數控代碼，驅動加工終端對材料進行逐層成型并粘接為產品形體?？焖俪尚图夹g徹底擺脫了傳統機械加工的“去除”加工法，而是采用全新的“增材”加工制造方法。

2、快速成型技術在設計研發中的作用

2.1快速成型技術可以避免設計主觀失誤，提升創意品質

新產品的創意初期經常帶有設計者的主觀喜好，但有可能是不嚴謹的。通過快速成型技術的運用，在創意設計的同時就能直觀得到產品的預想樣機模型，比僅靠三維數字模型更能發現并更正設計缺陷，更能直觀地對設計細節及其與整體的關系進行評價，避免了更多的反復修改。

2.2快速成型技術可以縮短設計周期，加快新產品開發進度

對于一般產品，只有在模具驗收合格后才能進行整機的裝配及驗收，這需要一段相當長的時間。應用快速成型技術之后，可以充分利用模具制造的這段時間進行產品部件的整體裝配和功能試驗，使模具爭取一次性通過驗收。這就會使模具制造與整機試驗、評價工作同時進行，最大限度地提升產品的開發進度。

2.3快速成型技術可以在產品開發初期提供直觀的三維實體樣件

由于快速成型技術制作出的樣品更直觀、辨識度更強，所以在樣件制作方面有非常大的優勢。利用快速成型技術制作產品模型，能夠使用戶在產品批量生產之前便全方位地查驗產品的細節與整體，及時反饋意見，給設計生產方提供更多更全面的設計生產依據。

3、工業產品創新設計與快速成型平臺的選擇

3.1 工業產品創新設計平臺的選擇

工業產品的設計過程是人性化物品優化設計的過程，產品的創新設計集工藝美術及商業等風格為一體。在整個創新設計過程中，設計方法和設計理念決定產品發展的前提，而選擇合適的設計平臺又是實現創新設計方法及設計理念的關鍵所在。采用Pro/Engineer作為工業產品的創新設計造型系統，設計者可利用實體建模、曲面建模、自由造型和圖形渲染等功能，輕松實現自己的設計構思和創意，直接預見設計產品的外觀，并為下一步產品快速成型、輸出對應模型格式奠定基礎。

3.2 快速制造平臺的選擇

工業產品的制造選用三維打印快速成形技術，其基于微噴射原理，將液態噴滴按一定程序逐層打印成形，整個過程在常溫下操作，設備價格較低，運行可靠，維護費用較低，成型速度快，操作簡單，無污染，制件精度較高。

4、工業產品的創新設計

4.1 原產品及創新設計要求

圖1為電子定時控制插座，帶有液晶顯示和定時開關。隨著網絡技術的發展，智能家居越來越普及，要求將原電子定時插座改為智能wifi遠程控制插座，并要求創新設計產品外形美觀，曲面飽滿、光順，線條清晰，色彩漂亮、協調，具有較好的工藝性和經濟性，且工作可靠，具有足夠的機械強度和抗跌落性。

4.2 產品創新設計造型

由于內部控制線板和基本形狀及尺寸已經給定，且以大批量生產為前提，故產品外形創新設計力求簡單、實用，而且插頭和插孔以國家標準為基礎，故在草繪插板等標準件時，直接利用Pro/Engineer提供的高級草繪命令（草繪數據來自文件）進行特征創建，既滿足設計要求，又縮短了設計時間，然后采用曲面造型及基本特征命令建立插座上蓋、下蓋、插板、按鈕等零件并進行裝配。

5、快速成型技術的發展方向

5.1 獨立行進的快速成型制造領域

目前，快速概念模型制造、快速模具技術、快速功能測試模型制造及快速功能零件制造并行發展。前三者由于針對目標明確，發展方向相對獨立。相對來講，快速功能零件制造一直是快速成型技術研究的熱點和最具挑戰性的課題?，F有的快速成型技術可以制造出ABS或金屬零件，但其表面精度和內部力學性能等方面仍然很難達到真正實際零件的全部要求。所以，在今后的很長一段時間內，快速功能零件制造仍將局限于研究領域。

5.2 向大型制造與微型制造進軍

分析快速成型技術主導公司的產品系列不難發現，成型的模型尺寸有不斷增大的趨勢，但是大型模具制造的難度也很大。不過快速成型技術在模具制造領域越來越有優勢，未來的快速成型技術市場肯定會被大型制造占據一定份額。與此形成鮮明對比的是，快速成型向微型制造領域進軍，采用高精度激光掃描系統的微米印刷技術來制造微米零件已經成為開發微機電系統的重要手段。

5.3 新的成型方法和材料

現有的快速成型方法都基于立體平面化-離散-堆積的思路，今后有可能研究集“堆積”和“切削”于一體的快速成型技術，形成新的疊層成型方法，以提高模型的性能和精度，降低生產成本。另外，從快速成型技術的特點出發，可以發展全新的快速成型材料，特別是復合材料、納米材料、非均質材料等。

6、結論

快速成型技術是一種處在發展完善過程的高新技術，其技術本身和應用領域尚需進行大量的開發研究。21世紀將是以知識經濟和信息社會為特征的時代，制造業面臨信息社會中瞬息萬變的市場對小批量多品種產品要求的嚴峻挑戰。在制造業日趨國際化的狀況下，縮短產品開發周期和減少開發新產品投資風險，成為企業賴以生存的關鍵。因此，快速成型、制模、制造技術將會得到進一步發展。

參考文獻：

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