MEM技術的概念車身模型的制造

時間:2011-02-28 10:31:18 來源:

　　1 引言

　　快速成型技術(Rapid Prototyping，簡稱RP)是近20多年來發展起來的一項新的造型技術。它是將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數控技術(CNC)、材料科學和激光技術等結合起來的綜合性造型技術。它是采用數字化(離散)的方法、通過增材加工來構建最終實體。它與傳統意義上的減材加工方法不同，加工過程無需刀具、模具和工裝夾具，材料的利用率極高;突破了零件幾何形狀復雜程度的限制，理論上可以制造出任意復雜形狀的零件;成型迅速，從CAD模型到完成原型制作通常只需幾小時到幾十小時，可實現產品開發的快速閉環反饋，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造產品原型，具有高度柔性;能實現與CAD/CAM的無縫連接。由于該技術無需工模具設計/制造/調整，大大縮短了產品開發周期，減少了開發成本。從全程來看，能夠快速完成設計/制造一體化。

　　到目前為止，全世界已經形成了很多種不同的成型方法和工藝。其中國內清華大學開發的相近于熔融沉積成型(FDM-Fused Deposition Modeling)的熔融擠壓快速成型(MEM～Melted Extrusion Modeling)是RP技術中的一種重要方法，也是RP技術的后起之秀。該工藝原理是將絲狀熱熔性材料(ABS、PC、蠟)通過液化器熔化，擠壓噴出并堆積一個層片，然后用同樣的方法加工下一個層片，并與前一個層片熔結在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。圖1為熔融擠壓快速成型的工藝原理。

　　圖1 熔融擠壓快速成型工藝原理

　　2 概念車身模型的制造方法

　　快速成型工藝過程是一個涉及CAD/CAM、數據編程、材料制備及后處理等環節的集成制造過程。在整個工藝過程中每一個環節都會對成型件的精度、成型時間及材料利用率產生影響。而成型件的精度和成型時間是MEM工藝中的兩個主要技術指標。材料利用率也是一個比較重要的問題。同時，還要防止加工過程中由于熱應力而出現的翹曲變形。所以。合理地設計加工方法及加工工藝至關重要。由于要加工的概念車身模型的尺寸較大，超過了所用MEM設備的成型空問，因此需要將整體概念車身模型分割處理，分割為若干個部分再進行加工。為減小加工過程中的臺階效應，提高精度，需要合理放置加工件，盡量使加工過程中加工件的主要表面與水平面的夾角最大;為防止成型件出現翹曲變形，就要盡量減小在加工過程中的內應力，其實質是使加工件在加工過程中的不同部分的溫度差不要太大。為達到這一目的，可以采用縮小加工截面積的辦法，即將概念車車身立起來放置(如圖3(b)所示)。這樣既能減小加工過程中任意橫截面的面積，減小內應力，遏制翹曲變形;又能使概念車身模型的主要表面(外表面)與水平面的夾角最大，減小加工過程中的臺階效應，提高精度;還能省掉加工過程中不必要的支撐，提高材料利用率。

　　另外，熔融擠壓快速成型的工藝參數在MEM的加工過程中起著相當重要的作用。這些工藝參數包括分層厚度、噴頭溫度、環境溫度、擠出速度、填充速度、理想輪廓線的補償量及延遲時間等。在工藝過程中為了保證相鄰兩層能夠牢固的粘結，就應使分層厚度小于噴嘴的直徑，擠出速度與填充速度合理匹配，使得噴絲從噴嘴擠出時的體積等于粘結時的體積。研究表明對改性ABS這種材料，噴頭溫度一般控制在248℃，工作室的環境溫度設定為比擠出絲的熔點溫度低I℃一2℃為宜，一般取55℃。同時需要合理設置延遲時間參數，設置調整理想輪廓補償量。

　　圖2 概念車身模型

　　3 概念車身模型的制造過程

　　3.1 利用Rhino軟件進行三維CAD模型的構建使用Rhino軟件進行3D建模，完成后的三維圖形如圖2所示。

　　目前快速成型設備能夠接受STL、SLC、CLI、RPI、LEAF、SIF等多種格式的文件，其中sTL文件格式被大多數快速成型機所接受，被認為是目前快速成型數據的準標準，幾乎所有的快速成型系統都采用STL數據格式。本系統也接受STL數據格式，因此要在快速成型之前，先要對3D實體模型進行三角網格劃分以生成STL文件。Rhino軟件生成、輸出STL文件的過程為：①File(文件)-Save As(另存為);②選擇文件類型為STL;③輸入文件名;④Save(保存);⑤選擇Binary STL Files(二進制STL文件)。

　　3.2 Aurora軟件輸出CLI文件

　　Aurora是專業快速成型數據處理軟件，它接受STL模型，進行分層處理后輸出CU格式標準文件，可供多種工藝的快速成型系統使用。Aurora軟件具有輸入、輸出、模型分割、幾何變換、三維模型顯示、效驗與修復、自動支撐功能和分層等功能。

　　概念車身模型進行整體加工時，由于概念車身模型的幾何尺寸大于所用快速成型系統的成型空間，無法加工(圖3(a))，這時需要通過Aurora軟件對模型進行分割，利用分割命令將概念車身的STL模型在一個確定的高度分解，生成兩個STL模型(圖3(b))，然后分次進行加工(圖3(c))。這里我們通過對STL模型坐標旋轉變換，選擇圖3(c)的放置角度，設定分層參數(厚度為0.2ram)，進行模型分層。這樣立起來放置，不僅可以減小臺階效應、提高成型件精度，而且可以節省加工時間，減少支撐，節省材料。