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第三屆國(guó)際會(huì)議材料加工和特征描述（2015年ICMPC） CAD/CAM與快速成型技術(shù)在產(chǎn)品的整合中的發(fā)展：審查 摘要： 快速原型設(shè)計(jì)和制造技術(shù)（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(duì)于很多中小型企業(yè)，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用集成的CAD/CAM RP&M系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程部件的操控和制造用于快速成型技術(shù)來(lái)提高企業(yè)快速發(fā)展的能力。本文提供了最近關(guān)于CAD/CAM RP &M系統(tǒng)的全面審查。并對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程RP&M系統(tǒng)的關(guān)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(qiáng)度測(cè)量；（5）STEP/XML(產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范/可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)；（6）應(yīng)用新技術(shù)和對(duì)快速成型系統(tǒng)的概念，進(jìn)行詳細(xì)的描述。最后，綜述了CAD/CAM RP & M系統(tǒng)未來(lái)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(quán)利 由第四屆國(guó)際材料加工會(huì)議委員會(huì)編輯并共同審查 關(guān)鍵字：CAD/CAM 快速成型 算法 1.概述 由于21世紀(jì)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)全球化的壓力，在業(yè)內(nèi)通過(guò)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間降低成本并同時(shí)確保產(chǎn)品的性能和服務(wù)作為企業(yè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。RP（快速成型技術(shù)）就是一種新型的技術(shù)，它根據(jù)3d模型能在很短的時(shí)間內(nèi)在計(jì)算機(jī)的控制下按照新的成型技術(shù)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(guò)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(shù)。從那以后，許多新的加工制造思想開(kāi)始出現(xiàn)，有很多專利技術(shù)開(kāi)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(xiàng)轉(zhuǎn)換RP使之形成功能模塊的技術(shù)，尤其是金屬和塑料件。它提供了一種快速，低成本的方法來(lái)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(jìn)公司的整合與并行。 很多程序已經(jīng)從 RP系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)并應(yīng)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(guò)常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)，如：高速加工 （HSM），或更為常見(jiàn)的RP工藝，例如SL或者SLS。直接 RT，顧名思義，因?yàn)橹苯釉赗T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^(guò)從主層面復(fù)制來(lái)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(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂，低熔點(diǎn)合金等材料 。RTV橡膠模具，環(huán)氧樹(shù)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(guò)程，快速鑄造工藝，以及快遞工具工藝是一些硬模的應(yīng)用。電火花加工（EDM）是在快速制模中發(fā)現(xiàn)了潛在的應(yīng)用價(jià)值，這似乎是一個(gè)有趣的領(lǐng)域。使得基于RP技術(shù)的電火花電極技術(shù)得以開(kāi)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(jìn)展并對(duì)其進(jìn)行全面審查。討論其未來(lái)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(lǐng)域的主要參與者們已經(jīng)得出一個(gè)突破性的結(jié)論，但也只能應(yīng)用在基礎(chǔ)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(shù)語(yǔ)和專利，波音公司最近通過(guò)先進(jìn)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(gè)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(shù)中有很高的要求。經(jīng)過(guò)該模式的間接生產(chǎn)和再生產(chǎn)，在一個(gè)工藝鏈中，即使在制造過(guò)程中有一個(gè)顯著的特點(diǎn)和有重要的特征表現(xiàn)，或者有一個(gè)重要的選擇方向也不能被視為是LM了，對(duì)比快速制造（RM），快速模型技術(shù)在以前的定義中僅是在一段很長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)中保持產(chǎn)品一致性的工具，這意味著一個(gè)模具在淘汰前能夠生產(chǎn)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的產(chǎn)品。談及模具，主要是指注塑模具，因?yàn)檫@些模具是最經(jīng)常使用的成型工具，當(dāng)然我們不得不考慮其他 關(guān)于模具，主要考慮注塑模具，因?yàn)檫@些模具是最經(jīng)常使用的成形工具。當(dāng)然，我們不得不考慮，在其他苛刻條件下對(duì)材料性能的需求，因?yàn)樵趬鸿T件鍛壓板材和鍛造模具時(shí)，應(yīng)該增加對(duì)發(fā)熱、機(jī)械負(fù)荷和磨損的要求。在另一方面，我們也需要考慮到在低負(fù)載條件下的經(jīng)濟(jì)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(kāi)發(fā)并用于RT系統(tǒng)制造工藝的流程圖。 圖 1.機(jī)構(gòu)的 RT 集成制造系統(tǒng)。 3.在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)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(guān)鍵問(wèn)題?；谀壳皩?duì)CAD RP/RM系統(tǒng)的研究成果，這些關(guān)鍵問(wèn)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(qiáng)度的測(cè)量；（5）STEP/XML；（6）應(yīng)用到快速原型系統(tǒng)中的新技術(shù)和新概念。本文對(duì)這六大類關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。 3.1 CAD/CAM/CAE STL,這個(gè)已經(jīng)在RP/RM行業(yè)廣泛采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，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(wèn)題，例如在從原始CAD文件轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)生誤差。在另一方面，STL幾何表示也不太準(zhǔn)確，它需要很大的存儲(chǔ)空間，需要NURBS曲線，貝塞爾曲線，B曲線等復(fù)雜的數(shù)學(xué)參數(shù)來(lái)表示。不過(guò)最近，在積極的研發(fā)下，更多的數(shù)學(xué)參數(shù)被引進(jìn)來(lái)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(huì)存在誤差，所以亟需一個(gè)智能的解決方案來(lái)提高RP/RM的建模效率、幾何精度以及能表達(dá)復(fù)合生物醫(yī)學(xué)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者通過(guò)圍繞其顯示，改變光線、陰影和渲染條件來(lái)查看模型。 例如，以8000系列牽引機(jī)的右工作臂的三點(diǎn)鏈接組件為例，其在垂直向下的壓力下工作，因?yàn)樨?fù)載由牽引機(jī)的中心向右移動(dòng)，所以這些應(yīng)力只會(huì)出現(xiàn)在右臂。對(duì)于這一問(wèn)題，因?yàn)樵谳喴愀浇鼤?huì)發(fā)生形變可能與升降機(jī)的升降郵箱活塞桿發(fā)生碰撞，所以對(duì)于這些問(wèn)題選用有限元進(jìn)行分析。提升臂位于牽引機(jī)的后部，左右升降臂通過(guò)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(jī)構(gòu)的強(qiáng)度并且降低了設(shè)備的高度。在左右升降臂上各有一個(gè)液壓缸提供動(dòng)力來(lái)升降運(yùn)動(dòng)臂。升降臂按照規(guī)定安裝到執(zhí)行單元。 3.3 各向異性強(qiáng)度的測(cè)量 為了做出壓縮測(cè)試樣品，采用3D打印機(jī)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(fù)合材料，壓縮試樣的尺寸是根據(jù)ASTM D695.In壓縮試驗(yàn)，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(rèn)光柵角度。在3D打印的過(guò)程中，建立三個(gè)建模指示軸-軸向、橫向、對(duì)角來(lái)制作模型，假定在斜坡底部對(duì)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(gè)切片層的邊界輪廓作為一個(gè)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(shè)效率的要求。工具 - 路徑用來(lái)制造沿每個(gè)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(yīng)切片具有足夠小的厚度。在這一層點(diǎn)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(yīng)分層的量度。在沿建模方向的大曲率的變化分量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很寬的分散帶。我們假定一個(gè)厚品帶的寬度一般代表一個(gè)大尖端的高低程度或者代表一個(gè)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(diǎn)之間的最大允許誤差。如果測(cè)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(yīng)厚度則應(yīng)該增加。由于厚度層在實(shí)際確定下來(lái)之后世實(shí)際的形狀誤差才能隨之確定，所以切片的過(guò)程應(yīng)該遵循一個(gè)迭代的過(guò)程。在這一方面，從開(kāi)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(gè)合適的范圍之內(nèi)并且符合實(shí)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(shè)計(jì)的DPS算法中，通過(guò)RTW用目標(biāo)語(yǔ)言編輯器實(shí)時(shí)編譯從思慕環(huán)節(jié)DPS模塊塊（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）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(dòng)連接。然后，將可執(zhí)行代碼下載到TMS320C6701-EVM進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理。快速成型的方法可以概括為三個(gè)步驟： （1）代碼生成過(guò)程; （2）可執(zhí)行代碼的建設(shè)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn),該層的主要功能是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的檢索。STEP標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)信息和有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)已被實(shí)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(yīng)用層協(xié)議（APS）。這些應(yīng)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(shè)施、維修設(shè)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(gè)總體結(jié)構(gòu)的一部分。從INFELT STEP開(kāi)發(fā)平臺(tái)的形勢(shì)出發(fā)綜合考慮，該平臺(tái)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM加工工藝和數(shù)控加工工藝的一種平臺(tái)。下面的應(yīng)用協(xié)議的集成層用于： 1.配置控制設(shè)計(jì) 2.功能數(shù)據(jù)和流程規(guī)劃示意圖 3.汽車機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的核心數(shù)據(jù)和對(duì)工藝規(guī)劃 4.機(jī)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(yīng)用于快速原型系統(tǒng)的新技術(shù)和新理念 3D打印機(jī)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(xì)信息。首先，粉末層散布機(jī)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(lái)平鋪粉末，假如粘結(jié)劑再次被打印。這一層接一層的過(guò)程重復(fù)，直至該部件完成打印。完成打印后，經(jīng)過(guò)后期處理，沒(méi)有粘接的粉末被清除，留下預(yù)制件。納米復(fù)合材料：沉積系統(tǒng)（NCDS）使用聚合物樹(shù)脂作為基質(zhì)和各種納米粒子結(jié)合，以形成復(fù)合材料，以及由沉積基質(zhì)和“機(jī)械微加工”的材料去除加工過(guò)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(guò)在每個(gè)層面重復(fù)以上加工過(guò)程，最終獲得三維部分。 4.結(jié)論 CAD/CAM和快速原型技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始傳統(tǒng)的制造方法和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)制造的潛力。它們?cè)诋?dāng)前的制造業(yè)中也變得越來(lái)越重要了，此外，基于CAD的盈虧系統(tǒng)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并逐步實(shí)現(xiàn)快速原型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造了。RP和RM設(shè)備實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)很多中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，可速提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力和速度。本文回顧了CAD RP/RM技術(shù)的發(fā)展歷程，該系統(tǒng)的未來(lái)改進(jìn)工作應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：在寫作環(huán)境中集成和交互操作性課提高RP服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因襲基于CAD的RP/RM系統(tǒng)集成和操作交互性是一個(gè)重要的課題。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)服務(wù)代表了在設(shè)計(jì)和克服可能出現(xiàn)的縮放問(wèn)題的各種實(shí)體之間的合作的一個(gè)步驟。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)服務(wù)技術(shù)可以為這個(gè)問(wèn)題提供一個(gè)解決方案。一些新的技術(shù)和概念，如：STEP、XML等為基于軟件的應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的工具?；贑AD RP/RM系統(tǒng)未來(lái)的研究和開(kāi)發(fā)，應(yīng)該借鑒這些新技術(shù)和新理念，尤其是3D打印技術(shù)。NCDS.Further的研究將專注于為RP和RT并發(fā)進(jìn)程，優(yōu)化外部制造資源?；贑AD的設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)是使命，結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施，能力和設(shè)計(jì)過(guò)程的長(zhǎng)期制成的新產(chǎn)品。本文的顯著貢獻(xiàn)是提出了基于CAD RP/RM技術(shù)的最新進(jìn)展和和對(duì)其進(jìn)行了綜合性的回顧，并討論了其未來(lái)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(shù)已經(jīng)應(yīng)用到協(xié)作型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造商許多年了，但實(shí)際工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域還沒(méi)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(shè)計(jì)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(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。