聚氨酯產(chǎn)品快速制造技術(shù)研究

聚氨酯產(chǎn)品快速制造技術(shù)研究

傳統(tǒng)的建筑設計通常從造型設計師開始，根據(jù)產(chǎn)品的要求和想法繪制圖紙，或設計師根據(jù)圖紙和樣品的原型想法形成石膏模型，然后繼續(xù)修訂原型。然后，結(jié)構(gòu)設計師確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計，根據(jù)消費市場的需要制作不同比例的原型，最后，形成整個產(chǎn)品的想法。以實現(xiàn)大量生產(chǎn)。然而在許多情況下,并沒有實物模型,也沒有產(chǎn)品的圖紙,而只有數(shù)碼圖片,該圖片可能是產(chǎn)品原創(chuàng)造型的設計來源,或者可能含有產(chǎn)品設計的重要特征。在此情況下,如果能夠根據(jù)數(shù)碼圖片信息使產(chǎn)品模型化,甚至開發(fā)出相應的模具,將是產(chǎn)品原創(chuàng)設計制造的一個簡單有效方案。在本文中首先介紹了一種基于數(shù)碼圖片的產(chǎn)品CAD設計方法,在虛擬的計算機環(huán)境中(本文中使用的設計環(huán)境是Pro/Engineer三維造型軟件)對產(chǎn)品進行三維造型,使數(shù)據(jù)圖片的二維特征生成具有關(guān)鍵設計信息的三維模型,然后將該模型數(shù)據(jù)輸入到快速成型機中,就可以很快制造出產(chǎn)品的原型,用于設計評價或者市場調(diào)研,對于單件產(chǎn)品也可以經(jīng)過后期處理后直接成為最終的產(chǎn)品。制作出的快速原型如果能夠結(jié)合其他制造工藝還可以做出不同類型的快速模具,用于批量生產(chǎn)。本文中采用SLA快速原型和硅橡膠制模工藝快速制造出了硅橡膠模具,可以用于真空注型產(chǎn)品的小批量制造。1pro/e應用于三維建模的數(shù)碼照片特征在互聯(lián)網(wǎng)或者圖片庫,甚至自己拍攝的數(shù)碼照片中,往往有一些信息會激發(fā)產(chǎn)品設計或者制造者的靈感,將其中的部分特征運用到產(chǎn)品中。但是數(shù)碼圖片是二維平面的,而產(chǎn)品模型往往是三維的,如果將二維平面特征用到三維的產(chǎn)品建模中,需要將所需要的特征提取出來,根據(jù)設計需求修改后體現(xiàn)在三維CAD設計中,這個過程是通過CAD設計軟件來完成的。在本文中采用Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer是美國PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的產(chǎn)品,具有強大的實體建模、裝配、工程分析等功能,模塊眾多,特別適合于各類產(chǎn)品的三維設計。廣泛應用于電子、通訊、機械、模具、工業(yè)設計、汽車、航天、家電、玩具等各行業(yè),特別是在模具設計和制造行業(yè)中,已廣泛利用其強大的造型功能,準確完整地表達和描述模具的復雜曲面和實體造型。在本文中使用該軟件進行圖片關(guān)鍵特征的提取及其三維模型生成。以一個圖片實例介紹產(chǎn)品建模的過程,如圖1所示。圖片中龍的造型非常有特色,想要根據(jù)此龍的造型制作桌面工藝品。首先需要在圖片中提取龍的特征曲線,并且進行修改,然后生成三維模型,最后添加部分特征完成產(chǎn)品設計。從圖1中可以看到產(chǎn)品造型比較復雜,有著不規(guī)則的外形,并且其表面多為曲面。用一般的拉伸、旋轉(zhuǎn)命令是很難做到的,如果在ISDX下制作那些曲面的話,就可以相對容易地達到理想的效果?；跀?shù)碼圖片特征的產(chǎn)品建模過程如圖2所示。首先根據(jù)Pro/E提供的跟蹤草繪功能獲取一些重要的點,他們帶有圖形的特征信息,再通過這些點做曲線,然后通過曲線來構(gòu)件曲面,最后生成實體。其設計思路為點→線→面→實體。設計步驟為:(1)進入Pro/E環(huán)境后,首先建立一個“零件”(.PRT)文件。(2)打開下拉式菜單Insert—Style進入造型特征,然后點選TraceSketch,即跟蹤草繪功能。在TraceSketch對話框中可以看見三個選項,即三個不同的視圖,這表明Pro/E可以提供至少從三個視圖對圖片提取輪廓信息。選擇Front面當作底面,并選取所需的圖片鋪在底面上以進行描繪,為了使圖片更加清晰,可以在屬性欄(Properties)中將Translate設置為零。在圖片的左右兩邊各有一條黃線,移動此線可以選擇所需要的圖片尺寸的大小,同樣可以調(diào)節(jié)上下區(qū)域的高度,當調(diào)節(jié)好圖片的位置后,我們就開始對圖1中龍的輪廓線進行繪制。(3)點選Front面作為基準面,此面上就會出現(xiàn)網(wǎng)格,也就是表示此面為活動平面。改選左下角為Plannar,開始平面曲線的繪制,為了使做出來的原型更加精確,可以放大圖片。沿著圖形的輪廓選取若干個點,通過曲線將這些點連接,即可得到所需圖形的大概輪廓。同時值得注意的是,為了得到質(zhì)量好的曲線,點的數(shù)量盡量少取。其命令為Settheactivedatumplane—Front—CreateCurves—Planar。當輪廓線描繪完畢后,如果對其中的某些部分不滿意,可以通過Curveedit來編輯曲線,并可同時配合曲率圖修改,直到滿意為止。提取并修改后的特征曲線如圖3a所示。(4)由于輪廓曲線還是平面圖形,而需要得到三維實體模型以用于產(chǎn)品制造,因此需要將此特征曲線根據(jù)產(chǎn)品設計需要進行三維實體化。先做一個基準面,使之平行于Front面,兩面間距適當即可,選擇需要的特征曲線段,將其投影到新建的基準面上。其操作如下:點下落曲線—點引伸曲面(即Front面)—點剛產(chǎn)生的曲面(即DTM1)—選DTM1為下落方向—點OK,即可完成下落曲線。為了能用若干小曲面來構(gòu)建實體,還得結(jié)合圖片的信息在FRONT面和DTM1面上所繪的輪廓之間加上空間曲線,將兩個面上的輪廓線連接起來,形成一封閉的區(qū)間以便構(gòu)建曲面。如圖3b所示。在ISDX中可通過四條或三條空間(或平面)曲線來構(gòu)建曲面,Stying—Surface—BoundaryCurves,也可加一條中間曲線(Secondary)以使曲面更加符合要求。為了保證兩連接曲面的質(zhì)量,相連曲面之間的連接方式分為三種級別,分別為G0、G1、G2。G0連續(xù)會使圖形產(chǎn)生銳利的邊緣,應盡量避免;G1表示曲面相切連續(xù),也就是一階連續(xù),通常所畫的面都如此;G2表示相鄰面的曲率是連續(xù)的,即二階連續(xù),這種曲面很難達到。依次將曲面建好后,還需將所有曲面進行合并,合并所用的命令是Insert—Merge,每次可將兩個或多個面合成一個面,反復此過程,直到最終合成一個完整的面,到此就完成了一半的曲面的構(gòu)建。圖3c為合并后的曲面。(5)本文設計的模型是關(guān)于Front面對稱的,接下來通過鏡像將其變成一對稱的封閉的三維曲面。用Edit—Mirror即可,選Front面為對稱面。在鏡像之后還必須通過Merge命令把原始曲面和鏡像后的曲面合并成一個曲面,為后面的實體化做好鋪墊。到此曲面的構(gòu)建就已經(jīng)完成。用Edit—solidity—Protrusion—OK即可生成三維實體模型。(6)三維模型的棱角處通過倒圓角使之光滑,底部支撐及眼睛部分可用拉伸命令來做。(7)根據(jù)我們的產(chǎn)品設計要求,最后在三維CAD模型上添加底座、文字和圖標等。那這個設計構(gòu)思源自數(shù)碼圖片特征,而產(chǎn)品設計完全按照需求的全新設計就完成了,如圖3d所示。2ps50的工藝概述SLA(Stereolithographyapparatus)方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域中應用最廣泛的工藝,具有原型精度高、制造速度快的優(yōu)點,本課題采用該方法制作上節(jié)設計產(chǎn)品的快速原型。SLA技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。在一定波長(如λ=325nm)和強度的紫外光的照射下,光敏樹脂材料能迅速發(fā)生光聚合反應,材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài),層層堆積形成快速原型。SLA成型設備采用西安交通大學光固化快速成型機(型號:SPS450),該設備由激光掃描系統(tǒng)、托板升降系統(tǒng)、樹脂循環(huán)系統(tǒng)與涂層系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)五個部分組成。首先將設計完成的龍造型工藝品的CAD模型在Pro/E中輸出為STL格式。由于STL文件無法供成型機直接使用,必須把其轉(zhuǎn)化為二維層片零件的輪廓信息,因此需要用數(shù)據(jù)處理軟件對三維零件進行分層切片處理。數(shù)據(jù)處理軟件采用西安交通大學開發(fā)的RPData。在RPData中對當前模型進行分層,分層厚度為0.1mm?？焖僭椭谱魇菍⒅圃鞌?shù)據(jù)傳輸?shù)匠尚蜋C中,快速成型出零件的過程,它是快速成型技術(shù)的核心。一般根據(jù)要制作零件的特點、設備的狀態(tài)和做出的零件的情況改變工藝參數(shù)。零件的特點主要考慮零件的最大高度、橫截面積大小、支撐加的多少等方面;設備的狀態(tài)主要考慮光強。根據(jù)已經(jīng)做出的零件的固化情況、邊界、棱角及誤差大小等方面的情況,修改工藝參數(shù)。本研究中采用的主要工藝參數(shù)為:激光掃描功率190MW,基礎高8mm,每層厚0.1mm,填充掃描速度4600mm/s,支撐掃描速度1600mm/s,跳跨速度10000mm/s,輪廓掃描速度3500mm/s,補償直徑0.16mm,工作臺升降速度2mm。零件制作完成后,計算機會提示要取出制作完成的零件,首先將工作臺升出液面,然后用鏟子將其鏟出。零件取出后,用乙醇溶液清洗,除去支撐。待清洗完畢后,即可對其進行后固化。將零件放紫外燈下照射約15min即可。原型一般還需要打磨,以得到良好的外觀。制作好的龍造型SLA原型如圖4所示。3產(chǎn)生的主要是氯仿模、真空注干、聚類、氨零件的生產(chǎn)3.1景觀模具的制作采用快速成型原件做模型,可制作硅橡膠模具。這種模具具有良好的仿真性、強度和極低的收縮率,脫模容易,同時模具修改也很方便。硅橡膠模具可以作為真空注型工藝的模具,有可作為中間過渡模制作精密鑄造用的鑄型。硅橡膠制模工藝過程為:(1)SLA原型表面處理SLA原型需進行表面拋光等處理以降低原型的表面粗糙度。只有原型表面足夠光滑,才能保證制作的硅橡膠模具有較高的表面質(zhì)量。(2)制作型框和固定原型依據(jù)原型的幾何尺寸和硅膠模使用要求設計澆注型框的形狀和尺寸。在固定原型之前,需確定分型面和澆口的位置。當分型面和澆口選定并處理完畢后,便將原型固定于型框中。(3)硅橡膠計量、混合并真空脫泡硅橡膠用量應根據(jù)所制作的型框尺寸和硅橡膠的密度準確計量。將計量好的硅橡膠添入適當比例的固化劑,攪拌均勻后進行真空脫泡。脫泡時間應根據(jù)達到的真空度來掌握。(4)硅橡膠澆注及固化硅橡膠混合體真空脫泡后澆注到已固定好原型的型框中。硅橡膠澆注后,為確保型腔充填完好,再次進行真空脫泡。脫泡的目的是抽出澆注過程中摻入硅膠中的氣體和封閉于原型空腔中的氣體,脫泡后,硅膠?？勺孕泄袒蚣訙毓袒?。加溫固化可縮短固化時間。(5)拆除型框、刀剖開模并取出原型當硅橡膠模固化后,即可將型框拆除并去掉澆道棒等。參照原型分型面的標記進行刀剖開模,將原型取出,得到具有原型形狀型腔的硅橡膠模具。經(jīng)過實驗得到基于SLA原型的硅橡膠模具制作的工藝參數(shù):硅橡膠與固化劑的比例為10比1;真空脫泡時的真空度為-85kPa,時間大約為5min;室溫固化時間約為24h,50℃下固化時間約為4h。3.2計測試技術(shù)利用硅橡膠模具在真空注型機可以進行20～30件的聚氨酯零件的快速制作,這樣通過上述工藝設計并制作出快速原型的原創(chuàng)產(chǎn)品可以進行小批量產(chǎn)品的生產(chǎn),也可以進行樣機的試制來對市場進行分析和設計測試等。真空注型工藝是在真空環(huán)境下向硅橡膠模具中澆注雙組份聚氨酯材料,而后固化形成具有硅橡膠模具型腔形狀的產(chǎn)品。使用真空注型機前,將硅橡膠模具裝配好后放入真空室,按照預先設定的參數(shù),機器開始抽真空,排除氣體,將聚氨酯的雙組分在真空環(huán)境下充分混合,然后適當降低壓力,經(jīng)過一段穩(wěn)定化階段后,將混合后的聚氨酯液體注入硅橡膠模。釋放真空,將硅橡膠模在室溫下靜置30min后再將其放入烘箱中烘烤2～3h,使液體聚氨酯完全固化。利用這種工藝可以在一套硅橡膠模中制作20～30個聚氨酯零件。基于龍造型的SLA原型