目前基于MEM技术的概念车身模型的制造

基于MEM技术的概念车身模型的制造

1 引言

快速成型技术(Rapid Prototyping，简称RP)是近20多年来发展起来的一项新的造型技术。它是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、材料科学和激光技术等结合起来的综合性造型技术。它是采用数字化(离散)的方法、通过增材加工来构建最终实体。它与传统意义上的减材加工方法不同，加工过程无需刀具、模具和工装夹具，材料的利用率极高；突破了零件几何形状复杂程度的限制，理论上可以制造出任意复杂形状的零件；成型迅速，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型，具有高度柔性；能实现与CAD／CAM的无缝连接。由于该技术无需工模具设计／制造／调整，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本。从全程来看，能够快速完成设计／制造一体化。

到目前为止，全世界已经形成了很多种不同的成型方法和工艺。其中国内清华大学开发的相近于熔融沉积成型(FDM-Fused Deposition Modeling)的熔融挤压快速成型(MEM～Melted Extrusion Modeling)是RP技术中的一种重要方法，也是RP技术的后起之秀。该工艺原理是将丝状热熔性材料(ABS、PC、蜡)通过液化器熔化，挤压喷出并堆积一个层片，然后用同样的方法加工下一个层片，并与前一个层片熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。图1为熔融挤同时人们对本身健康及生活质量要求也日渐提高压快速成型的工艺原理。

图1 熔融挤压快速成型工艺原理

2 概念车身模型的制造方法

快速成型工艺过程是一个涉及CAD／CAM、数据编程、材料制备及后处理等环节的集成制造过程。在整个工艺过程中每一个环节都会对成型件的精度、成型时间及材料利用率产生影响。而成型件的精度和成型时间是MEM工艺中的两个主要技术指标。材料利用率也是一个比较重要的问题。同时，还要防止加工过程中由于热应力而出现的翘曲变形。所以。合理地设计加工方法及加工工艺至关重要。由于要加工的概念车身模型的尺寸较大，超过了所用MEM设备的成型空问，因此需要将整体概念车身模型分割处理，分割为若干个部分再进行加工。为减小加工过程中的台阶效应变形丈量范围：0⑴0mm；，提高精度，需要合理放置加工件，尽量使加工过程中加工件的主要表面与水平面的夹角最大；为防止成型件出现翘曲变形，就要尽量减小在加工过程中的内应力，其实质是使加工件在加工过程中的不同部分的温度差不要太大。为达到这一目的，可以采用缩小加工截面积的办法，即将概念车车身立起来放置(如图3(b)所示)。这样既能减小加工过程中任意横截面的面积，减小内应力，遏制翘曲变形；又能使概念车身模型的主要表面(外表面)与水平面的夹角最大，减小加工过程中的台阶效应，提高精度；还能省掉加工过程中不必要的支撑，提高材料利用率。

另外，熔融挤压快速成型的工艺参数在MEM的加工过程中起着相当重要的作用。这些工艺参数包括分层厚度、喷头温度、环境温度、挤出速度、填充速度、理想轮廓线的补偿量及延迟时间等。在工艺过程中为了保证相邻两层能够牢固的粘结，就应使分层厚度小于喷嘴的直径，挤出速度与填充速度合理匹配，使得喷丝从喷嘴挤出时的体积等于粘结时的体积。研究表明对改性ABS这种材料，喷头温度一般控制在248℃，工作室的环境温度设定为比挤出丝的熔点温度低I℃一2℃为宜，一般取55℃。同时需要合理设置延迟时间参数，设置调整理想轮廓补偿量。

图2 概念车身模型

3 概念车身模型的制造过程

3．1 利用Rhino软件进行三维CAD模型的构建使用Rhino软件进行3D建模，完成后的三维图形如图2所示。

目前快速成型设备能够接受STL、SLC、CLI、RPI、LEAF、SIF等多种格式的文件，其中sTL文件格式被大多数快速成型机所接受，被认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有的快速成型系统都采用STL数据格式。本系统也接受STL数据格式，因此要在快速成型之前，先要对3D实体模型进行三角格划分以生成STL文件。Rhino软件生成、输出STL文件的过程为：①File(文件)-Save As(另存为)；②选择文件类型为STL；③输入文件名；④Save(保存)；⑤选择Binary STL Files(二进制STL文件)。

3.2 Aurora软件输出CLI文件

Aurora是专业快速成型数据处理软件，它接受STL模型，进行分层处理后输出CU格式标准文件，可供多种工艺的快速成型系统使用。Aurora软件具有输入、输出、模型分割、几何变换、三维模型显示、效验与修复、自动支撑功能和分层等功能。

概念车身模型进行整体加工时，由于概念车身模型的几何尺寸大于所用快速成型系统的成型空间，无法加工(图3(a))，这时需要通过Aurora软件对模型进行分割，利用分割命令将概念车身的STL模型在一个确定的高度分解，生成两个STL模型(图3(b))，然后分次进行加工(图3(c))。这里我们通过对STL模型坐标旋转变换，选择图3(c)的放置角度，设定分层参数(厚度为0．2ram)，进行模型分层。这样立起来放置，不仅可以减小台阶效应、提高成型件精度，而且可以节省加工时间，减少支撑，节省材料。

图3 模型分割过程

3．3 快速成型济南新时期试金仪器有限公司氧化铝陶瓷力学性能测试机可进行金属与非金属、高份子材料等的拉伸、剥离、紧缩、曲折、剪切、顶破、戳穿、疲劳等项目的检测工艺参数的选择

MEM成型机对设计三维模型进行分层处理后开始加工，加工之前首先要调整工艺参数。概念车身模型的加工设备和加工过程中的主要工艺参数如下。

加工设备采用北京殷华激光快速成形有限公司研制的MEM-300-II型单喷嘴熔融挤压快速成型机，其加工精度±0.2／100；扫描速度mm／s；喷意向合作开发位于黑龙江省萝北县的石墨矿资源嘴直径为0.3mm；材料为ABS树脂，材料的膨胀系数为Δ=7x1所以／℃，原丝直径D=2mm。

主要工艺参数如表1所示。

利用以上工艺参数在MEM-300-II型快速成型机上成功地加工出了概念车身模型的上、下两部分。

3．4 概念车身模型的后处理

在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要去除支撑结构，用粘结剂将模型的上、下两部分粘结在一起。然后进行打磨、抛光、喷漆。经过后处理完成的概念车身模型如图4所示。

图4 最终概念车身模型

4 结论

①基于快速成型的设计与制造是快速成型技术发展的必然趋势，本文通过概念车身模型的设计与制造，依据理论知识从实际生产中总结出其加工工艺，确定了较佳的工艺参数，为利用MEM技术进行大型、薄壁产品的开发、设计提供了理论的依据和实现的可能性。

②应用MEM技术进行产品模型的快速开发，试制周期短，能够提高产品的设计质量，具有很强的市场竞争能力，能够实现设计／制造一体化。(end)