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原型

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什么是原型.

在一个产品的生命周期中,原型是一个里程碑意义的阶段。意味着从三维模型中,变成了第一个实体的产品。
运用在原型中的工业特征根据要做的产品是相应有变化的,也会采用不同的材料:泡沫,木头,钣金,树脂,聚苯乙烯,硅胶等等。
今天,粉尘的应用(用粘合剂来粘合)承担着越来越重要的角色,所以理论上来说,用不同类型的粉尘,机器还是可以维持原样,但是却可以获得不同的产品的特性,不管是从外观上还是从机械上来说。其余的特性是建立在液体的基础上的,采用可以聚合的树脂构成。为了制作模具,需要采用适合的硅胶,为了制作原型,需要采用相应的聚氨酯树脂,而如果想要制作灵活的原型,需要采用聚氨酯橡胶。
工作方式主要有两种:去除材料(减法)或者堆积材料(加法)。
实现该工艺流程的时间和成本满足了全球市场的需求,他可以快速的实现一个产品(快速成型-简称为RP)。
技术的演变让时间大大缩短,同时市场上专注于这项服务的中小型企业也能在成本方便控制的更好。
AMV Design在多年的经验中,尝试过很多种不同的原型制作方式,收集到了第一手的资料,并且可以给予自己的客户更多的选择。以下是AMV Design经常使用的技术方式:

CNC加工中心的原型
烧结
光固化
硅胶原型

 

CNC加工中心的原型.

数控机床(CNC)是一种运用了很多年的技术,针对同一种机器进行不停的演化,针对更大的效率,更高的精确度和减少废料。CNC原型不是一个简单的铣床的产品,而是采用了轴切割的机床,可以在不同方向旋转,并且在多轴之间移动的(从3轴到5轴),可以实现复杂的操作,如毫米精度的雕刻,钻孔,磨平工作。
这些数控机床可以做出非常特别的形状,是手工机床无法实现的。除此之外,大部分的CNC加工中心采用了一种特殊的设备,可以在生产过程中泵出一种液体到切割刀具上来减少摩擦。
CNC原型对于那种追求高精度零件的公司而言是最完美的选择。一定要采用一个专业软件来进行精确的编程设定。

CNC机床都采用哪种类型的材料呢?几乎所有类型的材料都可以进行钻孔或者切割的加工。但是,大部分CNC机床上采用的材料是金属件,硬塑料和树脂材料。根据材料的密度,也可以选择适合的铣刀。

 

烧结.

烧结,现在已经成为了制作模型的最先进的工艺之一。该技术采用很小的固体颗粒(粉尘),通过一种化学反应和/或机械处理将颗粒与颗粒之间焊接起来,来获得一个固态的产品。鉴于该技术的特殊性,需要着重指出一点,同一种产品采用别的工艺技术是生产不出来的。粉尘和粘合剂的配方和剂量的选择对于流程成功与否,产品质量如何都有着很重要的影响。采用烧结工艺制程的零件特征是工作表面硬度很高,形状非常精确,抗力很大(如果是金属粉尘的话),如果成系列进行生产的话,经济成本相对较好。
他的传播主要与其几个奇特的特性有关:
- 不同性质的粉末的使用;
- 可以获得内部是其他产品的管道产品,在管道中间留下一个孔让粉尘吹空(比如说,一个哨子,由一个管状物,当中是一个小球,可以同步实现制作)
- 倒勾(根据今天的工艺,在最终产品设计中是需要避免的,但是如果将这种技术直接用于技术生产,可以开启新的设计眼光,不管是在美观还是技术方面)。


流程

通过激光工具进行的选择性烧结是从一个沉积的粉尘块开始的,由Z轴控制的平台上的热量形成。
CAD数据根据厚度分成不同的二维型面。这些数据来引导激光幅线来设计型面,型面由粉末制成,预热到微微低于熔点的温度。施加的能量将粉末固化,形成需要的截面。激光幅线只是融化受影响的区域。
沉积下来的粉尘通过轮毂,在堆积到前面的一层上去,层层推进。
这种过程反复进行,直到部件制作完成。因此,这样来制作很复杂的同质零部件。
工作区域内的粉尘构成了部件的天然依靠:不需要额外支持,这是一个明显的优势。
制作的部件从工作腔中提取,并且除去多余的分成之后(之后会被回收并且返回到循环系统中)。接下来,就可以进行油漆涂层处理。
从总体情况来看,几乎每种材料都是可以进行烧结的,主要取决于在被激光辐射加热之后,吸收的光学特性。

材料

采用的最多的粉末就是聚酰胺粉末,一种塑料材料,性能中性,可以实现一种不是特别硬的产品,比如ABS,但是也不会特别软,比如聚乙烯。但是如果模型需要用来进行真实的测试的话,可以加入玻璃纤维来加强强度。
Somos是一种弹性的粉尘,可以实现橡胶模型,拥有很高的弹性性能和高强度。
铝粉尘和金属粉尘是最近的一种材料。对于用金属粉尘实现的模型来说,可以进入下一个阶段。金属混合粉末和塑料树脂仪器进行烧结,拿到部件之后,放入一个特别的炉子中,就开始进行塑料材料升华,然后在部件空心的部分用青铜浇满,这样就得到了一个内部是金属制成的模型。
采用这项技术,就可以直接制作用于注塑的小模具。

 

光固化.

光固化(字面意思是3维打印)是快速成型最重要也是使用最多的技术之一。从CAD设计出的模型出发,可以在短时间内得到一个三维的树脂模型,这样就减少了中间的模具生产的时间。光固化的技术主要包括四个不同的方面:

   - 激光
   - 光学
   - 化学
   - 信息学

首先准备一个3D文件,已经包括了在平台上的零件布置位置,在实现过程中,会产生必要的支撑,在XY轴上进行模型的分工,代表了制作面。通过STL格式,将CAD 3D制作的产品转化为快速成型机器的管理软件可以识别的文件。
制作阶段:是一种固体游离制作方式(SFFF):原型是通过添加颗粒或者层来完成的,直到得到一个想要的形状(添加的过程)。
在制作过程中,激光光束通过一个适当的光学系统进行聚焦,集中在感光液体树脂容器表面。激光束建立一个代表原型型面的固体层来进行聚合反应。层板降低到和感光树脂的厚度一样的水平,一层薄薄的树脂层覆盖住型面,通过精密的涂装仪器来控制。接下来的步骤是对于下一层的固化。持续这个过程直到完成原型。将层板提出来之后,就可以拿出原型。
由于聚合时间的关系,激光不能完全固化,但是会将他大致定性,并且形成一定的内部和外部线条。这个阶段结束的时候,外部已经固化,但是内部没有完全固化。由于在这个阶段,还没有完全固定定型,所以需要进行后处理来完成固化过程。这包括将这个零件放置在UV灯下进行暴晒:这个阶段的时间与物体的尺寸有关,也和他的几何形状和使用的树脂类型有关。用这种方式,可以将物体内部的树脂也进行完全的聚合固化。
在后处理结束之后,进行支架的精加工(涂装,喷砂或者其他的精加工处理)
光固化可以提供非常好的零件的精度,并且提供良好的性能,实现复杂的薄壁的零件,同时又拥有一个很好的表面质量。
细节的定义可以进行技术分析,功能分析和原型设计分析。用光固化实现的原型零件是否诶长脆弱的,而且不适合进行机械测试。

 

硅胶原型.

真空铸造,或者是硅模铸造,这是一种快速制造柔性模具的最出名也是使用最广泛的方法之一,可以进行限量的生产(1-25件)。在物理特性,机械特性和美观方面,与最终产品非常接近。

步骤的目的

在短时间内,不制作最终模具的前提下,得到一个是新产品的预实验品,来满足一系列的必要的产品测试。

有机硅树脂模具制作工艺

首先从一个主体出发,通常主体是通过立体光刻制作出来的,将其悬置在一个容器中。在确认通风口和浇注口后,将之前进行真空的硅液体覆盖在上面。在这个步骤昨晚之后,将模具放置在一个特别的炉子里进行烘干。将模具一切为二,或者切成更多的部分,根据不规则的形状,进行简单的组合得到一个完美的组合。这个工具用来实现真空铸造原型。

通过这种工艺制作的模具可以:

- 或者非常简单的逼真的零件
- 进行功能测试
- 进行市场测试
- (在有些情况下),可以提前进行产品审批.

功能测试

在原型上进行功能测试的可能性不是百分百的,但是可以根据一些零件的特性,进行物理测试和化学测试。 
在进行预生产系列之前,通过原型测试确认这些产品的特性是非常重要的。
最常见的模拟测试是弹性模量。事实上,可以通过现有的商购树脂(常见的热塑料材料),也可以通过配置聚氨酯,来进行诸如ABS,PA,PP等等的塑料生产的典型弹性模量材料。第二种方式是最常用的,因为还可以模拟其他性能,耐性热,拉伸强度,扭力,耐某些化学特性,阻燃性,隔声性。
只有少数机械性能和物理性能可以同时模拟:所以需要确认那些测试是最重要的,优先进行的,来进行聚氨酯材料的设计,达到预设的性能目标。
在破坏测试中,可以表明聚氨酯的使用限度,也需要获取在破损点上的数据,和结构限制。在这些情况下,通常通过硅模采用快速成型方法来整合或者替换原型阶段,所以需要用最终的材料来制作原型,采用与生产相同的方法进行。
原型的好坏要看他的外观模拟程度,形状,颜色,透明度和表面处理。这让硅制的预系列可以进行演示,市场测试,包装调整,广告宣传,目录照片等等。
其他一些会影响预系列的美观,尺寸和功能的因素是:
- 硅模的使用:根据零件的材料和几何形状,可以保证5-25个良好的样品。
- 随着时间的流逝模具的耗损(包括当不使用模具的时候,硅会丧失他的弹性)。模具的生命最多6个月。
- 聚氨酯材料的限制,随着时间的流逝,他的性能会改变。原型做出来之后需要马上进行使用,这个时候,技术性能和功能性能都是完整的,时间过长就不能保证了,因为材料会变形,由于聚氨酯的吸湿特性和UV的敏感性,材料变得非常坚硬和脆弱.

技术数据

精度:±0,2% 重复性0,1%(至多:: ±0,2mm)
最薄的壁厚: 一个良好填充的模具的壁厚至少是0,5mm。如果壁厚达到1,5mm,可以得到更好的性能。
最大尺寸: 模具的尺寸是受机器和零件空间(最多10升)限制的。
铸造材料: 聚氨酯和其他符合RAL标准颜色的材料。
应用范围: 插件,由两种不同材料制成的零件。