汽车试制中的快速成型

        引言

        制造产业是人类社会赖以生存和发展的基础，是社会物质财富的主要来源。据统计，美国68%的财富来源于制造业，日本国民总产值中49%（1990年）是由制造业提供的，英国在20世纪70年代制造业对于国民总产值的贡献约为35%，我国制造业在国民总产值中所占的比例接近40%，并正在以强劲势头增长。制造业的水平反映了一个国家或地区的经济实力、科技水平、人民的生活质量及国防能力。从20世纪90年代开始，市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者需求日益主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场，不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产品，而且还必须很快地生产制造出来，抢占市场。快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。快速成型（也称快速原型）制造技术(Rapid Prototyping & Manufacturing, RP & M )就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。实践证明借助于RP&M技术，企业不但可以优化设计，而且可大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，从而提高企业的竞争力，因而RP&M技术的应用迅速推广。据2001年Wohlers Associates Inc. 对14家RP系统制造商和43家RP服务机构的统计，对RP模型需求的行业中，日用消费品和汽车两大行业对RP的需求占整体需求50%以上，而医学领域的需求增长迅速，其他的学术机构、宇航和军事领域对RP的需求也占有一定的比例。设计可视化、装配检验与功能模型（Fit/Form/Function）仍然占据着RP模型的主要需求，约占60%，而另一主要应用领域就是快速模具母模的需求。

        汽车工业是我国的支柱产业，上海正成为我国汽车制造的重要基地。中国加入WTO后，国内汽车制造的压力越来越大，汽车的研发变得越来越重要，而试制是汽车研制中的重要一环。RP&M技术作为一种重要的手段，越来越多地应用到汽车研制上。上海祁创科技有限公司是一家专业的先进制造技术服务公司，在RP&M的应用方面进行了多年的积累，在汽车试制中具有丰富的工程应用实践经验，本文介绍RP&M技术在汽车试制中的应用。

        RP原型的直接应用

        RP原型可以用作CAD数字模型的可视化、设计评价、干涉检验，甚至可以进行某些功能测试。另外原型能够使用户非常直观地了解尚未投入批量生产的产品外观及其性能并能及时作出评价，使厂方能够根据用户的需求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可能造成的损失。同时，投标方在工程投标中采用样品，可以直观、全面地提供评价依据，使设计更加完善，为中标创造有利条件。

        1．利用进气岐管的SL原型进行装配校核在新产品开发时，在投产之前，先用快速成型制造技术制作出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理性和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、方便进行纠正。这对于复杂系统的开发，尤其重要。图1中，直接应用进气岐管的SL原型进行装配校核。随着耐高温光敏树脂的出现，利用原型直接进行气道实验也成为可能。　　

        2．应用Rapid Fit 技术进行仪表板试制对于一些大型结构件的试制，精度控制是一个难点。Rapid Fit是最新出现的一个综合解决方案，它综合采用软件、检具、RP原型来进行精度的校核。比利时materialise公司的软件Magics RP中有一个专门的Rapid Fit模块，用来对STL模型自动设计特定定位点和定位块。图2是汽车仪表板的试制实例。 nextpage

        利用室温硫化硅橡胶(RTV)模具进行样件制造

        硅胶模已广泛应用于快速制造小批量塑料件，其主要优点是成本低，工艺简单。在汽车试制中主要用来加工中小型塑料零件(例如图3所示水箱面)。

        实践表明，精密的原型精度、性能优良的硅橡胶、机械性能佳的浇注材料、出色的后处理工艺是保证制件质量的必要条件。通常，针对不同的应用要求，应选用不同的浇注材料和后处理工艺。例如水箱面罩样件可采用一般打磨工艺，浇注材料选用类ABS双组份材料；而车灯的试制却复杂很多，一般原型要经过抛光、喷漆处理，浇注材料选用透明双组份材料,反光部件表面进行真空镀膜，SL原型是最合适的车灯原型制作工艺，可以保证加工出细微的花纹。对于某些工作温度较高的零件，应选用耐高温浇注材料。

        采用基于RP原型的低压注射(RIM)模具技术生产功能样件

        对于一些用硅胶模技术难以成型的大型功能样件，可采用低压注射（RIM）来成型。其基本方法是采用CNC、RP、玻璃钢模具技术等方法从CAD数据得到RIM模的公模和母模，然后用RIM成形机注射得到功能样件，再经过打磨喷漆等工艺得到最终样件（图4）。从CAD数据到最终的RIM注射样件的时间周期大约为25天。

        应用QuickCast技术由SL原型浇注金属样件熔模铸造也称失蜡铸造，是一种可以由几乎所有的合金材料进行净形制造金属制件的精密铸造工艺，尤其合适于具有复杂结构的薄壁件的制造。在传统铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是靠机械加工的方法，有时还需要钳工进行修整，费时耗资，而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的薄壁铸件，例如汽车发动机缸体、缸盖等，模具的制造更是一个老大难的问题。快速成型技术的出现和发展，为熔模精密铸造蜡模的制作提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。尤其是美国3D Systems公司开发的QuickCast工艺，更加突出了RP技术在熔模铸造领域应用的优越性。

        QuickCas的工艺过程如下：

        1. 先处理数据模型。用激光快速成型机制造出中空薄壁QuickCast原型；将QuickCast原型用蜡浇口连接到浇口棒上，形成模组；
        2. 将模组浸入陶瓷浆料中，反复挂砂和干燥形成壳体；
        3. 当壳形干燥后，脱蜡；然后将其放在燃烧炉中高温加热（1100℃左右），烧结壳型和烧掉QuickCast原型；
        4. 浇注模组。待金属冷却凝固后，去除壳形；再将铸件从浇口棒上切掉；
        5. 清砂，机加工，尺寸机械性能检验；

        上海祁创科技用QuickCast成功地进行了汽车进气岐管的试制，从拿到CAD模型开始到浇注出铝件，最快可以在2周内完成。图5右侧是SL原型,左侧是铸铝件。

        总之，RP&M技术在汽车开发中起着越来越大的作用。

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汽车试制中的快速成型

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