7. 5 样机模型实现技术与设备

这是一篇关于7. 5 样机模型实现技术与设备的思维导图，主要内容包括：7.5.3样机模型实现设备(详细了解一种)，7.5.2样机模型实现相关技术，7.5.1模型制作材料，综述。

7. 5 样机模型实现技术与设备

• 综述
  • 简答题
    • 题目：样机模型的必要性及种类（根据设计阶段样机的分类）是什么
    • 阶段
      • 在设计的初始阶 段,为了帮助设计人员确定形态、体量关系,启发设计思路而采用的一种模型称为设计构思模 型。
      • 设计阶段结束后，为了向设计委托者、决策者展示设计方案而制作的模型称为展示模型或 外观模型，这是在产品设计中最常见的一种模型
      • 。设计方案获得批准以后，严格按设计要求生 产制造的产品样机称为样品模型。
    • 必要性
      • 通过模型制作，可以进一 步详细表达在图纸上不便表现的部分结构和空间关系;检验产品各组成部分的比例和尺度是 否协调;检验各部分线型设计是否合理，线型间的衔接与过渡是否恰当。设计模型比设计效果 图更为直观、具体，更接近于产品的实际形象，能直接地、多方位地反映出造型物的结构、线型、 比例、体量、尺度、空间等诸方面的形态与艺术性等一系列问题，使设计更加完善。
  • 对于产品开发到调试投产这一过程而言，其设计阶 段和试模阶段是联接使用方和设计方的最重要环节，在 设计阶段将用户的反馈加入设计要求，在调试阶段将设 计中的细节加以补充，这期间的样机模型制作对于各方 面的评测和优化尤其重要。
• 7.5.1模型制作材料
  • 题目：模型制作的材料有哪些（或者模型有哪些种类）
  • 答题思路：1、阶段 2、材料（挑两个详细了解）
  • 1）木质模型
    • 用木材作为主要材料。木质模型的用材以质地软韧，纹理较强，易加工，不易变形为好。 如杉木、东北红松等都是较理想的材料。
    • 优点:不易变形，轻，强度较高,表面涂装方便,宜用来制作形体较大的模型。
    • 缺点:费工费时，不易加工，不易修改，成本较高
  • 2）纸质模型
    • 纸质模型的材料为硬纸板和可折叠、粘贴的硬纸，可釆用折叠成型或骨架粘贴成型。
    • 优点:轻，价廉，作平面立体容易成型。
    • 缺点:怕水，怕火，怕压，易产生弹性变形。大的型体，内部要制作骨架，比较麻烦。
  • 3）塑料模型
    • 塑料用于制作模型的历史不长,是一种理想的、有发展前途的制作产品模型的材料。
    • 1）硬泡沫塑料模型
      • 硬泡沫塑料有热熔性，所以多采用电阻丝通电加热后进行热切割加工成型。切割成型后 要进行必要的磨削修整,涂饰前表面需要打底处理。
      • 优点:轻，质地松软，吸水性强。
      • 缺点:颗粒结构较粗，表面粗糙,不宜细致刻画。
    • 2）透明板材
      • 透明板材模型主要采用热塑性的透明塑料板为原材料。透明塑料板的切割，采用锯削和 刨削，板材一般用溶剂粘合。塑料板的弯曲，要按所设计的弯曲形状做出成型母模，然后加温 （80-100 °C）软化成型。
      • 优点:有透明性，能把产品内部结构和外部结构同时表现出来，有精致感，且重量轻。
      • 缺点:成本高，加工较困难。
    • 3）聚氯乙烯树脂
      • 聚氯乙烯树脂在70-90 °C时就会软化，塑造、加工非常方便。利用热水、红外线灯、烘干 机、热线电炉等器具将材料加热后即可加工。材料釆用热熔化粘接，加工成型较容易,是现代 逐渐被使用的一种制模材料。
      • 优点:绝缘性、耐老化性能优良，无毒，难燃，耐酸碱，耐水，耐多种溶剂。
      • 缺点:质硬，须加入增塑剂才能使其柔软。自身的性能与聚合物的组成、聚合度、制造方 法、加工条件等均有密切关系。
  • 4）黏土模型
    • 黏土模型材料，一般分水性和油性两种。水性的黏土材料取含沙量较少，沙粒细的黏土加 水揉捏。油性的黏土材料是由黏土加动物油和蜡制成。小型黏土模型可实体塑造，中型或大 型模型需先做骨架，然后再上黏土,按照设计草图所表达的形象,釆用先方后圆，先整体后局部 的方法进行造型。黏土模型涂装前应用水溶性的合成树脂涂料敷涂。
    • 优点:材料可塑性好,修改方便,取材容易,价格低廉，可回收重复利用。
    • 缺点:重，尺寸要求严格的细部难以刻画，易干裂变形，不易长期保存。
  • 5）油泥模型
    • 油泥成分为:石蜡10%（用以调节硬度，冬、夏气温不同可适当增减），黄干油（或工业凡士 林）30%,滑石粉60%。油泥模型的制作工艺与黏土模型基本相同。可制作成实心模型，也可 利用骨架制成空心模型，或用硬泡沫塑料制成初型，再贴附油泥进行细致刻画。
    • 优点:可塑性好,修刮填补方便,不易产生干裂变形,可回收，价格较低。
    • 缺点:重，易产生碰撞变形。
  • 6）石膏模型
    • 石膏模型是由石膏粉和适量的水混合后翻制而成。石膏翻制需要先翻制阴模，脱模剂一 般用浓肥皂水。
    • 优点:打磨、刻画方便，少量修补也较方便，不易变形走样，有一定强度，涂装方便，比较经 济且便于长期保存。
    • 缺点:重，易破碎,翻制程序复杂，费时较多,不宜做大件产品模型。
  • 7）玻璃钢模型
    • 玻璃钢模型是以环氧树脂和玻璃纤维丝为材料，应用上述石膏阴模为样模，逐层地涂刷环 氧树脂和填充玻璃丝纤维，干后脱膜取出便可得到薄壳状的玻璃钢模型。它的表面涂饰可采 用一般的喷涂工艺。
    • 优点:轻，不易变形，不易损坏,强度好，便于携带、保存，表面涂装方便。
    • 缺点:不易修改,制作麻烦，一般仅用于制作基本定型的产品模型。
  • 8）金属材料模型
    • 金属材料具有良好的强度，模型中那些需要操作运动的构件，通常釆用金属材料制作。 优点:强度好，可涂装性好。
    • 缺点:加工成型较困难，有些金属材料易生锈而且笨重
• 7.5.2样机模型实现相关技术
  • 根据模型材料的性能特点和造型设计的任务需求，可以选择某种或多种实现技术完成样 机模型制造
  • 1）冲压
    • 冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一，隶属于材料成型工程。
    • 冲模
      • 冲压所使用的 模具称为冲压模具，简称冲模。
      • 冲模 在冲压工艺中扮演非常重要的角色，没有符合要求的冲 模,批量冲压生产就难以进行;没有先进的冲模,先进的冲压工艺就无法实现
    • 冲压加工的三要素
      • 冲压工艺与模 具
      • 冲压设备
      • 冲压材料
    • 优点
      • ①冲压 加工的生产效率高,且设备操作相对方便，易于实现大规模化与自动化;
      • ②冲压模具的尺寸精 度高、模具寿命长、质量稳定、互换性好
      • ③冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件, 加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高
      • ④冲压一般不会有切屑碎料生成,材料的损耗浪费较少，一般不需要额外的加热设备，因此冲压是一种节能环保的加工方 法,冲压件相对于其他工艺成本较低。
  • 2）锻造
    • 分类
      • 自由锻造
        • 借助简单机械设备、工具等进行加工，实现小批 量锻造。
        • 特点
          • 成本低、效率高，但精度低
      • 模块锻造
        • 借助锻炼方法对模 块进行敲击，在形成初步模型胚料后,根据设备需要的尺寸、规格等进行后续加工。一般用于 锻件生产加工
      • 特种锻造
        • 助专业设备进行加工锻造，此作业方法需要釆用特殊要求 的设备，在大型锻件结构中较为常见
    • 例子：因应对户外特殊环境和保养维护需求，如防 风、防雨、耐腐蚀等，多数釆用饭金材料，在造型实现上经过部件冲压、锻造，完成最终的造型, 其加工特性也决定了造型的硬朗特征
  • 3）吹塑技术
    • 吹塑技术一种发展迅速的塑料加工方法
    • 例子
      • 过程
        • 热塑性树脂 经挤出或注射成型得到的管状塑料型坯，趁热（或加热到软 化状态），置于对开模中，闭模后立即在型坯内通入压缩空 气，使塑料型坯吹胀而紧贴在模具内壁上，经冷却脱模，即得 到各种中空制品
      • 大的吹塑容器通常用于化工产品、润滑剂和散装 材料的包装上
      • 对于汽车制造业,燃料箱、轿车减震器、座椅靠背、中心托架 以及扶手和头枕覆盖层均是吹塑的
  • 4）数控机床加工技术
    • 机械模具在生产制造之前,需要进行必要的分类工作，之后根据分类情况，选择合适的数 控机床进行模具的加工。这样一来，便可以确保数控加工工作的顺利进行，有助于提高模具生 产加工效率。
    • 特点
      • 其具有加工精度高、效率高及自动化程度 高等特点，特别是利用数控机床能够对一些外形轮 廓复杂的回转体、斜线回转体及各种螺纹进行加工
    • 分类
      • 数控车削
      • 数控磨削
      • 数控电火花线切割
      • 数控电火花加工
    • 注意
      • ①合理选用数控机床、选择加工方法、工序的划分 与工步的划分
      • ②制定加工方案和走刀路线
      • ③确 定定位和装夹方案
      • ④确定切削用量
  • 5）产品逆向工程技术
    • 逆向工程（Reverse Engineering简称RE），又称反求工程或逆向设计，是将已有产品模型（实物模型）转化为工程设计模型和概念模型,并在此 基础上进行工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术,可有效提高产品的技术水平，缩短 设计周期，增强产品竞争力，是消化、吸收先进技术，创新和开发各种新产品的重要手段
    • 步骤
      • 由三维扫描仪对现有的样品或模型进行准确、高速的扫描
      • 得到三维点云数据
      • 通过逆向工程软件进行数模重建
      • 然后对重建表面进行评估和分析，转换生成IGES或STL 数据,为快速原型或数控加工做好准备
    • 三维扫描
      • 扫描
        • 维扫描的点云数据直接影响逆向建模，成功与否获取点云则主要通过扫描
      • 测量方法
        • ①接触测 量
        • ②非接触式测量
      • 工序
        • 点云文件编辑处理
        • 三维曲面逆 向建模
    • 核心
      • 是针对逆向工程产品CAD模型重构，由散乱的产品表面点 数据拟合，创建出产品曲面或实体,最后通过曲面编辑和曲面缝合操作，构建完整的产品模型
    • 点云曲面进行拟合的算法
      • 四边域的参数曲面拟合
      • 边域的曲面拟 合
      • 基于多面域的表面拟合
  • 6）3D打印技术
    • 应用于设计模型、功能制造模型、实验分析模 型外,还可广泛应用于航空、医疗、建筑、艺术行业
    • 不同阶段的作用
      • 在产品外观造型 设计的时候，可以多个造型方案同步进行,借助桌面级的FDM打印机直接打印并进行迭代设 计，可快速直观地确定外观造型
      • 整个产品设计出来后，可以借助光固化打印机用高强度光敏 树脂将其打印出来，光固化机型更能确保内部结构的打印精度以及外观的表面质量
      • 如果选 用铸造用的光敏树脂，还能直接打印出铸造用的蜡模，可以节省精铸模具制作以及蜡模制作的 流程，直接进入到制壳铸造环节
    • 特点和优势
      • ①数字制造：借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动 打印设备加工制造成产品或者零件；数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制 造的生产模式。
      • ②降维制造（分层制造）：即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层 累加形成三维物品。因此,原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更 柔性化。（柔性制造）
      • ③堆积制造：“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优 势。3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等
    • 3D打印主要包括七类
      • 光固化成形、材料喷射、粘 结剂喷射、熔融沉积制造、选择性激光烧结、片层压、定向能量沉积（难记的容易考...）
  • 7）激光加工技术
    • 激光加工技术指的是在激光束与物质相互作用基础下，对多种不同材料开展焊接、打孔、 切割、识别物体等的一门技术。
    • 组成要素
      • 激光加工系统
        • 激光系统
        • 加工机床
        • 控制系统
      • 激光加工工 艺
        • 焊接
          • 电子电器、汽车 电动车、能源照明建材等
          • 焊接应用的激光器包括CO2激光器、YAG激光 器
        • 打 孔
          • 应用于汽车电动车、航空航天、电子仪表等行业
        • 切割
    • 原理
      • 金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工,其前提 是激光被加工材料所吸收并转化为热能。
      • 激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程
• 7.5.3样机模型实现设备(详细了解一种)
  • 1）数字化辅助设计设备
    • 数字化辅助设计是在工业设计基础上,在工业制造行业中进行创新 创造活动。数字化设计的基础是电子信息技术，包括人工智能技术、区块链技术以及虚拟现实 技术等多个类别。
    • （1） WACOM
      • 数位屏是解决无纸化设计的数字化辅助工具,其中Wacom是杰出的代表，拥有世界领先 的数位板系统、笔感应式数位屏系统和数字界面解决方案，利用无线、无源、具有压力感应的笔 输入技术自如、高效、完美地表达创意,
    • （2）逆向工程扫描仪
      • 目前逆向工程扫描设备有多种，常见的有手持式和支架式，手持式3D扫描 仪，兼容多种扫描模式，快速获取物体的3D模型，涵盖应用范围。手持式激光 三维扫描仪,采用多条线束激光来获取物体表面的三维点云
  • 2）压铸机
    • 压铸机就是用于压力铸造的机器
    • 压铸机在压力作用下把熔融金属液压射到模具中冷却成型,开模后 可以得到固体金属铸件，最初用于压铸铅字。随着科学技术和工业生产的进步,尤其是随着汽 车、摩托车以及家用电器等工业的发展，压铸技术已获得极其迅速的发展
  • 3）吹塑机
    • 吹塑机将液体塑胶喷出来之后,利用机器吹出来的风 力，将塑体吹附到一定形状的模腔，从而制成产品，这种机 器就叫做吹塑机
    • 塑料在螺杆挤出机中被熔化 并定量挤出，然后通过口膜成型，再有风环吹风冷却，然后 有牵引机按一定速度牵引，卷绕机将其卷绕成卷。根据型 坯制作方法，吹塑可分为挤出吹塑和注射吹塑，新发展起来 的有多层吹塑和拉伸吹塑。
  • 4）数控机床
    • 数控机床主要用于轴类零件或盘类零件的内外圆柱图7.74吹塑机面、任意锥角的内外圆锥面、复杂回转内外曲面和圆柱、圆 锥螺纹等切削加工,并能进行切槽、钻孔、扩孔、钗孔及饌孔等
    • 数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被 加工零件进行加工。
    • 我们把零件的加工工艺路线、工艺参 数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数以及辅助功能，按照 数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单， 再把这程序单中的内容记录在控制介质上，然后输入到数 控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件
  • 5）3D打印机
    • 3D打印快速成型设备基于“分层制造，层层叠加”的制造方法，目前主流的有FDM、SLS 等技术的三维打印设备
    • FDM是使用的材料一般是热塑性材料,如蜡、ABS、PC、尼龙等。机 器加热喷头根据每一层的二维截面信息进行移动，送丝机构将丝材送往喷头，在喷嘴部件旁， 将材料充分加热到熔点并熔化，随后从喷嘴中加压成型，并将成型材料防止在工作台表面，然 后在工作台上降温固化，通过层叠实现模型造型，当加工形体变化较大时，需要设计一些辅助 结构“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。
    • 常见的桌面级FDM 3D 打印机，维护简单，成本较低,通常实现概念模型加工打印
    • SLS3 D打印机工艺使 用粉末状材料，除了石蜡、聚碳酸酯、尼龙、陶瓷等材料外，还能够打印金属材料。选择性激光 烧结，可以完成复杂的、体量较大的模型加工任务，广泛用于精密模型、增材制造领域,可以实现工业级别模型的制作或直接用于工业产品加工。
  • 6）激光雕刻机
    • 激光雕刻机,是利用激光实现对多种材料的模型细节雕刻加工，主要用于模型板材的切 割,并适用于多种材料。激光雕刻机不同于机械雕刻机和其他传统的手工雕刻方式，使用激光 的热能对材料进行雕刻。