3rd International Conference on Materials Processing and Characterisation (ICMPC 2015)
The integration of CAD/CAM and Rapid Prototyping in Product
Development: A review
Abstract
Rapid Prototyping and manufacturing (RPamp;M) technique has shown a high potential to reduce the cycle and cost ofproductdevelopment. Integrating CAD/CAMRPamp;M systems have been developed and employed to implement remote parts andmanufacturing for rapid prototyping and improve the capability of rapidproduet development for a large number of small andmedium sized enterprises, This paper provides a comprehensive review of recent researeh on CAD/CAM RPamp;M systems. Thkey issues and enabling tools to implement the remote RPamp;M systems, involve (1) CAD/CAM/CAE, (2) Modelling andOptimization, (3) Algorithms, (4) Measurement of anisotropic strength, (5) STEP/XML, (6) Applying new technologies andconcepts to Rapid prototyping systems, are described in detail.Finally, this review gives outlook on possible future developmentand research direction for CAD/CAM RPamp;M systems.0 2015 Elsevier LId. All rights reserved.
Selection and peer-review under responsibility of the conference committee members of the 4th International conference on MaterialsProcessing and Characterization.
Keywords:CAD/CAM; Rapid prototyping; algorithms.
1. Main text
Due to the pressure of international competition and marketglobalization in the 21st century, there continues to bestrongdriving forces in industry to compete effectively by reducing time to market and cost while assuring highquality product andservice [5][3][4].RP is a new forming process which fabricates physical parts layer by layerunder computer controldirectly from 3D CAD models in a very short time. In contrast totraditional machiningmethods, the majority of rapid prototypingsystems tend to fabricate parts based on additive manufacturingprocess,rather than subtraction or removal of material. Therefore,this type of fabrication is unconstrained by thelimitationsattributed to conventional machining approaches [2][6].Additive processes, which generate parts in alayeredway, have 15 years of history [1].It started in the late 80s with Stereo lithography. Sincethen, many newideas have come up, many patents havebeen deposited, new processes were invented andcommercialized, some ofwhich have alreadydisappeared. An overview is given in Table 1.
Table 1 LM. technologies, acronyms and development years
214783 o 2015 Elsver Lud. Al rghs rereletion and peer- review under responsibility of the conference comitte members of the 4th International conference on Materials Processingand Characerization.
doi:10. 1016/jmatpr.2015.07.319
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K. Matta et al.1 Materials Today: Proceedings 2 (2015) 3438 - 3445
3439
RP is newly evolving toward rapidtooling (RT). RT is a technique that transforms the RP patterns intofunctionalparts, especially metal or plastic parts. It offers a fast andlow cost method to produce moulds and functionalparts.Furthermore, the integration of both RP and RT in developmentstrategy promotes the implementation ofconcurrent engineeringin companies. Numerous processes have been developed forproducing molds from RPsystems. The RT methods can generallybe divided into direct and indirect tooling categories, and also sof(firm) andhard tooling subgroups. Indirect RT requires some kindsof master patterns, which can be made by conventionalmethods(e.g. High-speed Machining, HSM), or more commonly by an RPprocess such as SL or SLS. Direct RT, asthe name suggests, involvesmanufacturing a tool cavity directly on the RP system, henceeliminating thintermediate step of generating a pattern [7]. Sofitooling can be obtained via replication from a positive patternormaster. Soft tooling is associated with low costs; used for low volumeproduction and uses materials that have lowhardnesslevels such as silicones, epoxies, low melting point alloys, etc. [53] RTVsilicone rubber moulds, epoxymoulds, metal spraying moulds, etc., are some of these typical soft molds. Hard tooling is associatedwith highervolume of production, and the use of materials ofgreater hardness. Keltool process, Quickcast process, andtheExpress Tool process are some of these hard tooling s. Electricaldischarge machining (EDM) seems to be aninteresting area inwhich rapid tooling finds a potential application. Some methods ofmaking EDM electrodes basedon RP technique have developedsuch as abrading process, copper electroforming and net shapecasting, etc.[37][38][39].
The objective of this paper is to present a comprehensive review of recent advances in CAD/CAM RPamp;M systems,anddiscuss the future research directions. That may provide areference and direction for the development of CADbasedRPamp;M systems,
2. Definition and Classification of Rapid Manufacturing
The major players in this field have already come to theconclusion that a breakthrough can only happen on thebasisof manufacturing applying the RP technologies ona large scale. New terms were created or considered:terms likemass customization (MC) by Siemens andPhonak [1] [8] [9], Production on Demand (POD) by Boeing,and recentlyAdvanced Digital Manufacturing (AMD) by3D Systems.
RM must guarantee long-term consistentcomponent use for the entire product life cycle or for adefined minimalperiod for wearing parts, This calls for amost significant role of materials in the LM technologies.The indirectproductionvia patterns and reproduction, by e.g. casting, are notconsidered as LM, even though generativeprocesseshave a significant ability and importance representing animportant option in those process chains.Incontrast to the previous definition of RapidManufa
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第三届国际会议材料加工与特征描述(2015年)--CAD/CAM与快速成型技术在产品整合中的发展与审查
摘要:快速原型设计和制造技术(RPamp;M)在缩短产品开发周期和降低成本方面具有很高的潜力。此技术结合CAD/CAM RPamp;M系统,能够实现远程零件和制造的快速成型,提高了很多中小型企业的快速产品开发能力。本文对近年来CAD/CAM、RPamp;M系统的研究进展进行了全面的审查,并且详细介绍了实现远程RPamp;M系统的关键问题和实现工具,包括:(1)CAD/CAM/CAE;(2)建模与优化;(3)算法;(4)各向异性强度测量;(5)STEP/XML(产品模型数据交互规范/可扩展标记语言);(6)将新技术和新概念应用于快速成型系统。本文对这些关键问题和工具进行详细的描述,最后,本文综述了CAD/CAM、RPamp;M系统未来可能的发展和研究方向。
2015年 爱斯维尔有限公司(作者),保留所有权利
由第四届国际材料加工会议委员会编辑并共同审查
关键词:CAD/CAM;快速成型;算法。
- 概述
在21世纪的国际竞争和市场全球化的压力下,在保证高质量产品和服务的同时,减少市场时间和成本,是工业有效竞争的巨大动力[5][3][4]。RP是一种在很短的时间内将三维CAD模型直接用计算机控制制造物理零件的新工艺。与传统的机械加工方法相比,大多数快速原型系统倾向于基于添加原料的制造工艺来制造零件,而RP是做减法和移除材料。因此,这种加工方式不受传统加工方法的限制[2][6]。加工业生产零件的工艺已有15年的历史[1],开始于80年代后期的立体光刻。从那时起,世界上出现了许多新的工艺和专利,他们有的被保留下来,新的工艺发明被商业化,但是其中一些老的工艺已经被丢失了。详细见表1。
RP正在向快速工具(RT)发展。RT是一种将RP图形转化为功能部件尤其是制造金属零件或塑料零件的技术。它为模具和功能零件的生产提供了一种快速、低成本的方法,同时将RP和RT结合到开发战略中,能够促进工程在企业中的实施。目前全世界已经开发了许多用RP系统生产模具的工艺。RT的制作方法一般可以分为直接制作和间接制作,也可以有其他分类方法。间接RT需要一些工作模式,这些模式可以通过常规方法,例如高速加工,还有更常见的方法例如用SL或SLS来实现。直接RT,顾名思义,就是直接在RP系统上制造工具,从而减少产生模式的中间步骤[7]。Soft工具可以通过复制这些模式获得,软模具使得成本的以降低,可用于低体积生产,软模具使用硅酮、环氧树脂、低熔点合金等低密度材料制作。[53]RTV硅橡胶模具、环氧树脂、金属喷涂模具等这些是典型的软模具。硬模具可以提高生产量和使用硬度。KELL工具加工、快速铸造加工和快件加工是组成这些硬模具的关键部分。电火花加工(EDM)看起来是一个特别的领域,快速模具在其中有着潜在的应用前景。基于RP技术的电火花加工电极的制备方法已经发展起来,如研磨工艺、铜电铸和净成形等。本文对CAD/CAM RPamp;M系统的研究进展进行了阐述,并对未来的研究方向进行了展望。这可能为CAD based RPamp;M系统的发展提供了可靠的参考与合理的前景预测。
- 快速制造的定义和分类
快速制造领域的龙头企业们经过讨论得出结果,只有在大规模应用RP技术的基础上才能取得突破。所以他们制定了新的术语:西门子和Phonak[1][8][9]的术语定制(MC),波音公司的按需生产(POD),以及最近新兴的3D系统高级数字制造(AMD)。RM的技术要求是必须保证在整个产品生命周期内或在规定的最小磨损期内一直使用统一的部件,这就要求材料在LM技术中起着最重要的作用。通过模式的复制间接生产,例如铸造,尽管不被认为是LM,但是LM工艺在这些工艺链中具有重要的能力和重要性。与以前对Rapid(RM)的定义不同,快速工具(RT)的目标仅仅是长时间的使用统一的部件,这意味着一种工具可以在最终磨损之前可以用同类型的零件替换。模具,主要是塑料注射模具,这些是最常用的成型工具。当然,在压铸、钣金成形和锻模[10][11][12][13][14]中,我们也必须更全面地考虑其他需要,因为这些应用大大增加了对热、机械载荷和磨损的要求。另一方面,我们还必须考虑具有较低负荷的模具,这也是非常重要的:例如,对于热成形、纤维成形和类似的工艺[15][16]。企业会制定基于集成系统的RT流程开发与制造过程[22]。
- 产品开发中的关键问题
在开发各种类型的CAD RPamp;M系统中,我们讨论了一些关键问题。根据目前CAD RPamp;M系统的研究成果,这些关键问题可分为以下六大类:(1)CAD/CAM/CAE;(2)建模与优化;(3)算法;(4)各向异性强度测量;(5)STEP/XML;(6)将新技术和新概念应用于快速成型系统。
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- CAD/CAM/CAE
STL是一种基于三角形或四元数的产品模型的方案,这种发难是RP/M行业广泛采用的数据标准。然而,在从本机转换的过程中,STL文件中存在一些固有的问题,如空白、漏洞、缺失、退化、重叠方面等等。
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- 建模与优化
建模模块允许设计人员与VR模型交互,以操作视图和几何零件。这使设计师可以通过浏览模型周围来考虑如何改变照明,阴影和渲染条件[42-50]。
例如,在8000系列拖拉机上的三点悬挂式总成的右举臂上观察到,由于高度的垂直力,在高应力的情况下工作,这些应力只出现在右举臂,因为产生这些应力的载荷被偏移到拖拉机中心的右侧。之所以选择这个问题,是因为应力可以用“有限元分析”来分析,轮毂周围区域(高应力区)的形状变化可能会干扰升力柱杆。升降臂位于拖拉机的后部,它们是铸件,是四杆机构的输入环节,用于提升和降低安装在吊杆上的设备。那里和左边的升降臂通过岩心相互连接。有两个液压缸,一个连接到每个升降臂上,施加力来提升和降低手臂。将吊臂连接到安装工具的拉杆[51][52]。
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- 各向异性抗压强度的测定
为了制作压缩试验试件,我们采用ABS材料用于FDM,将102(石膏粉)材料用于3D打印机,以及丙烯酸-羟基磷灰石复合材料用于NCD。压铸试样尺寸符合ASTM D 695,在压缩试验中,建筑方向是唯一的试验工艺参数。“轴向(水平)”和“横向”(垂直)。光栅角设置为(45-/-45)。请注意(45 o/-45)是Quick Slice程序中定义的默认光栅角。在3D打印机过程中,样品将呈现三个建筑物方向--“轴向”、“横向”和“对角线”。对角试样的层被聚集在基座的45度斜面上。[11][30-33]
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- 算法
分层算法是将每个切片层的边界轮廓表示为一条封闭的NURBS曲线,以保持原始模型的表示精度。一种混合刀具路径算法是生成轮廓和锯齿轨迹,以满足几何精度和构建效率的要求。利用等高线刀具路径沿各切片层的边界区域进行加工,提高了产品模型的几何质量,采用锯齿形刀具路径对模型内部区域进行加工,提高了加工效率。[8][29]。[6]在自适应切片中,从一端获得的第一层厚度足够小。该层中的点沿RP建筑方向投射到位于组件边缘的平面上。这形成了一个二维带的散乱点。一种直观的方法是使用这个波段的宽度作为自适应切片的度量。在建筑物方向上曲率变化较大的构件中,厚层的适应性通常会导致散射带宽度的增大。假设一个厚的带宽通常代表一个很大的尖高,因此会是一个很大的形状误差。给出一个带宽公差,以设置生成的模型与云数据点之间的最大允许偏差。如果测量到的最大带宽小于规定的带宽公差,则层厚可自适应地增加。由于实际的形状误差只能在构造一个层后才能确定,所以切片过程遵循迭代过程。在这方面,施工检查重建的程序是重复执行程序,直到一个适当的带宽公差兼容,以满足形状误差被实现。
在使用MATLAB(Version 6)SIMULINK DSP块集实时实现的DSP算法中,RTW通过目标语言编译器(TLC)[14]从图形块集中生成c代码。与其他支持文件一起使用TTMS320C6000协变性工具和GMAKE工具自动编译、装配和链接代码,然后将可执行表下载到TMS320C6701-EVM进行实时信号处理,快速原型处理可归纳为三个过程:
- 代码生成过程;(2)可执行代码生成过程;(3)可执行代码下载过程。
3.5 STEP/XML
该层结构的关键功能是基于STEP数据模型的数据存储和检索。STEP标准有数据协议,在此基础上组织产品数据的结构、设计信息和与其生产过程数据相关的数据。实施本标准所采用的结构是基于产品数据的完整性[40]。STEP数据模型由称为APS的子结构组成。这些行动方案不仅包括类型代数测量和起草要素的定义,还包括汽车、航空航天、造船、电子设备、工厂建设和维修等特定行业的数据类型和过程的定义[13][41]。考虑到INFELT STEP平台支持CAD/CAPP/CAM加工和数控加工,我们在集成层中使用了以下应用协议:[34-39]1.组态控制设计2.过程计划的功能数据和示意图3.汽车机械设计的核心数据4。加工计划机械产品定义。5.产品的材料信息6.集成数控加工7.产品生命周期支持
3.6新技术和新概念在快速成型系统中的应用
3D打印机分层构建部件。从STL的模型数据出发,根据每一层的详细信息生成切片算法。首先,在机床上铺上一层粉末。然后由油墨喷射形成组件片,该喷墨射流选择性地向材料中注入粘合剂以形成绿色部分。活塞降低零件,下一层粉末展开,粘合剂再次印刷。这一层层过程一直重复到颗粒完成,经过后处理后,未结合粉末被去除,留下制作部分,纳米复合沉积系统(NCDS)以聚合物树脂为基体和各种纳米粒子形成复合材料,由“机械微机械加工”的沉积机理和材料去除过程组成。纳米复合材料沉积在10-100 m的薄层中,形成近净形状。通过重复每一层的沉积和机械加工,最终得到三维模型。
- 结论
CAD/CAM和快速成型技术有着进一步改进传统制造和服务的潜力,在当前的制造业中也将变得越来越重要。基于CAD的RPamp;M系统已经被开发和应用于远程产品和快速成型制造,提高了RPamp;M设备的可用性,提高了大量中小型企业快速产品开发的能力。本文回顾了基于Artin CAD的RPamp;M系统的现状,系统未来的改进任务应进一步集中在以下几个方面:在协作环境下,集成和互操作可以增强RP服务的竞争优势。因此,基于CAD的RPamp;M系统的集成与互操作是一个重要的问题.CAD服务是在使不同实体之间在设计和克服可能出现的缩放问题上的协作方面向前迈出的一步。CAD服务技术可以为这个问题提供一个解决方案,一些新的技术和概念,如STEP,XML;为基于软件的应用系统提供了有效的启用工具。基于CAD的RPamp;M系统的研究与开发应立足于这些新技术。
新的技术和概念,特别是3D print,NCD,进一步的研究将侧重于RP和RT的并行处理,优化外部制造资源。基于CAD的设计制造系统在任务、结构、基础设施、能力和设计过程等方面都是一种新的产品模式.本文的重要贡献在于综述了基于CAD的RPamp;M系统的最新进展,并对未来的研究方向进行了探讨。这为CAD based RPamp;M系统的发展提供了参考和指导。尽管基于CAD的技术已经应用于协同产品设计和制造领域多年,但实际的工业应用还没有到位。基于CAD的RPamp;M系统作是基于CAD的协同产品设计与制造系统的典型案例之一,在制造领域有着广阔的应用前景。然而,基于CAD的RPamp;M系统的真正商业化应用还有很长的路要走.
参考文献
1.Gideon N.Levy,拉尔夫·辛德尔P,JP。《图层制造(LM)技术的快速制造和快速工具制造技术,技术现状和未来的应用》。
- J.C.Frreira,“用快速测试技术制造铸造用核心箱”。
- S.H.Choi,“用于快速产品开发的虚拟原型系统”,Elsiver,计算机辅助设计36(2004)401-412。
- 安东尼·安乔林,“模型驱动的程序图形转换快速原型”,Elseiver,JournalofisualLanguagesandomputing 24(201314-462)。
- 洪博兰,“基于Wecb的快速原型和制造系统:回顾”,Elseiver,工业中的计算机60(2009)643
- 张玉明,“焊接沉积快速原型:初步研究”。徐福荣,“快速成型与制造中的比较评价与过程选择通用模型”,期刊第19卷/第5期,2000年,第283至296页。
- 快速成型和制造的自适应工艺规划方法”,“机器人和计算机集成制造29(2013)23-38”。
- W.K.Chiu,多物质对象:从CAD数据表示到凝固酶原型的数据格式“,计算机辅助设计32(2000)707-717。
- F.Javidrad,“用于快速原型的等高线曲线重建云数据”,Elseiver,Robotics和Computer IntegnatedManu岩27(2011)397-404。
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c,s.Lee,
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