先进制造技术在产品造型设计中的应用

柳雨红

(哈尔滨理工大学机械动力工程学院,哈尔滨150080)

20世纪80年代末,美国为增强本国制造业的竞争力,应对来自世界各国,特别是亚洲国家的挑战,率先提出了先进制造技术的概念.先进制造技术是一门具有动态性的技术,就目前的发展来说,可以定义为:制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通讯、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果,并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称[1].先进制造技术由基础技术、新型单元技术、集成技术构成,可划分为现代设计技术、先进制造工艺、自动化技术和系统管理技术四大类,涉及范围极其广泛.本文主要从先进制造工艺、计算机辅助设计制造、反求工程、快速成型技术、虚拟制造技术、网络化制造技术、并行工程等方面进行探讨.

进入21世纪,先进制造技术发展迅猛,受到制造业及相关领域人士越来越多的关注.其以先进性、广泛性、实用性和集成性等特点交叉渗透到各个学科和专业,对工业产品造型设计的发展进步起到了不可估量的推动作用.

作为工业设计的一个主要分支,产品造型设计是指以切实可行的工艺条件、工艺方法为依托,辅以效果图、三维模型表述,综合考虑技术、艺术、市场等各个方面,最终赋予产品物质功能和精神功能的设计活动.随着社会文明的进步,人们的消费趋于多样化、个性化,大批量、同一造型的产品将被多品种、小批量甚至单件订制的产品代替,功能性产品将被功能艺术性产品代替.为了适应市场竞争,产品从研发到上市的时间也越来越短.新的形势将工业产品造型设计推入敏捷性、艺术化、全球化和个性化的设计时代,而先进制造技术的产生和发展恰恰为产品造型设计提供了技术上的支持和保障,对整个设计过程产生深远的影响.

1 先进制造技术在产品造型设计中的应用

1.1 先进制造工艺在产品造型设计中的应用

先进制造工艺包括精密洁净铸造成型工艺、精密高效塑性成型工艺、优质高效焊接及切割技术、优质低耗热处理技术、高效高精机械加工工艺、现代特种加工工艺、新型材料与加工工艺等,是针对新型材料的高科技处理方法,也是发挥传统材料新性能的新技术手段.

材料是产品形态和功能的物质基础与载体,设计师的设计活动在很大程度上受到现有材料和现有材料加工技术的制约,设计过程中常常会有许多优秀的设计思想或方案因为材料或者工艺的原因只能停留在纸上谈兵的阶段,严重阻碍了设计的发展.近半个世纪以来,性能多样的金属材料、先进陶瓷材料、功能晶体、碳素材料及复合材料相继问世,至今世界上的结构与功能材料至少已有几十万种,并继续以每年大约5%的速度递增[1].新材料的产生带动了材料加工技术的发展,为设计师提供了更广阔的空间.即使是同一件产品由于采用更先进、更新颖的制造方式也会获得更现代的造型设计,先进制造工艺的应用为产品设计师解决了材料加工的技术性问题,开拓了设计的新思路、新领域.

1.2 CAD/CAE技术在产品造型设计中的应用

CAD/CAE(计算机辅助设计/计算机辅助制造技术)是设计人员和组织产品制造的工艺技术人员在计算机系统的辅助之下,根据产品的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术,是传统技术与计算机技术的结合.设计师通过人-机交互方式进行产品技术设计、零部件设计,而工艺人员则可以根据CAD过程提供的信息和CAM系统的功能,进行零部件加工工艺路线的控制和加工状况的预显.

近年来CAD/CAE技术发展迅速,为造型设计提供了强有力的支撑.在造型设计的后期阶段,设计师为了全方位、多角度地表现设计效果,不仅要针对所定方案手绘效果图,而且要利用设计软件建立三维模型、渲染、导出工程图和六面图,查看最终的立体实物效果,进行实时修改,并与工艺设计师一起探讨加工工艺问题.先进CAD/CAE技术的使用不仅缩短了设计、加工时间,而且有助于设计师与工艺师更有效的交流、协作,避免设计、加工产生断层.

1.3 反求工程在产品造型设计中的应用

模型是从物体的实体性构成上较为真实的表现具体产品的结构、形态、信息的重要方式和手段.传统的产品造型设计在经过市场调研、构思草图、方案图、手绘效果图、电脑效果图和工程图等各个程序之后,必须制作实物模型来完成对设计方案的不断推测和修改.但是如果对每一种预选方案都制作实物样品,而且每一次方案完善都要相应的修改模型,不仅要设计师、工程技术人员、工人通力合作,付出大量劳动,而且还存在着制作精度低、修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题.

面对以上问题,我们可以利用反求工程解决.反求工程(RE)也称为逆向工程,是对存在的实物模型或零件进行测量,然后根据测量数据重构设计概念的技术.利用反求工程技术,我们可以将要改良的模型或要仿制、再设计的现存产品通过三维测量得到模型的数字化信息,以此为基础重新进行结构分析和功能分析,应用CAD技术改型,通过快速成型技术制作样件,从而大大缩短产品的设计周期,降低产品设计成本.

1.4 快速成型技术在产品造型设计中的应用

快速成型技术(RP)是近年发展起来的一种快速生成模型或零件实体的技术.它可以根据计算机上构造的三维模型,在很短的时间内利用激光及其它光源或喷射成型技术直接制造出产品样品,无需传统的刀具、磨具、夹具.快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法(先制造毛坯,然后经切削加工,从毛坯上去除多余材料,得到零件的尺寸),而是基于材料逐层堆积的制造概念,将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加组合.它能在CAD模型的直接驱动下快速制造任意复杂形状的三维实体,是全新的制造技术[1].

传统的造型设计使用石膏、木头、纸、油泥、ABS塑料等手工制作模型费时、费力,很难达到高精度,而且对于复杂的设计缺乏表现力.利用快速成型技术可以精确、快速、直观、完整的传递产品信息,最重要的一点,它可以加工任意复杂的形状,将设计者的思想淋漓尽致的表达出来.有了快速成型技术的支撑,设计过程中可以不再考虑产品的复杂程度和批量大小.快速成型样品较手工模型后期处理更方便,并且可以直接用于产品展示、宣传、装配检查和功能分析.

1.5 虚拟制造技术在产品造型设计中的应用

我们都知道模具的制造费用相对是较高的,比较大的模具往往价值数十万乃至上百万.如果模具开出后,发现产品结构不合理,或者某些方面与客户的要求有出入,那么就要重改模具,这种损失是比较严重的.从另一个角度讲,为了尽量减少这种情况发生,设计师在设计前期就要受到禁锢,不能放开思路,在很大程度上限制了其创造性的发挥,致使一些好的想法不能提案或实现.虚拟制造技术帮助设计师突破了这些障碍.

虚拟制造技术(VM)即利用仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,采用群组协同工作,通过电脑模型来模拟和预测产品结构、性能、可加工性和人机等各个方面存在的问题,实现产品制造的本质过程,包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测等,并进行过程管理和控制.虚拟制造的样机和实际产品一样是可装配的,所以它能比较直观的反映出造型设计合理与否,安装的难易程度,而且虚拟制造基本不会消耗资源和能量.这样,在开出模具之前,结构工程师就可以发现和解决问题,避免资金的浪费.

虚拟制造技术最早应用在飞机、汽车、军事等领域.波音公司在研制波音777客机时,全面实施了虚拟制造技术.它采用数字化建模,在虚拟现实环境中操纵模拟样机[2],是世界上首架以三维无纸化方式设计出来的一次研制试飞成功的飞机,其开发周期从过去的8 a缩短到了5 a,成本降低了25%.

1.6 网络化制造技术在产品造型设计中的应用

传统的造型设计是由一定数量的造型设计师组成一个设计团队,在设计初期阶段进行各自的构思和创意,通过设计草图表现自己的想法,然后汇总、讨论、修改,筛选出比较理想的若干个方案,通过团队协作将方案完善.这些步骤以及接下来的程序都是按部就班的,其间与外部的交流较少,与客户之间的交涉也较缺乏,而且设计者无法突破时间、空间的限制.这些制约也体现在设计初期的市场调查阶段,考虑时间和成本,一般的市场调查仅仅局限于某个特定的区域.

随着网络化技术的发展,基于网络的信息交互更为方便、快捷.通过网络设计师可以在第一时间准确掌握相关方向最前沿的设计动态,分散在世界各地的设计师可以分别在自己的办公地与大家资源共享、实时交流、协同工作,实现异地设计;通过网络可以利用地球时差实现24 h不间断的设计工作,大大缩短设计周期;同时客户也可以通过网络方便的参与设计,成为产品的创意者.网络技术使设计师与设计师、设计师与客户更顺畅的沟通,让设计针对性更强,效率更高.

1.7 并行工程在产品造型设计中的应用

传统的造型设计中,设计师在全面考虑产品的整个生命周期方面还有很大的欠缺,也就是说将设计活动孤立化了,没有与质量、成本、进度计划、工艺、维修、装配等问题充分结合.这也是相当一部分已经成形的设计方案无法实现的重要原因.并行工程(CE)是集成的、并行的设计产品及其零部件和相关过程的一种系统方法.它使设计具有高度的预见性和预防性.并行工程要求设计师与产品整个生命周期中各个方面的专家以及潜在的用户共同工作,随时对设计出的产品和零件进行全方位的审查,力求使设计出的产品便于加工、装配、维修、运输、外观美、成本低、使用方便.并行工程将设计、制造、管理等过程纳入一个整体的系统来考虑,避免了设计思想与其他工序的脱节现象.

图1 先进制造技术下的产品造型设计流程

2 运用先进制造技术的产品造型设计流程

将先进制造工艺、计算机辅助设计制造、反求工程、快速成型技术、虚拟制造技术、网络化制造技术、并行工程整合运用到产品造型设计的整个过程,得到先进制造技术支持下的产品造型设计流程如图1所示.

3 结 语

工业设计的发展在很大程度上代表了一个国家工业水平的发达程度.我国的工业设计还处于起步阶段,其发展进步需要高新技术的有力支撑.先进制造技术以多元化的设计思想为指导,贯穿到工业产品造型设计的整个设计流程,将大大缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品设计质量.其在工业产品造型设计中的应用是信息时代工业设计的发展趋势.作为一个具有前瞻性目光的产品造型设计者必须充分认识其重要性,了解掌握相关技术,并在设计过程中合理利用,以促进工业设计更快、更好地发展.

[1]李 伟.先进制造技术[M].北京:机械工业出版社,2005:1,6,80.

[2]李光耀,吴光宇,李启炎.虚拟制造技术开发及在轻工包装机械上的应用[J].机械设计与制造,2004(02):125.