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3D打印民用雷達電子設備論文
一、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介及現狀
3D打印技術(shù),是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構造物體的技術(shù)。它無(wú)需機械加工或任何模具,就能直接從計算機圖形數據中生成多樣形狀的零件,從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期,提高生產(chǎn)率并降低生產(chǎn)成本。在工業(yè)生產(chǎn)中3D打印技術(shù)的應用已衍生到很多領(lǐng)域,裝飾行業(yè)、醫療行業(yè)、賽車(chē)零件、飛機零件以及為個(gè)人定制產(chǎn)品等可以用3D軟件刻畫(huà)的實(shí)體都可以用該技術(shù)制造出來(lái)。
3D打印快速成型技術(shù),已經(jīng)出現幾十年,在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應用研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)度,3D打印金屬的性能在某些領(lǐng)域已經(jīng)接近甚至超越傳統的常規加工。從材料角度講,傳統常規工藝采用原始的液體、固體、粉末等材料,材料本身無(wú)特殊處理;而3D打印使用的金屬粉末材料,是經(jīng)過(guò)特殊處理的,加入了更多成分元素,已經(jīng)具有了屈伸強度、拉伸強度、延伸率、楊氏模量、硬度、斷裂拉伸界點(diǎn)、熱膨脹系數、彈性模數、熔度范圍、耐腐蝕性、粘合強度等幾十項指標。而此類(lèi)材料的性能是經(jīng)過(guò)研究、測試、引用,已經(jīng)證明是符合結構件的需求。
目前3D打印技術(shù)雖然可應用領(lǐng)域廣泛,但其也有自身的局限性,主要體現在加工材料上,目前打印材料主要是塑料、樹(shù)脂和金屬,骨骼等有機原料的研究也正在進(jìn)行并有了初步成果。受材料限制,3D 打印最初的應用局限在建模和工業(yè)設計領(lǐng)域。但如今,3D 打印技術(shù)逐漸開(kāi)始被用于生產(chǎn)環(huán)節,可定制個(gè)性化造型的各種產(chǎn)品,它適用于小批量加工,由于不需要模具,對產(chǎn)品的修改不會(huì )增加額外成本,只需修改設計圖即可。這也意味著(zhù),小批量個(gè)性化定制的成本被降低。未來(lái),定制個(gè)性化的家具、食品、工藝品等商品將變得更加劃算。
二、民用雷達電子設備加工方式及現狀
在電子設備中,由工程材料按合理的連接方式進(jìn)行連接,且能安裝電子元器件及機械零部件,使設備成為一個(gè)整體的基礎結構,稱(chēng)為電子設備結構。目前電子設備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,組成設備的元器件越來(lái)越多,體積越來(lái)越小,使用范圍也趨于廣泛,設備所處的工作環(huán)境也越來(lái)越復雜,對設備的使用精度和可靠性要求也越來(lái)越高。因此,電子設備的結構設計已經(jīng)稱(chēng)為產(chǎn)品研發(fā)的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節。
民用雷達電子設備主要包括機柜、機箱、插件及盒體,機柜機箱類(lèi)通常采用的加工方式有鈑金折彎或運用鋁型材進(jìn)行組合裝配。鈑金折彎的方式靈活多樣,適合單件多品種生產(chǎn)方式,其用料品種少,生產(chǎn)周期短,且成型件的強度與剛度能夠達到使用要求。但由于其外形尺寸的加工公差較大,且對鈑金工的要求較高,因此不宜于批量生產(chǎn)。型材組合的結構形式可采用多種不同斷面形狀的鋁型材通過(guò)螺釘在轉角處連接組成機箱框架,再加前后面板及左右、上下蓋板組成機箱,其優(yōu)點(diǎn)在于外形尺寸變換方便,適應于多品種及有一定批量的產(chǎn)品。但由于機加工的工作量大,且型材尺寸精度要求高,因此型材加工也具有一定的局限性。
盒體在電子設備設計中屬于中小型器件,一般裝配在機箱及機柜內,其外形規整,常用加工材料主要為鋁,盒體內常裝配的零件有印制板、連接器、電源板等精密設備,且裝配精度要求較高,因此在這類(lèi)盒體加工時(shí)需要特別注重加工精度。由于雷達電子設備的設計以模塊化為主,設計的主導思想是自上而下,層層嵌套,所以各種尺寸的盒體在整個(gè)雷達電子設備的結構總體設計中占有很大數量。完成一套電子設備器件需要經(jīng)過(guò)設計、投產(chǎn)、加工、質(zhì)檢、裝配等一系列過(guò)程,這些環(huán)節層層相扣但相互獨立,不同的環(huán)節由不同的人員負責,這就要求每個(gè)環(huán)節能夠銜接緊密且相互溝通順暢,但實(shí)際加工中往往很難無(wú)縫溝通,周期延遲和加工問(wèn)題會(huì )頻頻出現。
三、3D打印與加工中心的優(yōu)勢對比
數控機床(Numerical Control Machine Tools)是指裝備了計算機數控系統的機床,簡(jiǎn)稱(chēng)CNC機床或加工中心。它被廣泛應用于各類(lèi)機械加工領(lǐng)域,其加工精度、強度等指標都能夠達到當今機械加工要求,是較為成熟的一種機械加工方式。與3D打印技術(shù)相比,CNC使用的時(shí)間較長(cháng),有著(zhù)更深的技術(shù)積淀,但也同時(shí)存在很多問(wèn)題,從機械加工長(cháng)遠的發(fā)展角度來(lái)看,3D打印技術(shù)如能得到普及,將會(huì )是工業(yè)加工生產(chǎn)的一次重要蛻變。
3D打印機以數字模型為基礎,采用材料堆疊的方法將模型逐層打印成型,CNC加工則需要預先選擇尺寸合適的材料,以數字模型為基礎,對選材進(jìn)行切削。 從材料利用率來(lái)看,3D打印機采用加法的方式,對材料進(jìn)行逐層堆疊,CNC加工中心則采用減法的形式,對材料進(jìn)行切削,3D打印的材料利用率更高。從工藝角度出發(fā),3D打印機可以加工各種優(yōu)美曲面及復雜的工業(yè)造型,并且能夠一次成型,也無(wú)需考慮工裝夾具的使用。CNC加工中心加工復雜的工業(yè)造型難度很大,且需要專(zhuān)人設計,也需使用夾具,大多造型需要分多次才可加工完成。從加工流程來(lái)看,3D打印只需導入相應格式的文件,即可完成打印,而CNC則需要專(zhuān)業(yè)編程人員對數字模型進(jìn)行編程后將數字輸入機器中才能完成整個(gè)模型的加工。在材料選擇上,3D打印目前選用較多,較成熟的為工程塑料,顏色可多樣化。CNC在用料上有著(zhù)明顯的優(yōu)勢,以加工金屬原料為主,在材料運用上更勝一籌。
從以上對比中可以得出,3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機械加工或任何模具,就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期,提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。與傳統技術(shù)相比,三維打印技術(shù)通過(guò)摒棄生產(chǎn)線(xiàn)而降低了成本;大幅減少了材料浪費;而且,它還可以制造出傳統生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的外形,讓人們可以更有效地設計出飛機機翼或熱交換器;另外,在具有良好設計概念和設計過(guò)程的情況下,三維打印技術(shù)還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)制造過(guò)程,快速有效又廉價(jià)地生產(chǎn)出單個(gè)物品。
四、3D打印技術(shù)對民用雷達電子設備實(shí)際生產(chǎn)中的啟示
3D打印技術(shù)在電子設備設計中能夠帶來(lái)首要的優(yōu)勢就是設計和制作的協(xié)同合作,電子設備設計中設計師的外觀(guān)設計以及結構設計的設計方法,決定了每個(gè)模塊都是獨立的,這意味著(zhù)設計、制造、材料、維護、采購等不同的環(huán)節以及人員之間需要相互協(xié)作。在整個(gè)設計和生產(chǎn)過(guò)程中設計師不得不協(xié)同合作,因此返工和拖延時(shí)間的事件也時(shí)有發(fā)生。
3D打印技術(shù)可在電子設備設計中簡(jiǎn)化設計流程,將設計和制造過(guò)程融為一體。電子設備結構設計的流程一般為輸入—設計—交流—輸出,設計與交流階段往往是一個(gè)往復的過(guò)程,設計師在輸出產(chǎn)品之前通過(guò)模型、圖紙等方式與需求方進(jìn)行溝通,最終確定設計方案。接下來(lái)就是生產(chǎn)環(huán)節,在這個(gè)環(huán)節中,設計師任然需要提供一定技術(shù)支持,產(chǎn)品加工完成后經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗最終到設計師手中。通過(guò)3D打印的方式在電子設備設計中,整個(gè)設計與加工流程可實(shí)現同步優(yōu)化,在設計完成后可以直接將模型文件導入3D打印機內,實(shí)物很快就能呈現在設計師面前,這對設計與加工起到了關(guān)鍵的銜接作用。
在電子設備產(chǎn)品生產(chǎn)中,成本和效率是重要的因素,盒體加工生產(chǎn)在電子設備加工生產(chǎn)中占有很大的比例,通常采用加工方式為數控加工,但由于流程偏長(cháng)導致其成本偏高,效率偏低。3D打印可在設計師的辦公室里直接運用,隨用隨打,在設計研發(fā)初期能夠節省材料大量節省成本,大幅度提高生產(chǎn)加工效率,同時(shí)也縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。
因此,隨著(zhù)3D打印技術(shù)的興起并逐步走向成熟,它所應用的領(lǐng)域會(huì )逐步滲透到工業(yè)生產(chǎn)的每個(gè)角落。民用雷達電子設備的加工生產(chǎn),在不久的將來(lái)也一定會(huì )受3D打印技術(shù)的影響,實(shí)現加工方式和加工效率的改革。
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