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3D打印技术对民用雷达电子设备加工生产的启示

发布时间:2017-12-07 09:07:00 文章来源:未来智讯    
    3D打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成多样形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率并降低生产成本。在工业生产中3D打印技术的应用已衍生到很多领域,装饰行业、医疗行业、赛车零件、飞机零件以及为个人定制产品等可以用3D软件刻画的实体都可以用该技术制造出来。
    3D打印快速成型技术,已经出现几十年,在生产制造领域的应用研究已经取得了一些进度,3D打印金属的性能在某些领域已经接近甚至超越传统的常规加工。从材料角度讲,传统常规工艺采用原始的液体、固体、粉末等材料,材料本身无特殊处理;而3D打印使用的金属粉末材料,是经过特殊处理的,加入了更多成分元素,已经具有了屈伸强度、拉伸强度、延伸率、杨氏模量、硬度、断裂拉伸界点、热膨胀系数、弹性模数、熔度范围、耐腐蚀性、粘合强度等几十项指标。而此类材料的性能是经过研究、测试、引用,已经证明是符合结构件的需求。
    目前3D打印技术虽然可应用领域广泛,但其也有自身的局限性,主要体现在加工材料上,目前打印材料主要是塑料、树脂和金属,骨骼等有机原料的研究也正在进行并有了初步成果。受材料限制,3D 打印最初的应用局限在建模和工业设计领域。但如今,3D 打印技术逐渐开始被用于生产环节,可定制个性化造型的各种产品,它适用于小批量加工,由于不需要模具,对产品的修改不会增加额外成本,只需修改设计图即可。这也意味着,小批量个性化定制的成本被降低。未来,定制个性化的家具、食品、工艺品等商品将变得更加划算。
    二、民用雷达电子设备加工方式及现状
    在电子设备中,由工程材料按合理的连接方式进行连接,且能安装电子元器件及机械零部件,使设备成为一个整体的基础结构,称为电子设备结构。目前电子设备技术的进一步发展,组成设备的元器件越来越多,体积越来越小,使用范围也趋于广泛,设备所处的工作环境也越来越复杂,对设备的使用精度和可靠性要求也越来越高。因此,电子设备的结构设计已经称为产品研发的一个重要技术环节。
    民用雷达电子设备主要包括机柜、机箱、插件及盒体,机柜机箱类通常采用的加工方式有钣金折弯或运用铝型材进行组合装配。钣金折弯的方式灵活多样,适合单件多品种生产方式,其用料品种少,生产周期短,且成型件的强度与刚度能够达到使用要求。但由于其外形尺寸的加工公差较大,且对钣金工的要求较高,因此不宜于批量生产。型材组合的结构形式可采用多种不同断面形状的铝型材通过螺钉在转角处连接组成机箱框架,再加前后面板及左右、上下盖板组成机箱,其优点在于外形尺寸变换方便,适应于多品种及有一定批量的产品。但由于机加工的工作量大,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。
    盒体在电子设备设计中属于中小型器件,一般装配在机箱及机柜内,其外形规整,常用加工材料主要为铝,盒体内常装配的零件有印制板、连接器、电源板等精密设备,且装配精度要求较高,因此在这类盒体加工时需要特别注重加工精度。由于雷达电子设备的设计以模块化为主,设计的主导思想是自上而下,层层嵌套,所以各种尺寸的盒体在整个雷达电子设备的结构总体设计中占有很大数量。完成一套电子设备器件需要经过设计、投产、加工、质检、装配等一系列过程,这些环节层层相扣但相互独立,不同的环节由不同的人员负责,这就要求每个环节能够衔接紧密且相互沟通顺畅,但实际加工中往往很难无缝沟通,周期延迟和加工问题会频频出现。
    三、3D打印与加工中心的优势对比
    数控机床(Numerical Control Machine Tools)是指装备了计算机数控系统的机床,简称CNC机床或加工中心。它被广泛应用于各类机械加工领域,其加工精度、强度等指标都能够达到当今机械加工要求,是较为成熟的一种机械加工方式。与3D打印技术相比,CNC使用的时间较长,有着更深的技术积淀,但也同时存在很多问题,从机械加工长远的发展角度来看,3D打印技术如能得到普及,将会是工业加工生产的一次重要蜕变。
    3D打印机以数字模型为基础,采用材料堆叠的方法将模型逐层打印成型,CNC加工则需要预先选择尺寸合适的材料,以数字模型为基础,对选材进行切削。 从材料利用率来看,3D打印机采用加法的方式,对材料进行逐层堆叠,CNC加工中心则采用减法的形式,对材料进行切削,3D打印的材料利用率更高。从工艺角度出发,3D打印机可以加工各种优美曲面及复杂的工业造型,并且能够一次成型,也无需考虑工装夹具的使用。CNC加工中心加工复杂的工业造型难度很大,且需要专人设计,也需使用夹具,大多造型需要分多次才可加工完成。从加工流程来看,3D打印只需导入相应格式的文件,即可完成打印,而CNC则需要专业编程人员对数字模型进行编程后将数字输入机器中才能完成整个模型的加工。在材料选择上,3D打印目前选用较多,较成熟的为工程塑料,颜色可多样化。CNC在用料上有着明显的优势,以加工金属原料为主,在材料运用上更胜一筹。
    从以上对比中可以得出,3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比,三维打印技术通过摒弃生产线而降低了成本;大幅减少了材料浪费;而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器;另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。
    四、3D打印技术对民用雷达电子设备实际生产中的启示
    3D打印技术在电子设备设计中能够带来首要的优势就是设计和制作的协同合作,电子设备设计中设计师的外观设计以及结构设计的设计方法,决定了每个模块都是独立的,这意味着设计、制造、材料、维护、采购等不同的环节以及人员之间需要相互协作。在整个设计和生产过程中设计师不得不协同合作,因此返工和拖延时间的事件也时有发生。
    3D打印技术可在电子设备设计中简化设计流程,将设计和制造过程融为一体。电子设备结构设计的流程一般为输入―设计―交流―输出,设计与交流阶段往往是一个往复的过程,设计师在输出产品之前通过模型、图纸等方式与需求方进行沟通,最终确定设计方案。接下来就是生产环节,在这个环节中,设计师任然需要提供一定技术支持,产品加工完成后经过质量检验最终到设计师手中。通过3D打印的方式在电子设备设计中,整个设计与加工流程可实现同步优化,在设计完成后可以直接将模型文件导入3D打印机内,实物很快就能呈现在设计师面前,这对设计与加工起到了关键的衔接作用。
    在电子设备产品生产中,成本和效率是重要的因素,盒体加工生产在电子设备加工生产中占有很大的比例,通常采用加工方式为数控加工,但由于流程偏长导致其成本偏高,效率偏低。3D打印可在设计师的办公室里直接运用,随用随打,在设计研发初期能够节省材料大量节省成本,大幅度提高生产加工效率,同时也缩短了产品研发周期。
    因此,随着3D打印技术的兴起并逐步走向成熟,它所应用的领域会逐步渗透到工业生产的每个角落。民用雷达电子设备的加工生产,在不久的将来也一定会受3D打印技术的影响,实现加工方式和加工效率的改革。
    参考文献:
    [1]邱成悌,赵�殳,蒋全兴编著.电子设备结构设计原理.南京:东南大学出版社, 2001.12
    [2]高敏主编.产品造型设计.北京:机械工业出版社,1992.10
    [3]程树祥,张桂秋主编.电子产品造型与工艺手册.南京:江苏科学技术出版社,1990.9
    作者简介:
    王甜(1985-),女,安徽淮南人 汉族,硕士学历,安徽四创电子股份有限公司,企业技术中心,结构设计师,雷达电子设备结构设计方向。
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