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NX收敛体与增材制造--2019/07/26

NX收敛体与增材制造

                                                                 ----某大学某系关于NX收敛体与增材制造的论文
 
 
自从不甘于在互联网经济大潮下的“溃败”,欧洲开始了“反击”之战,尤以德国西门子为代表,在它的工业技术发展到和信息技术熔合到一定程度后,时势顺势让西门子诞生了造就第四次工业革命的想法,至此,工业4.0概念产生。据此,中国制造2025的发展理念也被提上日程,对应的,披着工业与互联网重装的美国工业互联网思路产生。
 
为了实现工业4.0的宏图大业,西门子于2007年收购了美国UG系统,并更其名为NX,寓意为下一代数字化制造的领先者,至此,西门子补齐了其在智能制造中的“软”部分。而NX这条龙自从游进了西门子这片海之后,其境级快速提升,具体体现为:
       德国汽车业在2013年全部将其主设计系统替换为NX;
       PDM系统市场占有率达到60%以上;
       通过不断的收购,CAE有限元分析斩落当前王者指日可待;
       相关行业职教必备专业;
       军品兵器向NX聚拢。
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NX的标志
 
NX目前最新版本为1876,通过此系统的功能模块可以看出,西门子有将其打造为数字化制造软系统中心的想法,如:
       在设计方面,将曾属于TECNO旗下的Line Designer集成于NX;
       将曾经赫赫威名的逆向A面佼佼者Imageware淘汰,目前部分功能集成于NX;
       在工艺方面,目前已将属于TECNO旗下的Process Designer、Process simulation、Robotcad的部分功能集成于NX。
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NX1851的启动界面(本文据此版本撰写)
关于收敛建模与拓扑优化
 
对于在NX中最常用的CAD功能方面,NX继续将此模块的能力得以延伸:
       除了传统的特征建模能力得以改进外,NX进一步增强了对由扫描而产生的模型(STL)的编辑处理能力,在NX中,这个功能名称为“收敛建模”。下图左一为扫描得到的人体医疗骨骼模型,此时可以看到,模型表面有许多噪点,因此需要编辑处理,如去除掉非正常的凹凸、锐边、孔洞等,在适度光顺此模型后对此模型表面进行偏置以获得后期实际安装器械(下图右一)时所需的安装间隙。通过对使用特征建模生成的器械几何实体进行布尔差运算后,获得实际医学使用的器械数字模型(右一)。
    
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收敛建模与特征建模交互设计产生的医疗器械
 
针对上述的操作过程,在NX中具体使用到的命令如下图所示:
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       与收敛建模对应的,还有被称之为“创成式”设计(由系统根据一定的应力载荷条件自行设计)的拓扑优化功能z其操作结果参阅下图。
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 特征设计模型(左)和拓扑优化后的结果(右)
    
     上图所示的拓扑优化的具体操作过程:
       特征几何已经存在(可以不是很详细);
       确定拓扑优化的变形范围;
       确定应力与载荷;
       确定拓扑优化的目标,如减重的目标重量;
       运算;
       得到结果。
 
      通过拓扑优化功能,结果是得到了一个既可以满足实际应力载荷要求,重量又降低到一定程度的小平面模型。但有时候系统自动运算产生的小平面模型会有一些瑕疵,此时可使用前述的收敛建模功能对其进行编辑处理或使用特征建模功能与其进行交互操作,从而使其达到视觉上或工艺上的要求。
 
关于增材制造
 
前述产生的设计结果最终需要在现实世界中生产出来,对于我们熟知的加工方法和工艺,如数控机床加工显然并不是最佳的工艺手段。对于在NX中最常用的制造功能方面,NX新版本中将此模块的能力得以延伸——继续加强增材制造的能力。
 
为何要发展增材制造!为何奥巴马说3D打印是制造业的革命,我们通过下图产品来理解:
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传统工艺思维下设计的燃烧喷嘴零件j
 
传统工艺思维下设计的燃烧喷嘴零件的缺点:
        嵌套的、环形流道;
        复杂装配 ;
        在某些场景中此零件过长过重;
        很多零件,如法兰、螺栓以及焊接点等,潜在故障点较多。
 
增材制造思维下设计的燃烧喷嘴零件如下图所示:
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增材制造思维下设计的燃烧喷嘴
 
增材制造思维下设计的优点:
       更符合流体力学;
       零件更短,更符合某些场景如航空的应用要求;
       总装零件减少,可靠性更高。
 
对于增材制造,很多人显然第一印象是3D打印。在NX的增材制造中,明显的拓展了3D打印给人的传统印象——将3D模型导入到打印软件中,加个支撑然后开始打印。在增材制造方面,NX摒弃了以往那种由N个环节拼凑的制造过程,实现了端到端的一体化关联的全程受控(如PDM、MES)的增材制造过程。
 
NX增材制造流程如下:
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NX增材制造流程图
 
       产品设计;
       增材制造学科的仿真验证,并通过仿真结果修正产品模型;
       增材制造前处理;
       确定增材制造工艺手段;
       数控精修;
       CMM检测;
       全程受控。
 
NX目前版本(至1851)支持的增材制造工艺手段:
       3D打印机(粉尘融熔、喷射);
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喷射式3D打印
 
       2.5轴或5轴机床(激光能量定向沉积、拉丝);
   
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5轴机床激光能量定向沉积和其加工的产品
 
 
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 同一台机床上激光增材和数控减材混合加工
 
       机器人(拉丝);
 
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机器人拉丝增材
 
       电子束熔融(EBM);
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      电子束熔融(Electron Beam AM)
 
       弧焊沉积;
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弧焊沉积(Arc Welding Deposition)
 
      得益于数字化制造软件的发展,使得设计手段与制造手段得以日新月异的获得突破,以往的很多禁锢被打破。譬如,自然界中的很多物体通过当前现有的建模手段是无法完成或无法满足其制造流程。而现在,小到一枚图钉,大到一座工厂都可以通过扫描成型后就可以对其编辑处理或与当前的设计手段进行交互。到了制造阶段,通过增材制造,设计人员在设计一个产品时其思路不在受到车钳铣刨磨的工艺的限制,解放了设计思维,与此同时,产品的复杂程度与成本再无必然关系。
 
      第四次工业革命的时代,在智能制造的软实力方面,我国暂时还和NX或其它国外产品有很大的差距,在此,希望国家或有实力的院校企业等“革命尚未成功,同志仍需努力”。
 
     在此感谢北京天极力达技术开发有限责任公司(西门子工业软件大中华区)让我校了解并开始运用这种新技术于相关教学中,同时,在本文的撰写过程中,也得到了他们的资料帮助以及相关指正。
 
                            
                             作者
                     2019、07、26
 
 
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