3D 打印技術與計算機輔助設計研究

廖 穎

(眉山職業技術學院,四川 眉山 610020)

0 引言

3D打印技術的出現是人類社會文明的重大進步,作為一種新型的先進技術具有很強的適用性,被廣泛應用于工業、醫學、教育、生活等領域,與計算機技術、生物技術等相結合,有力地推動了社會各種產業創新和改革。3D打印技術的原理是通過堆積材料快速形成產品,相比傳統技術手段可以充分生產出復雜的產品,從社會的實際發展趨勢來看,3D打印技術的應用在各個行業和領域都發揮著重要作用。

1 計算機輔助技術概述

計算機輔助工業技術與3D打印技術相結合是世界科技進步的體現,推動了時代的進程,提高了世界的工業水平,加強了數字化工業生產能力,為設計與生產提供更合適的發展環境,具有較好的發展前景。但關于這方面的人才仍然缺少,為擴展這兩種技術的運用范圍,促進進一步的發展,國家應該重視培養這方面的人才。目前,不少高專高職院校在響應國家、社會的需求下,開設了計算機數字化設計與3D打印技術的專業課程,但由于這兩方面的技術還未足夠成熟,各院校的課程教程與使用的工具還沒有得到統一。為使計算機輔助設計技術與3D打印技術更好地發展、加深研究,在教學時使用的教具應該有一定的參數。只有科學化數據和規格,才能使數字化技術的教學更有效率。

1.1 技術分類

隨著信息時代的推進,網絡和大數據的發展以及5G加速時代的到來,產品的生產模式發展到工業時代4.0,計算機設計軟件的開發被廣泛應用于各行業,如:工業生產環節(產品)中的二次設計、數據分析和互聯生產。通過計算機輔助設計的應用,工業生產已進入一個完整的數字化和信息化過程。

1.2 二次應用

計算機輔助設計(CAD)在生產過程中的應用可以使設計者擺脫傳統的手工設計,計算機應用中的設計軟件可以幫助設計人員完成項目比較和分析、設計審查、存儲和恢復設計內容,縮短設計周期,在完成設計和生產協助后,提高設計效率并分析產品結構,完成反饋。計算機輔助生產應用程序(CAM)通過計算機完成制造過程的控制,使用輔助生產系統規劃和管理生產環境的要素,包括設備狀態監控、物料流動、工藝方法的試驗等;解決生產過程中出現的問題,如檢查和人員配備等。在試驗過程中采用計算機輔助工程(CAE),通過計算機數字原型的模擬驗證,分析和計算產品所需的各種物理性能,包括結構分析、流體體積分析、熱分析、電磁分析、光學分析和聲學分析。工程驗證的結果對優化設計有一定的參考價值。

1.3 應用意義

通過軟件的建模功能,可以觀察虛擬3D效果來驗證待建模產品的結構、形狀以及渲染后的染色效果,還可用于迭代驗證。通過3D打印或快速原型技術了解整個生產過程中的結構關系和設計,幫助設計師優化設計,選擇滿足設計需求的最佳方案,在設計過程中驗證產品質量,有效縮短項目完成周期。輔助設計的虛擬物理效果更容易找到,只有在設計過程中觀察到設計無法確認的問題才有效,通過物理觀察,可以修改原始設計和計劃,避免浪費時間和重復生產,從而在生產過程中發現問題。此外,設計支持系統還可以對生產過程進行管理和控制,零件的移動實際上可以提供技術參數或直接比較外觀,減少制造過程中因設計不明確而造成的障礙。引入CAD系統可以有效促進生產力的發展,軟件之間的協作可以根據需要進行開發和組合,為生產力的提高提供更多的空間,例如:傳統軟件Rhino開發了生產和構建中的插件支持系統,以滿足不同的生產要求。

1.4 計算機輔助工業設計

計算機輔助工業設計是專用于工業設計領域創意活動的一種設計方式,基于計算機技術與工業設計相結合的CAID系統,在設計方法、設計過程上都發生了質的變化,與傳統工業設計相比,設計質量和設計效率有很大提高,涉及多媒體技術、虛擬現實、快速生產、技術優化、模糊技術、人體工程學和許多IT技術領域,是復雜的跨學科技術。產品設計過程通常包括設計需求、市場研究、定位、草圖、圖像形成、數據模型、自然模型、生產等。其中視覺組件占相當大的比重,同時也是現階段廣泛采用的工業設計方式,例如:在圖像生成階段,用圖形程序(Photoshop,Illustrator,CorelDraw等)進行輔助設計完成二維圖像的生成,通過三維軟件(Rhinoceros,3DMAX,Maya等)構建模型顯示三維效果。在數據建模階段,用工程程序直接為后續生產建立工程模型,從創建到呈現整個產品,計算機輔助設計比以前節省了更多時間。計算機輔助設計技術和結果演示軟件已經相當成熟,特別是在計算機輔助設計的現代化方面,這是設計師的技術解放,使設計師更加注重設計和創作。此外,在設計過程中對產品進行了人為分析,在有數據模型的情況下,可以利用自動化設計技術對DIZ進行驗證,通過人體測量數據庫,提供更合理的人體因素分析數據。當然,設計師改進設計,必須具備計算機輔助設計技能[1]。

2 3D打印技術概述

2.1 3D打印技術的概念

自20世紀90年代以來,隨著3D打印技術的逐漸發展,對工業制造業具有革命性的意義。與現有制造工藝中所需的原始胚胎和模具不同,3D打印技術通過計算機獲取的圖像數據和加載在打印機上的液體或粉末來操作和控制打印材料,形成由計算機設計的真實圖形對象。3D打印技術本質上是一種使用光聚合和紙張層壓的快速原型設備,在創建對象方面優于現有的制造方法,簡化了制造過程,縮短了產品開發周期。

2.2 3D打印技術的工作原理

3D打印技術的一般工作原理,可以簡單概括為3D打印機接受計算機設計數據和待打印的原材料逐層處理產品。三維打印的技術基礎是快速原型技術,根據3D打印所需的不同材料和打印過程中不同的層形成方法,快速原型技術分為SLA,SLS和FDM。

2.2.1 SLA

SLA是最古老的快速原型制作過程。這是一個選擇性的愈合過程,主要使用光敏樹脂制作小件作品,如概念模型等。當打印機處理樹脂槽充滿液體光敏樹脂時,樹脂受到激光照射并快速固化,成形過程為:在距橫向層水平一定距離的液態樹脂水平面下方,工作表面可以升高或降低,并固化形成薄板,調整升降臺高度,根據電腦模型要求逐層掃描固化,完成模型的制作。

2.2.2 SLS

SLS被稱為燒結粉末材料的選擇性過程。與SLA過程中使用液體樹脂不同,粉末材料通過激光燒結和堆疊,每層燒結后,使用另一層粉末材料,三維產品是一層層地加固的。粉末材料可與膠粉混合,如塑料粉、陶瓷粉和金屬粉,用于制造塑料、陶瓷和金屬零件。這種印刷過程需要很長時間,由于顆粒粉末大小的影響,產品的表面粗糙。

2.2.3 FDM

FDM工藝使用熱熔噴嘴加工工程塑料、聚酯碳酸和其他絲狀材料。根據投影產品的形狀,材料被熔化成半液體,擠壓后在工作面上形成0.127 mm厚的板材。當一層完成后,繼續下一層,直到整個成品完成。該工藝生產過程相對清潔,操作方便。與熟練的SLA技術相比,其精度低,表面粗糙度差。

2.3 3D打印技術的優缺點

3D打印技術是近年來制造業迅速發展的一項新技術,與傳統生產制造技術相比,具有顯著降低成本、縮短生產時間和材料組合、產品設計獨特等優點。(1)降低較高的生產成本。傳統產品的原始生產過程中,如果產品形狀復雜,在設計、材料等方面的投資將非常高。3D打印機可以打印簡單或復雜的對象,所有組件都集成到一個單件中,無需額外成本以及生產、裝配和其他傳統研磨工具流程。傳統的金屬產品生產中,不適當的副產品將被丟棄并轉化為廢物,3D打印產品可以降低原材料成本,模型中使用的原材料不會限于產品本身而過度消耗。(2)減少產品的生產期限。現有產品的生產模式中,客戶向制造商提供設計,制造商根據設計生產模型再交由客戶審核,生產時間長,當雙方處于異地時,還要涉及運輸時間。通過3D打印,制造商可以根據客戶需求就近以3D打印機直接打印產品,修改設計產品,節省了運輸和制造時間。(3)將各種材料可以連接在一起。3D打印技術的FDM是一種給長絲材料(如機械塑料和熱管聚酯碳酸鹽)喂料并與新材料融合的方法,顏色很豐富。(4)進行獨特的產品設計。傳統制造的產品受到模具和材料的限制,形狀固定,機器只能生產部分零件和模具。3D打印技術允許根據人們的需要和想象設計不同的形狀,以獲得適合特定用途的產品,例如移動印刷、人造藝術品、人眼、汽車等。

雖然3D打印技術的研究和應用越來越廣泛,但在發展過程中也存在著瓶頸和缺陷。(1)3D打印機價格高昂。不管材料成本如何,大多數臺式打印機的成本約為20 000元以上,這在中國是無法實現的。(2)3D打印的精度和效率并不理想。3D打印機可以打印多種產品,但打印效率不足以實現大規模批量生產。由于技術原理的限制,印刷精度和速度之間仍然存在矛盾,使得相關產品低于傳統產品。(3)價差大,材料品種少。目前,3D打印材料的價格相差很大,每公斤從數百元到數萬元不等。消費者中最受歡迎的產品是高質量和低成本的產品,如果3D打印產品的價格高于預期,很難廣泛銷售。目前,各國開發的材料包括樹脂、塑料和金屬,一般高需求材料包括不銹鋼、鎳基合金、銀等。

2.4 3D印刷技術與工業設計

20世紀90年代中期出現的3D打印技術是以數字模型文件為基礎,以金屬粉末或塑料等黏合材料為原料,通過逐層打印的方式創建對象。3D打印通常使用數字技術材料打印機實現,常用于模具制造、工業數據中心等領域的模型制作,并逐漸用于直接制造一些零部件。這項技術應用于珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工(AEC)、汽車、航空、牙科和醫療服務、教育、地理信息系統、土木工程、槍支等工業設計領域,在傳統工業設計的最后階段,建立人工模型進行可行性驗證并驗證設計的合理性。手工模型制作通常需要一周的時間,價格從幾千元到幾萬元不等,且模型也不完全精確,到了沖壓階段,模具制作需要更多的時間和資金投入。有了3D打印技術,只需要3D打印機和相關的打印材料就可以脫模,在幾個小時內完成高精度、高難度模型并進行測試,大大縮短了產品開發周期和成本。隨著技術的發展,3D打印越來越受歡迎,3D印刷技術的出現對生產和工業設計產生了重大影響。某些特殊情況下,在建筑領域利用3D打印技術改善人們的生活條件[2]。

3 用計算機輔助技術和3D技術結合改進工業設計

3.1 結合設計方法

3D打印技術出現之前,我國的工業設計依賴于手工作業,耗費了設計師大量的時間和精力,對設計師的專業要求也非常高。另外,企業不但要以高額薪資聘請設計師,而且一旦設計出現問題,修改完善過程將進一步延長設計周期,增加成本開支。隨著3D打印技術的出現,工業設計隨著相關軟件的開發和引入發生了重大變化,例如:日本動漫玩具將3D打印技術與工業設計相結合,設計人員主要致力于動畫人物的建模,利用3DMAX,PS等程序進行開發。

3.2 提升空間

工業設計與3D打印技術的結合應用,在實踐中存在著許多問題和改進空間。(1)3D打印技術是針對某些特殊領域的,這些領域的計算機輔助工業設計對材料的性能和適用性提出了具體要求,現階段的3D打印材料不符合這些要求,制約了計算機輔助產業與3D打印技術的聯合發展,需要不斷提高3D打印中使用的材料的性能和適用性。(2)與3D打印技術相比,計算機輔助工業設計的發展時間更長,在某些情況下,傳統的設計方法仍在繼續使用,阻礙了3D打印技術的發展。而且,工業界人士不能及時協調工作思路,實現3D技術與計算機輔助產業設計的完美結合。(3)我國3D打印技術發展時間不長,起步較晚,許多專業人士對3D打印技術并不了解,缺乏理論知識。另外,尚未建立更完善的行業教育體系,企業缺乏相關技術培訓活動,會出現3D打印技術的應用失誤,一定程度上制約了行業發展速度。(4)3D打印技術與計算機輔助工業設計相結合,需要具體的軟件支撐。目前我國在這方面的軟件開發不如發達國家,結合過程需要大量的時間和生產實踐。

3.3 促進了工業的設計思維轉變

傳統的工業設計制造因裝配、生產等因素,限制了設計師的想象力和創造力。隨著技術的不斷優化和改進,可以及時制造出形狀和結構復雜的產品,設計師也不可避免地對產品的造型、形式和創意進一步優化,以保證多樣化、多結構、廣視角,更強調人性化,并要求不斷提高產品設計的藝術性和人體機械性能的設計元素。量產是傳統工業設計的基礎,可以根據模型進行相應的設計和生產,大大減少個性化設計動作,但這使得在設計中很難突出用戶的環境、習慣和個性化內容。

3.4 優化設計流程,降低設計成本

設計過程的流暢性是工業設計有效開展的關鍵,其中最重要的溝通手段是模型。當模型是手工制作時,其精度不可避免地受到影響,但借助計算機輔助技術和3D打印技術,可以得到充分的彌補。此外,還可以顯著縮短生產時間并加快產品上市時間[3]。

4 結語

將3D打印技術與計算機輔助設計相結合是時代發展的必然趨勢,有助于企業在開發和生產過程中降低成本,提高經濟效益。兩者的結合不僅給設計工作帶來了更多挑戰,也帶來了機遇,這就要求企業更加關注3D打印技術和材料的發展,改變傳統的設計理念,為3D打印技術應用提供技術、思想和系統支持,推動兩者向更完整的方向融合,推動中國設計產業的發展。