3D,打印技术与计算机辅助设计研究

廖 颖

(眉山职业技术学院,四川 眉山 610020)

3D打印技术的出现是人类社会文明的重大进步,作为一种新型的先进技术具有很强的适用性,被广泛应用于工业、医学、教育、生活等领域,与计算机技术、生物技术等相结合,有力地推动了社会各种产业创新和改革。3D打印技术的原理是通过堆积材料快速形成产品,相比传统技术手段可以充分生产出复杂的产品,从社会的实际发展趋势来看,3D打印技术的应用在各个行业和领域都发挥着重要作用。

计算机辅助工业技术与3D打印技术相结合是世界科技进步的体现,推动了时代的进程,提高了世界的工业水平,加强了数字化工业生产能力,为设计与生产提供更合适的发展环境,具有较好的发展前景。但关于这方面的人才仍然缺少,为扩展这两种技术的运用范围,促进进一步的发展,国家应该重视培养这方面的人才。目前,不少高专高职院校在响应国家、社会的需求下,开设了计算机数字化设计与3D打印技术的专业课程,但由于这两方面的技术还未足够成熟,各院校的课程教程与使用的工具还没有得到统一。为使计算机辅助设计技术与3D打印技术更好地发展、加深研究,在教学时使用的教具应该有一定的参数。只有科学化数据和规格,才能使数字化技术的教学更有效率。

1.1 技术分类

随着信息时代的推进,网络和大数据的发展以及5G加速时代的到来,产品的生产模式发展到工业时代4.0,计算机设计软件的开发被广泛应用于各行业,如:工业生产环节(产品)中的二次设计、数据分析和互联生产。通过计算机辅助设计的应用,工业生产已进入一个完整的数字化和信息化过程。

1.2 二次应用

计算机辅助设计(CAD)在生产过程中的应用可以使设计者摆脱传统的手工设计,计算机应用中的设计软件可以帮助设计人员完成项目比较和分析、设计审查、存储和恢复设计内容,缩短设计周期,在完成设计和生产协助后,提高设计效率并分析产品结构,完成反馈。计算机辅助生产应用程序(CAM)通过计算机完成制造过程的控制,使用辅助生产系统规划和管理生产环境的要素,包括设备状态监控、物料流动、工艺方法的试验等;解决生产过程中出现的问题,如检查和人员配备等。在试验过程中采用计算机辅助工程(CAE),通过计算机数字原型的模拟验证,分析和计算产品所需的各种物理性能,包括结构分析、流体体积分析、热分析、电磁分析、光学分析和声学分析。工程验证的结果对优化设计有一定的参考价值。

1.3 应用意义

通过软件的建模功能,可以观察虚拟3D效果来验证待建模产品的结构、形状以及渲染后的染色效果,还可用于迭代验证。通过3D打印或快速原型技术了解整个生产过程中的结构关系和设计,帮助设计师优化设计,选择满足设计需求的最佳方案,在设计过程中验证产品质量,有效缩短项目完成周期。辅助设计的虚拟物理效果更容易找到,只有在设计过程中观察到设计无法确认的问题才有效,通过物理观察,可以修改原始设计和计划,避免浪费时间和重复生产,从而在生产过程中发现问题。此外,设计支持系统还可以对生产过程进行管理和控制,零件的移动实际上可以提供技术参数或直接比较外观,减少制造过程中因设计不明确而造成的障碍。引入CAD系统可以有效促进生产力的发展,软件之间的协作可以根据需要进行开发和组合,为生产力的提高提供更多的空间,例如:传统软件Rhino开发了生产和构建中的插件支持系统,以满足不同的生产要求。

1.4 计算机辅助工业设计

计算机辅助工业设计是专用于工业设计领域创意活动的一种设计方式,基于计算机技术与工业设计相结合的CAID系统,在设计方法、设计过程上都发生了质的变化,与传统工业设计相比,设计质量和设计效率有很大提高,涉及多媒体技术、虚拟现实、快速生产、技术优化、模糊技术、人体工程学和许多IT技术领域,是复杂的跨学科技术。产品设计过程通常包括设计需求、市场研究、定位、草图、图像形成、数据模型、自然模型、生产等。其中视觉组件占相当大的比重,同时也是现阶段广泛采用的工业设计方式,例如:在图像生成阶段,用图形程序(Photoshop,Illustrator,CorelDraw等)进行辅助设计完成二维图像的生成,通过三维软件(Rhinoceros,3DMAX,Maya等)构建模型显示三维效果。在数据建模阶段,用工程程序直接为后续生产建立工程模型,从创建到呈现整个产品,计算机辅助设计比以前节省了更多时间。计算机辅助设计技术和结果演示软件已经相当成熟,特别是在计算机辅助设计的现代化方面,这是设计师的技术解放,使设计师更加注重设计和创作。此外,在设计过程中对产品进行了人为分析,在有数据模型的情况下,可以利用自动化设计技术对DIZ进行验证,通过人体测量数据库,提供更合理的人体因素分析数据。当然,设计师改进设计,必须具备计算机辅助设计技能[1]。

2.1 3D打印技术的概念

自20世纪90年代以来,随着3D打印技术的逐渐发展,对工业制造业具有革命性的意义。与现有制造工艺中所需的原始胚胎和模具不同,3D打印技术通过计算机获取的图像数据和加载在打印机上的液体或粉末来操作和控制打印材料,形成由计算机设计的真实图形对象。3D打印技术本质上是一种使用光聚合和纸张层压的快速原型设备,在创建对象方面优于现有的制造方法,简化了制造过程,缩短了产品开发周期。

2.2 3D打印技术的工作原理

3D打印技术的一般工作原理,可以简单概括为3D打印机接受计算机设计数据和待打印的原材料逐层处理产品。三维打印的技术基础是快速原型技术,根据3D打印所需的不同材料和打印过程中不同的层形成方法,快速原型技术分为SLA,SLS和FDM。

2.2.1 SLA

SLA是最古老的快速原型制作过程。这是一个选择性的愈合过程,主要使用光敏树脂制作小件作品,如概念模型等。当打印机处理树脂槽充满液体光敏树脂时,树脂受到激光照射并快速固化,成形过程为:在距横向层水平一定距离的液态树脂水平面下方,工作表面可以升高或降低,并固化形成薄板,调整升降台高度,根据电脑模型要求逐层扫描固化,完成模型的制作。

2.2.2 SLS

SLS被称为烧结粉末材料的选择性过程。与SLA过程中使用液体树脂不同,粉末材料通过激光烧结和堆叠,每层烧结后,使用另一层粉末材料,三维产品是一层层地加固的。粉末材料可与胶粉混合,如塑料粉、陶瓷粉和金属粉,用于制造塑料、陶瓷和金属零件。这种印刷过程需要很长时间,由于颗粒粉末大小的影响,产品的表面粗糙。

2.2.3 FDM

FDM工艺使用热熔喷嘴加工工程塑料、聚酯碳酸和其他丝状材料。根据投影产品的形状,材料被熔化成半液体,挤压后在工作面上形成0.127 mm厚的板材。当一层完成后,继续下一层,直到整个成品完成。该工艺生产过程相对清洁,操作方便。与熟练的SLA技术相比,其精度低,表面粗糙度差。

2.3 3D打印技术的优缺点

3D打印技术是近年来制造业迅速发展的一项新技术,与传统生产制造技术相比,具有显著降低成本、缩短生产时间和材料组合、产品设计独特等优点。(1)降低较高的生产成本。传统产品的原始生产过程中,如果产品形状复杂,在设计、材料等方面的投资将非常高。3D打印机可以打印简单或复杂的对象,所有组件都集成到一个单件中,无需额外成本以及生产、装配和其他传统研磨工具流程。传统的金属产品生产中,不适当的副产品将被丢弃并转化为废物,3D打印产品可以降低原材料成本,模型中使用的原材料不会限于产品本身而过度消耗。(2)减少产品的生产期限。现有产品的生产模式中,客户向制造商提供设计,制造商根据设计生产模型再交由客户审核,生产时间长,当双方处于异地时,还要涉及运输时间。通过3D打印,制造商可以根据客户需求就近以3D打印机直接打印产品,修改设计产品,节省了运输和制造时间。(3)将各种材料可以连接在一起。3D打印技术的FDM是一种给长丝材料(如机械塑料和热管聚酯碳酸盐)喂料并与新材料融合的方法,颜色很丰富。(4)进行独特的产品设计。传统制造的产品受到模具和材料的限制,形状固定,机器只能生产部分零件和模具。3D打印技术允许根据人们的需要和想象设计不同的形状,以获得适合特定用途的产品,例如移动印刷、人造艺术品、人眼、汽车等。

虽然3D打印技术的研究和应用越来越广泛,但在发展过程中也存在着瓶颈和缺陷。(1)3D打印机价格高昂。不管材料成本如何,大多数台式打印机的成本约为20 000元以上,这在中国是无法实现的。(2)3D打印的精度和效率并不理想。3D打印机可以打印多种产品,但打印效率不足以实现大规模批量生产。由于技术原理的限制,印刷精度和速度之间仍然存在矛盾,使得相关产品低于传统产品。(3)价差大,材料品种少。目前,3D打印材料的价格相差很大,每公斤从数百元到数万元不等。消费者中最受欢迎的产品是高质量和低成本的产品,如果3D打印产品的价格高于预期,很难广泛销售。目前,各国开发的材料包括树脂、塑料和金属,一般高需求材料包括不锈钢、镍基合金、银等。

2.4 3D印刷技术与工业设计

20世纪90年代中期出现的3D打印技术是以数字模型文件为基础,以金属粉末或塑料等黏合材料为原料,通过逐层打印的方式创建对象。3D打印通常使用数字技术材料打印机实现,常用于模具制造、工业数据中心等领域的模型制作,并逐渐用于直接制造一些零部件。这项技术应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空、牙科和医疗服务、教育、地理信息系统、土木工程、枪支等工业设计领域,在传统工业设计的最后阶段,建立人工模型进行可行性验证并验证设计的合理性。手工模型制作通常需要一周的时间,价格从几千元到几万元不等,且模型也不完全精确,到了冲压阶段,模具制作需要更多的时间和资金投入。有了3D打印技术,只需要3D打印机和相关的打印材料就可以脱模,在几个小时内完成高精度、高难度模型并进行测试,大大缩短了产品开发周期和成本。随着技术的发展,3D打印越来越受欢迎,3D印刷技术的出现对生产和工业设计产生了重大影响。某些特殊情况下,在建筑领域利用3D打印技术改善人们的生活条件[2]。

3.1 结合设计方法

3D打印技术出现之前,我国的工业设计依赖于手工作业,耗费了设计师大量的时间和精力,对设计师的专业要求也非常高。另外,企业不但要以高额薪资聘请设计师,而且一旦设计出现问题,修改完善过程将进一步延长设计周期,增加成本开支。随着3D打印技术的出现,工业设计随着相关软件的开发和引入发生了重大变化,例如:日本动漫玩具将3D打印技术与工业设计相结合,设计人员主要致力于动画人物的建模,利用3DMAX,PS等程序进行开发。

3.2 提升空间

工业设计与3D打印技术的结合应用,在实践中存在着许多问题和改进空间。(1)3D打印技术是针对某些特殊领域的,这些领域的计算机辅助工业设计对材料的性能和适用性提出了具体要求,现阶段的3D打印材料不符合这些要求,制约了计算机辅助产业与3D打印技术的联合发展,需要不断提高3D打印中使用的材料的性能和适用性。(2)与3D打印技术相比,计算机辅助工业设计的发展时间更长,在某些情况下,传统的设计方法仍在继续使用,阻碍了3D打印技术的发展。而且,工业界人士不能及时协调工作思路,实现3D技术与计算机辅助产业设计的完美结合。(3)我国3D打印技术发展时间不长,起步较晚,许多专业人士对3D打印技术并不了解,缺乏理论知识。另外,尚未建立更完善的行业教育体系,企业缺乏相关技术培训活动,会出现3D打印技术的应用失误,一定程度上制约了行业发展速度。(4)3D打印技术与计算机辅助工业设计相结合,需要具体的软件支撑。目前我国在这方面的软件开发不如发达国家,结合过程需要大量的时间和生产实践。

3.3 促进了工业的设计思维转变

传统的工业设计制造因装配、生产等因素,限制了设计师的想象力和创造力。随着技术的不断优化和改进,可以及时制造出形状和结构复杂的产品,设计师也不可避免地对产品的造型、形式和创意进一步优化,以保证多样化、多结构、广视角,更强调人性化,并要求不断提高产品设计的艺术性和人体机械性能的设计元素。量产是传统工业设计的基础,可以根据模型进行相应的设计和生产,大大减少个性化设计动作,但这使得在设计中很难突出用户的环境、习惯和个性化内容。

3.4 优化设计流程,降低设计成本

设计过程的流畅性是工业设计有效开展的关键,其中最重要的沟通手段是模型。当模型是手工制作时,其精度不可避免地受到影响,但借助计算机辅助技术和3D打印技术,可以得到充分的弥补。此外,还可以显著缩短生产时间并加快产品上市时间[3]。

将3D打印技术与计算机辅助设计相结合是时代发展的必然趋势,有助于企业在开发和生产过程中降低成本,提高经济效益。两者的结合不仅给设计工作带来了更多挑战,也带来了机遇,这就要求企业更加关注3D打印技术和材料的发展,改变传统的设计理念,为3D打印技术应用提供技术、思想和系统支持,推动两者向更完整的方向融合,推动中国设计产业的发展。