大四~二专业综合试验2015

实验一 3D打印零件的三维建模

一、实验目的

1、了解三维CAD/CAM软件造型技术的基本原理，掌握构建几何模型的思路和方法，为快速成型提供理想的数据模型。。

2、掌握零件三维造型的基本操作方法，获得用于3D打印零件。

3、熟悉常用的三维CAD/CAM软件UG、geomagic等软件环境和使用方法。

二、基本知识

1、三维CAD/CAM软件的功能

三维CAD/CAM软件根据功能不同分为综合集成型和单一功能型两种。

（1）综合集成型软件功能

综合集成型CAD/CAM支撑软件功能比较完备，综合提供三维造型、设计计算、工程分析、数控编程以及加工仿真等功能模块，综合性强、系统集成性较好。一般包括：

CAD部分：三维造型，装配，工程图绘制；

CAE部分：结构有限元分析，运动机构仿真分析优化设计；

CAM部分：数控编程，后处理，加工过程仿真；

用户开发工具：二次开发编程语言（UPL）或高级语言开发接口。

常用的综合集成型CAD/CAM软件有：UG、Pro/E、CATIA等。

（2）单一功能型软件功能

单一功能型软件主要支持产品设计或制造过程中的某个作业过程及相关操作，功能上相当于综合集成型CAD/CAM软件的某个模块。单一功能型软件完成任务单一、专业性处理能力强。

三维设计CAD系统，主要完成三维造型、装配与工程图绘制，常用软件

有SolidWorks、Solidedge等；

数控编程软件有MasterCAM、SurfCAM等；

工程分析软件：动力学仿真分析主要有ADAMS等，

有限元分析主要有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。

三、实验内容

为快速成型提供理想的数据模型。包括正向建模或逆向两部分，任选其中一种建模方式。

（1）UG正向建模

1.UG/Solid Modeling (实体建模)

提供业界最强的复合建模功能。UG/Solid Modeling无缝地集成基于约束的特征建模和显式几何建模，用户可以取得集成于一个高级的基于特征环境内的传统实体，曲线和框线建模的功能，UG/Solid Modeling使用户能够方便地建立二维和三维线框模型，扫描和旋转实体，布尔运算及进行参数化编辑，包括对快速和有效的概念设计的变量化的草图绘制工具以及更通用的建模和编辑任务的工具，模块的易于了解和基于图符的图形环境是同一基础，从那里，所有其它建模模块被存取与操作，UG/Solid Modeling 是对UG/Feature Modeling和UG/Freefrm Modeling两者的必要基础。

2.UG/Features Modeling (特征建模)

这个模块提高了表达式的级别，因而设计可以在工程特征的意义中来定义，提供对建立和编辑标准设计特征的支持，包括，几种变形的孔，键槽，型腔，凸垫，凸台及全集的园柱，块，锥，球，管道，杆，倒圆，倒角等等，也包括实体模型控空和建立薄壁对象，为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑参数化地定义特征，已经存贮在一共同目录中的用户定义特征也可以添加到设计模型上，特征可以相对于任一其它特征或对象定位，也可以被引用阵列考贝，以建立特征的相关集或是个别地定位或是在一简单图案和阵列中定位。

3．UG/Freeform Modeling (自由形状建模)

使得能够进行复杂自由形状的设计如机翼和进气道，以及工业设计的产品，UG/Freeform建模形成对合并实体和曲面建模技术到一单个强大功能的工具集

的基础，技术包括沿曲线的扫描，利用1，2和3个轨道方法比例地建立形状，从标准二次锥方法的放样体，园形或锥形模截面的倒园(圆角)，在二个或更多的其它体间充顺桥接间隙的曲面，也支持通过一个曲线/点网格定义形状或对逆向工程任务通过点出去拟合建立形形状模型可以或通过修改定义的曲线，改变参数的数值，或通过利用图形的或数字的规律控制来进行编缉。例如，一个可变半径的倒园或改变一个扫描的横截面积，模型是与所有其它UG功能完全集成的，UG/Freeform Modding也包括为评估复杂模型的形状、尺寸和曲率的易于使用

的工具。

（2）Geomagic逆向建模

Geomagic Studio软件是美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，它可根据物体扫描所得的点阵模型创建出良好的多边形模型或网格模型，并将它们转换NURBS曲面。该软件主要特点是支持多种扫描仪的文件格式的读取和转换、海量点云数据的预处理、智能化NURBS构面等等。它采用的点云数据的采样精简算法，克服了其他同类软件中对点云数据操作时，软件进行图形的拓扑运算速度慢、显示慢等弊端。

工作流程：

(1) 点云数据预处理，包括去噪、采样等；

(2) 自动将点云数据转换为多边形(Polygons)；

(3) 多边形阶段处理，主要有删除钉状物、补洞、边界修补、重叠三角形清理等；

(4) 把多边形转换为NURBS曲面；

(5) 输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式(IGES, STL, DXF等)。

实验二FDM三维打印成形实验

(一) 实验目的

理解三维打印技术的基本原理

熟悉FDM三维打印成形机的结构

掌握FDM三维打印成形机的模型制作过程

(二)实验仪器

CUBEPRO三维打印机(桌面型)

(三)实验内容

1. 三维打印基本原理

3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。

3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。学院的3D 打印机使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来该工艺以ABS材料为原材料，在其熔融温度下靠自身的粘接性逐层堆积成形。在该工艺中，材料连续地从喷嘴挤出，零件是由丝状材料的受控积聚逐步堆积成形。

图1 FDM三维打印系统