数字化设计制造技术在3D打印中的应用

数字化设计制造技术在3D打印中的应用

【摘要】阐述了数字化设计制造的原理以及分类，对数字化设计制造在3D打印中的应用做了介绍，分析了3D打印的发展现状以及未来发展趋势。

【关键词】数字化设计；3D打印 ;应用。

【abstract】This paper expounds the Principle and classification of digital design and manufacture,introduces the application of digital design and manufacture in 3D printing ,analysis the present development situation of 3D printing.

【key word】digital design and manufacture;3D printing；application.

0 引言

数字化设计制造是产品设计制造信息的数字化，是将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，应用数字技术队设计制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，从而在数字空间就中完成产品设计制造的过程，及制造对象，状态与过程的数字化表征、制造信息的可靠获取以及传递，以及不同层面的数字化模型与仿真。而作为“第三次工业革命”的前沿代表技术——3D数字化打印，成功地将虚拟的数字智能化技术与实实在在的工业产品桥接在一起。作为快速成形技术的一种，3D打印以经过智能化处理后的3D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、迭加成形的方式来增量构造物体的技术。3D数字化和3D打印是一对孪生兄弟，相辅相成。3D数字化是实现3D打印的前提和基础，否则“巧妇难为无米之炊”[1]；

1 数字化设计制造的发展历程，主要内容

1）发展历程：

NC机床(数控机床)的出现→CAM处理系统APT(自动编程工具)出现→加工中心的的出现

→CAD(计算机辅助设计)软件的出现→FMS(柔性制造系统)系统的出现→CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)的融合→CIMS(计算机集成制造系统)的出现和应用→CAD/CAM软件的

空前繁荣。

2)主要内容

CAD---计算机辅助设计、CAE---计算机辅助工程分析、CAM---计算机辅助制造、CAPP---计算机辅助工艺规划、PDM---产品数据库管理、ERP---企业资源计划、RE---逆向工程技术。

2 3D打印的原理及分类、发展现状以及发展趋势

3D 打印技术被称为快速成型技术，也称为增材制造技术, 是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。2012 年4 月，英国《经济学人》刊文认为，3D打印技术将与其他数字化生产模式一起，推动第三次工业革命的实现。美国等发达国家高度重视3D 打印技术，甚至将其提升到国家战略层面。

1）3D打印的原理及分类

3D 打印技术是以 3D 模型为蓝本，通过软件将 3D 模型进行分层离散化处理，由数控成型系统利用激光束、紫外线、热熔等方式将树脂、陶瓷粉末、塑料等特殊材料在 X-Y 平面进行逐层成型扫描，并在 Z 轴进行堆积黏结，最终叠加成实体产品。由其定义知，3D 打印属于

加式制造范畴。而传统制造业属于减式制造范畴，即通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。与传统制造业相比，3D打印不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，不需要众多的人力，不需要冗长的流水线作业，直接通过计算机3D模型数据，便可由打印机生产任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸[2]3D打印机打印截面的厚度一般为100mm，即0.1mm，特殊要求的打印机也可以打印16 mm 的薄层，平面方向则可以打印与日常普通激光打印机相近的分辨率。3D 打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够，在弯曲的表面可能会稍有粗糙，稍微打磨即可光滑。在打印一些有倒挂状的物体时，打印过程中就需要用易于去除的东西作为支撑物。打印物品表面色彩处理可选择3D 彩色打印机、喷涂、手绘及有色材料等。

3D打印技术的类型和属性[3]

2) 3D打印的发展现状

历经20 多年，3D 打印技术终于从沉寂到兴起，并在许多领域取得新的成果。在产品设计方面，3D 打印机的利用始于制造业的产品试制。正如把3D 打印又称作“快速成型”一样，与以往方法相比，3D 打印的最大优点是能在短时间内完成试制品。在艺术品方面，3D 印刷能够创作出许多令人惊叹的艺术作品。目前各国艺术家利用该技术创作出各种复杂的中小型雕塑作品或用于原比例缩小后的概念模型展示。在精密零部件方面，由于3D 打印制品能实现产品的自然无缝连接，从而达到传统制造方法远不可即的结构稳固性和连接强度，已成为国外研究空间飞行器的关键技术。在家庭装饰方面，如今家庭装饰都讲求个性与人性化，追求感官愉悦，这就给了3D打印技术发挥的空间。欧美现已有多家公司提供利用快速成型设备制作个性装饰的服务。在建筑模型方面，如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用快速成型先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试，该类设备所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。在医疗手术方面，利用3D 打印机制作的膝关节手术植入体，能很好地与病人原有的组织模拟结合进行手术。3D 打印技术的诞生，在手术前关节或牙科导板、人体结构模型等方

面发挥着极大的作用。在人偶玩具方面，只要绘制出动漫效果图，发送到制作机构，利用3D 打印机，数小时或当天就可以在家收到喜欢的人偶手板。在物品复原方面，在一级方程式赛车（F1）领域，3D 打印机制作的部件已经达到了直接配备赛车的水平。在比赛中，部件损坏时有发生，因为要求生产速度，所以成型及时的3D 打印机可谓最佳之选。在珠宝首饰方面，在一种被称为“熔模铸造”的工艺里，技术人员用3D 打印机将石蜡“打印”出想要的饰品形状。在医疗器械方面，在进行复杂的手术前，外科医生已开始利用3D 打印机“打印”身体部位以供参考。3D 打印机也能够在医疗设备或专业辅助器械的开发中发挥特殊材料的专业用途，例如3D打印拇指[4]。

3D打印的手枪

3D打印的汽车模型

而我国3D打印还处于起步阶段，20世纪90年代初，我国开始推进3D打印机研发，在快速成型（Rapid Prototyping,Rp）技术方面取得了一定成效。华中科技大学、清华大学、西安交通大学、天津大学、北京隆源公司和南京航空航天大学等单位，于上世纪90 年代初，率先进行3D 打印技术的研究、开发、推广和应用。在我国已掌握的3D 打印技术中，激光接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备