淺析3D打印技術在現代設計製造業中的輔助性作用-數控機床市場網

淺析3D打印技術在現代設計製造業中（zhōng）的輔助性作（zuò）用

2015-2-3 來源：作者：

1　現代設（shè）計製造業的常用加工方法簡述

自20世紀中（zhōng）葉以來，隨著人類技術的不斷創新，社會生產及製造技術（shù）也在飛速發展，目前，在生產加工行業主要的現代製造技術主要有（yǒu）數控機床、模具、逆向工程（chéng）等幾種主要加工方法。

1.1　數控機床CNC

CNC是計算機數字控製機床（Computer NumericalControl）的簡稱，是一種（zhǒng）由程序控製的自動化（huà）機床。該（gāi）控製係統（tǒng）能夠邏輯地處理具有控製編碼（mǎ）或其他符號指令規定的（de）程序，通過計算機將其譯碼，從而使機（jī）床執行規定好了的動作，通過刀具（jù）切削將毛坯料加工成半成品（pǐn）成品零件。

自從1952年（nián）美國麻省理工學院研製出世界上第一（yī）台數（shù）控機床以（yǐ）來，現代製造技術進入到數控時代。五十年來，數控機床在（zài）製造（zào）行業，特別是在汽車、航空航天、以（yǐ）及軍事（shì）工（gōng）業中被廣泛地（dì）應用。與普通機床相比，數控機床有如下特點：（1）加工精（jīng）度高，具有（yǒu）穩定的（de）加工質量；（2）可進行多坐標的聯動，能加工形（xíng）狀複雜的零件；（3）機床（chuáng）自動化程度高，可以減輕勞動強度；（4）批量化生產（chǎn），產（chǎn）品質量容易控製；（5）對操作人員的專業（yè）素質（zhì）要求較低，對維護人員的技術要求較高。

1.2　模具（Tooling）

模（mó）具（Tooling/mould/die），簡單（dān）說來就是一種用來成型物品的工具，它主要通過所成型材料物理狀態的改變來實現物品外形的加工。在衝裁、成形衝壓、模鍛、冷鐓、擠壓、粉末冶金件壓製、壓力鑄造，以（yǐ）工程塑料、橡膠、陶瓷等製品的壓塑或注塑的成（chéng）形加工中，用以（yǐ）在外力作用下使坯料成為（wéi）有特定形狀和尺寸的（de）製件的工具。

在現代化工業生產中，60%～90%的工業產品需要使用模具加工，模具工業已成（chéng）為現代工業發展的基礎。許多新產品的（de）開發和生產在很（hěn）大程度上依賴模（mó）具的生產，特別是汽車、輕工、電子、航空等行業尤（yóu）為（wéi）突（tū）出。而作（zuò）為製造業基礎的機械行業，據（jù）國際生產技術協會預測，21世紀機（jī）械製造工業的（de）零件，其粗加工（gōng）的75%和（hé）精加工的50%都（dōu）將依（yī）賴（lài）模具完成。因此，模具工業已經成為（wéi）國民經濟的重要基礎工（gōng）業。

利用模具製（zhì）造產品的（de）一般（bān）流程：CAD圖（tú）檔（dàng）→模型製作→開模→設計驗證→試產→量（liàng）產

現代模具的特點（diǎn）如下：

1.2.1　精度高（gāo）。現代模具要求的精度比傳統模具高出數個數量級，多工位級進模、精衝模、精密塑料模的精度已達0.003mm甚至更高。一些高精度、無毛（máo）刺的衝壓件和精密塑料件都要求模具高精度，尤其是那些全拚嵌、全互換的長壽命的多工位級進模的精（jīng）度更高（gāo）。

1.2.2　壽命長。現代衝（chōng）模壽（shòu）命（mìng）一般在500萬次以上，硬質合金（jīn）多工位級進模可達2000～6000萬次，注塑模具可達40～60萬件，壓鑄模50～100萬件，而傳統模具壽命隻有現代模具的1/5～1/10。

1.2.3　生產率（lǜ）高。現代模具生產效率比傳統模（mó）具高得（dé）多，其主要原因是現代模具有多工位、多模腔、甚至多功能。例（lì）如，高生產率級進模（mó）有50多個工位，塑膠鞋（xié）模有18個工位。一套多能模具除了衝壓成形（xíng）外，還擔（dān）負疊裝、鉚接、鎖緊等組裝任務，可直接生產組合件。一模多腔的注塑模和疊層模具可達每模一（yī）次生產數十件，塑封模每模一（yī）次生產數百件，生產塑料汽水瓶的（de）四工（gōng）位注塑模生產率（lǜ）達8000件/小（xiǎo）時。

1.2.4　型腔形狀和模具（jù）結構複（fù）雜多變。隨著人們（men）對產品形狀、尺寸精度、整體性及生產效率等要求（qiú）的提高，以（yǐ）及許多新材料新工藝的廣泛應用，現代模具的結構和型腔日益複雜，例如，一台大型（xíng）複合（hé）材料成形模具，其結構複雜程度和價格（gé）超過（guò）一台精密機床；一些大（dà）型覆蓋件成形（xíng）模具，不僅型（xíng）腔（qiāng）形狀複雜，而且模具配套性要求極高，要（yào）求多個相關模具型腔協調一（yī）致，用傳統加（jiā）工方法無法達到其質量和（hé）精度要（yào）求。

1.3　逆向工程（Reverse Engineering）

逆向工程是一個“從有到（dào）無”的過程。簡（jiǎn）單來說就是根據（jù）已經存在（zài）的產品模型（xíng），反向推出產品設（shè）計參數（包（bāo）括圖紙或（huò）數字模型）的（de）過程。並通過數字化測量設備（如坐標測量儀、激光測量設備等）獲取的物體表麵的空間尺寸數據，需要根據逆向工程（chéng）CAD技術獲得產（chǎn）品的CAD數學模型，進而快速成型製造或利用CAM係統完成產品的製造。

逆向工程技術多用於工業（yè）設計師做外（wài）觀產品設計的驗證、調整，當然此項技術也直接被一（yī）些無良廠商直接（jiē）用於拷貝（bèi）、剽竊其他公司的高精尖產（chǎn）品（pǐn）。

2　快速原型製造及3D打印技術

2.1　快速原型製造技術

快（kuài）速原（yuán）型製造（zào）技（jì）術（Rapid Prototyping/PartsManufacturing 簡稱RPM）是近（jìn）年來發展起來的一種先進製造技術。20世（shì）紀80年起源於美國，很快發展到日本和（hé）歐洲，是近年來製造技術領域的一次重大突破。RPM是一種基於離散堆積成型思想的數字（zì）化成型（xíng）技術，是CAD、數控技術、激光技（jì）術以（yǐ）及材料科學與工程的技術集成。

RPM的成型原理是，將CAD、CAM、CNC、精密伺（sì）服驅動、光電子和（hé）新材料等先進技術集於一體，依據由CAD構造的產品三維模（mó）型對其進（jìn）行分（fèn）層切片，得（dé）到各層截麵的輪廓。按照（zhào）這些輪廓，激（jī）光束選擇（zé）性地噴射，固化一層層液（yè）態樹脂（zhī）（或金（jīn）屬（shǔ）粉末）或噴射源選擇性地噴塗一層層的粘結劑或熱（rè）熔材料等，形成各麵，逐步疊（dié）加成三維產品，它將一個複雜的三維加（jiā）工簡（jiǎn）化成一係列二維加工的組合。它可以自動、快速（sù）地將設計思想物化為具有一定結構和（hé）功能的原型（xíng）或直接製造零部件，從而可對產品設計進行快速評價（jià）、修（xiū）改，以相應市場需求，提高企業（yè）競爭力。

R P M 現在存（cún）在著許多不同的技術。它們的不（bú）同之處在於以（yǐ）可用的材料的（de）方式，並以不同層構建創建部件。有些技術利用熔化或軟化（huà）可塑性材（cái）料的方法來製造打印的“墨水”，例如：選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）和熔融（róng）沉積式（fused deposition modeling，FDM），還（hái）有一些技術是用液體材（cái）料作（zuò）為打印（yìn）的“墨水”的，例如：立體平板（bǎn）印刷（stereolithography，SLA）、分層實體製造（zào）（laminated object manufacturing，LOM）。每種技術都有各自的優缺點，因而一些（xiē）公司會提（tí）供多種打印機以供選擇。

2.2　3D打印技術

3D打印（Three-dimensional printing），又稱增材製造（AM，Additive Manufacturing），屬（shǔ）於快速成形技術的一種，它是一種以數（shù）字模型文件為基礎直接製造幾乎任（rèn）意形狀（zhuàng）三（sān）維實體的技術。3D打印運用粉末狀金屬（shǔ）或塑料等可粘合材（cái）料，通過（guò）逐層堆疊累（lèi）積的方式來構造物體，即“層造形法”。其使用的是快速原型製造技術的“選擇性（xìng）激光燒結（selective lasersintering，SLS）”技術（shù）。

事實上3D打（dǎ）印機集成了各種不同的技術（shù），基於多個（gè）不同的物理機製，將共同的特征（zhēng）通（tōng）過（guò）一個（gè）數字模型來構件三維物理實體。這個成（chéng）型實際是（shì）一個層疊堆積的過程。與傳統成型方法不同的（de）是，此項（xiàng）技術不會導致材料的大量損耗。3D打印與傳統的機械加（jiā）工技術不同，後者通常采用切削或鑽（zuàn）孔技術（即減材工藝）實現。

3　3D打（dǎ）印技（jì）術與常用CAD軟件的對接及工作全程

3.1　現代設計製造業常（cháng）用（yòng）CAD三維軟件簡述

目前在現代設計（jì）製造行業所用（yòng）的三維軟件主要有以下四種（zhǒng）：

3.1.1　PRO/ENGINEER。1988年，美國參數技（jì）術公司（sī）（PTC）發布（bù）PRO/ENGINEER，此（cǐ）為市場上第一個參數化並基於特征關聯的實體建模軟件。PTC第一個提出參（cān）數化設計的概念，並且采用了單一數據庫來解決特征的相（xiàng）關性（xìng）問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可（kě）以（yǐ）根據自身（shēn）的需（xū）要進行選擇，而不必安裝所有模塊。因其強大的參數技術及眾多模塊可（kě）供（gòng）客戶（hù）自由選擇，因此此軟件被廣泛應用於工業設備、自動化、電子技術、航空國防、零售（shòu）、消費品及醫療技術等行業的開發過程，此軟件自誕生之日起（qǐ），曆經Pro/ENGINEER2001，Wildfire，Cero Parametric等幾個（gè）名稱，目前最新的版本為CeroParametric 3.0。

2007年12月，PTC公司完成對CoCteate的並購，此舉標誌著PTC軟件向更簡潔易（yì）用的（de）用（yòng）戶界麵發展，更注重用（yòng）戶體驗，用戶初次使用PTC軟件（jiàn）時更易（yì）上手，從（cóng）而使工程技術人（rén）員將更多的時間和（hé）精力花在產品設計本身上，而不是花（huā）很（hěn）多時（shí）間去學習使用此軟件本身。

3.1.2　SolidWorks。1993年，PTC前技術副總裁與CV公司（sī）的副總裁共同（tóng）創建SolidWorks公司。SolidWorks軟件為（wéi）該公司在1995年基於Windows所開發，被廣（guǎng）泛應用於航空航天、汽車、機（jī）械、交通、模具、電子通訊、娛樂工業等領域。

SolidWorks有功能強大、易（yì）學（xué）易用和技術創新三大特點。此軟件（jiàn）能夠提供不同的（de）設計方（fāng）案、減少設計過（guò）程中（zhōng）的錯誤以及提高產（chǎn）品質量。目前最新版本為SolidWorks2013.

3.1.3　Unigraphics NX（UG）。Unigraphics NX（UG）是（shì）Siemens PLM Software公司於1983年推出的（de）一個產品工程解決（jué）方案，它為用戶的產品設（shè）計（jì）及加工過程提供（gòng）了（le）數字化造型和驗證手段。UG這樣的大型軟件係統通常（cháng）需要有不同層（céng）次抽象的描述。UG具有三個設計層次，即結構設計（architecturaldesign）、子（zǐ）係統設計（subsystemdesign）和組件設計（componentdesign）。

UG允許製（zhì）造商以（yǐ）數字化的方式仿真並確認和優化產品及其開發過程。通過在（zài）開（kāi）發周期中較早地運用數字化仿真性能（néng），製（zhì）造商可以改善產品（pǐn）質量，同時減少或消除對於物理樣（yàng）機的昂貴耗時的設計、構建以及對變更周期的依賴。

UG與（yǔ）PRO/ENGINEER軟（ruǎn）件對比：（1）UG適合CNC加工（gōng）做刀路，還有模具；（2）PROE適合做結構，產品設計；（3）UG和（hé）PROE的最大不同就是建模思（sī）路不一樣；（4）PROE是全參數化的，UG是半參（cān）數化的。

3.1.4　Solid Edge。Solid Edge是（shì）西門子的兩大CAD產品之一。西（xī）門子的另一個（gè）CAD產（chǎn）品（pǐn）是NX，主要（yào）應用於汽車、航空航天、模具等行業。Solid Edge用於通用機械行業。與NX相比，在設計簡單零件時，效率更高（gāo）。另外Solid Edge與Windows操作係統（tǒng），與其（qí）他的Windows應用軟件，例如Office係列，兼容性更好。

3.2　常用CAD三維軟件與3D打印技術（shù）的對接示例

3D打印機自帶的軟件無法創建（jiàn）三維模（mó）型，隻能借助第三方CAD設計軟件來先期完成設計模型並導入（rù）到打印機。下麵就以PRO/ENGINEER設計的一款轉換插頭來完成本次創建，並以兩款轉換插頭的實例來講解3D打（dǎ）印機工作全程。

3.2.1　導出PRO/ENGINEER設計完成的三維圖檔：