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（shì）場網

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淺（qiǎn）析（xī）3D打印技術在現代設計製造業中的（de）輔助性作用

2015-2-3 來（lái）源：作者（zhě）：

1　現（xiàn）代設（shè）計（jì）製造業的常用加工方法簡（jiǎn）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數控機（jī）床、模具、逆向工程等幾種主要加工（gōng）方法。

1.1　數控（kòng）機床CNC

CNC是計（jì）算機數字控製機床（Computer NumericalControl）的簡稱，是一種由程序控製的（de）自動化機（jī）床（chuáng）。該控製係統能夠邏輯地處理具有控製編碼或其他（tā）符號指（zhǐ）令規定的程序，通過計算機將其譯碼，從而使機床執行規定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。

自從1952年（nián）美國麻省（shěng）理（lǐ）工學院研製出世界上第一台數控機床以來，現代製造技（jì）術進入（rù）到數控時（shí）代。五十年來，數控機床在製造行業，特（tè）別是在汽車、航空（kōng）航（háng）天、以及軍事工業中被廣泛地應（yīng）用。與普通機床相比，數控機床有如下特點：（1）加工精度高，具有穩（wěn）定的加工質（zhì）量；（2）可進行多坐標的聯動，能加（jiā）工形狀（zhuàng）複（fù）雜的零件；（3）機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；（4）批量化生產，產品質量容（róng）易控製；（5）對（duì）操作人員的專業素質要求較低，對維護人員的技術（shù）要求較高。

1.2　模具（jù）（Tooling）

模具（Tooling/mould/die），簡單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（wù）理狀（zhuàng）態的改（gǎi）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（fěn）末（mò）冶金件壓製、壓（yā）力鑄造，以工程塑料、橡膠、陶（táo）瓷等製品的壓塑或注塑的成形加（jiā）工中，用以在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的製件的工具。

在現代化工業（yè）生產中，60%～90%的工業產品需（xū）要使用模具加工，模具工業已成為現代工業發展的基（jī）礎。許多新產品的開發和生產在很大程度（dù）上依賴（lài）模具的生產，特別是汽車、輕工、電子、航空等行（háng）業尤為（wéi）突出。而作為製造業（yè）基礎的機械行業，據國際生產技術協會預測，21世紀機械（xiè）製造（zào）工業的零（líng）件，其粗加工（gōng）的75%和（hé）精加工的50%都將依賴模具完成。因此，模具（jù）工業已經成為國民經濟的重要（yào）基礎工業。

利用模具（jù）製造產品的一般流程：CAD圖（tú）檔→模（mó）型（xíng）製作→開模→設計驗證→試產→量產

現（xiàn）代模具的特點如下：

1.2.1　精度高。現代模具要（yào）求的精度比傳統模具高（gāo）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、無毛刺的衝壓件和精密塑（sù）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（de）多工位級進模的精度更高。

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

1.2.3　生產率高（gāo）。現代模具生產效率比傳統模具高得（dé）多，其（qí）主要原因是（shì）現代模具有多工位、多（duō）模腔、甚至多功能。例如，高生產率級（jí）進模有50多個工位（wèi），塑膠鞋（xié）模有（yǒu）18個工位。一套（tào）多能模具除了衝壓成形外，還擔負疊裝、鉚接、鎖緊等組裝任務（wù），可直接生產（chǎn）組合件。一模多腔的注塑模和疊層模具可達每（měi）模一次（cì）生產數（shù）十件，塑封模每模一次生產數百件，生產塑料（liào）汽（qì）水瓶的四工位注塑模（mó）生產率達8000件/小時。

1.2.4　型腔形狀和模具結構複雜多變（biàn）。隨著人們對產品形狀、尺寸精度、整體性及生產效率等要求的提高，以及許多新（xīn）材料新工（gōng）藝的廣泛（fàn）應用，現代模具的結構（gòu）和型腔日益複雜，例如，一台大（dà）型複（fù）合材料成形模具，其結構複（fù）雜程度和價格超過一台精密機床；一些大（dà）型覆蓋件成形模具（jù），不僅型腔形（xíng）狀（zhuàng）複雜，而且模具配套性要求極高，要求多個相關模具型腔協調一致，用傳統加工（gōng）方法無法達到其質量和精度要求。

1.3　逆向工程（Reverse Engineering）

逆向工程是一個“從有到無”的過程。簡單來說就是根據已經存在的產品（pǐn）模型（xíng），反向推出產品設計參（cān）數（包括（kuò）圖紙或數字模（mó）型）的過程。並通過數字化測量設備（如坐標測量儀、激光測量設（shè）備等）獲取的物體表麵的空間尺（chǐ）寸數據，需（xū）要根據逆向工程CAD技術獲得產品的CAD數學模型，進而快速成型（xíng）製（zhì）造或利用CAM係統完（wán）成產品的製造。

逆向（xiàng）工程技（jì）術多用於工業設計師做外（wài）觀（guān）產（chǎn）品設計的驗證、調整，當然此（cǐ）項技術也直接被一些無良廠（chǎng）商直接用於拷貝、剽竊其他公司的高精尖產品。

2　快速原型（xíng）製造及（jí）3D打印技術

2.1　快速原型製造技術

快（kuài）速原型製造技術（shù）（Rapid Prototyping/PartsManufacturing 簡稱RPM）是近年來發展起來的一種先進製（zhì）造技術。20世紀80年起（qǐ）源於美國，很快（kuài）發展到日本和歐洲，是近年來製造技術領域的一次重大（dà）突破。RPM是一種基於離（lí）散堆積成型思想的數字化成型（xíng）技術，是CAD、數控技術、激光技術以及材料科學與工程（chéng）的（de）技術集（jí）成。

RPM的成型原（yuán）理是（shì），將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅動、光電子和新材料等先進技術集於一體，依據由CAD構造的產品三維模型對其進（jìn）行（háng）分層切片，得到各層截麵的輪廓。按照這些輪廓，激（jī）光束選擇性地噴射，固化一層層（céng）液態樹（shù）脂（或金屬粉末）或噴射源選擇性地噴塗一層層的（de）粘結（jié）劑或熱熔材料（liào）等（děng），形成各麵，逐步疊加成三維產品，它將一個複雜的三維加工簡化成一係列二維加工（gōng）的組合。它可以自動、快（kuài）速地將設計思想物化為具（jù）有一定結構和功能的原型或直接製造零部件，從而可對產（chǎn）品設計進行快速評（píng）價、修改，以相應市（shì）場需求（qiú），提（tí）高企業競爭（zhēng）力。

R P M 現在存在著許多不同的技術。它們的不（bú）同之處在於（yú）以可用的材料的方式，並以不同層構建創建部件。有些技術利（lì）用熔（róng）化（huà）或軟化可塑性材料的方法來製造打印的“墨水”，例如：選擇（zé）性激光燒結（selective laser sintering，SLS）和熔融沉積式（fused deposition modeling，FDM），還有一些技術是用液體（tǐ）材料（liào）作為打（dǎ）印的“墨水”的，例如：立體平板印（yìn）刷（stereolithography，SLA）、分層實體製造（laminated object manufacturing，LOM）。每種技術都有各自的優缺（quē）點，因而（ér）一些公司會提供多種打印機以供選擇。

2.2　3D打印技術

3D打（dǎ）印（Three-dimensional printing），又稱增（zēng）材製造（AM，Additive Manufacturing），屬於快速成形技術的一（yī）種，它是一種以數字模型文件（jiàn）為基礎直接製造幾（jǐ）乎任意形狀（zhuàng）三維實體的技術。3D打印運用粉末狀金屬或塑料等可（kě）粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體，即“層造形法（fǎ）”。其使用的是快速原型製造技術的“選擇性激光燒結（selective lasersintering，SLS）”技術。

事實上3D打印（yìn）機集（jí）成了各種不同的技術，基於多個（gè）不同的物理機製，將共同的特征通過一（yī）個數字模型來構件三維物理實體。這（zhè）個成型實際是一個層疊堆積的過程。與傳統成型方法不同的是，此項技術不會導致材料（liào）的（de）大量（liàng）損耗。3D打印與傳統的（de）機械加工技術不同，後者通常采用切削或鑽孔技術（即減材工藝）實現。

3　3D打印技術與常（cháng）用CAD軟件的對（duì）接及工作全程

3.1　現代（dài）設計製造（zào）業常用CAD三維軟（ruǎn）件簡述

目前在現代設計（jì）製（zhì）造行業所用的三維軟件主要有以下（xià）四種：

3.1.1　PRO/ENGINEER。1988年，美國參數技（jì）術公司（PTC）發布PRO/ENGINEER，此為市場上第（dì）一個（gè）參數化並基於特征關聯（lián）的實體建模軟件。PTC第一個提（tí）出（chū）參數（shù）化設（shè）計（jì）的概念，並且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它（tā）采用模塊化方式，用戶可（kě）以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。因其強（qiáng）大的參數技術及眾多模塊可供客戶自由選擇，因此（cǐ）此軟（ruǎn）件被廣泛應（yīng）用於工業（yè）設備、自動化、電子技術、航空國（guó）防、零售、消費品及醫療技（jì）術等（děng）行業的開發過程，此軟件自誕生（shēng）之日起，曆經Pro/ENGINEER2001，Wildfire，Cero Parametric等幾個名稱，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（biāo）誌著PTC軟件（jiàn）向（xiàng）更簡潔易用的用（yòng）戶（hù）界麵發展，更注重用戶體驗，用戶初（chū）次使用PTC軟（ruǎn）件時更易上手，從而使工程技術人員將更多的時間和精力花在產品設計本身上，而不（bú）是花很多時間去學習使用此軟件本（běn）身。

3.1.2　SolidWorks。1993年，PTC前技術副（fù）總裁與CV公司的副總裁共同創建SolidWorks公司。SolidWorks軟件為該公司在1995年基於Windows所開發，被廣泛應用於航空航天、汽車、機械、交通、模具、電子（zǐ）通訊、娛樂工業等領域。

SolidWorks有功能強大、易學易用和技術創新三大特點。此軟件能夠提供不同的設計方案、減少設計（jì）過程中的錯誤以及提高（gāo）產品質（zhì）量。目前最新版本為SolidWorks2013.

3.1.3　Unigraphics NX（UG）。Unigraphics NX（UG）是Siemens PLM Software公司於1983年推出的一個（gè）產品工（gōng）程解決（jué）方案（àn），它為用（yòng）戶（hù）的產品設計及加工過程提供了數字化造型和（hé）驗證手（shǒu）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（jì）層次，即結（jié）構設（shè）計（architecturaldesign）、子係統設計（subsystemdesign）和（hé）組件設計（componentdesign）。

UG允許製造商以數字化的方式仿真並確（què）認和優化產品（pǐn）及其開（kāi）發過程。通過在開發周期中較早地運用數字化（huà）仿真性能，製造商可以改善產品質（zhì）量，同時（shí）減少或消除對於物理樣機的昂貴耗時的設計、構建以及對變更周期的（de）依賴。

UG與PRO/ENGINEER軟件對比：（1）UG適合CNC加（jiā）工做刀路，還有模具；（2）PROE適合做結構，產品設（shè）計（jì）；（3）UG和PROE的最大（dà）不同就是建模（mó）思路不（bú）一樣；（4）PROE是全參數化的，UG是半參數化的。

3.1.4　Solid Edge。Solid Edge是西門子的兩大CAD產品之一。西門子的另一（yī）個CAD產品是NX，主要應用於汽車（chē）、航空航天、模具等行業。Solid Edge用於（yú）通用機（jī）械行業。與NX相比，在設（shè）計簡單零件時，效率更高。另外Solid Edge與Windows操作係統，與其他的（de）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打印技術的對接示例

3D打印機自帶的軟（ruǎn）件無法（fǎ）創建三（sān）維模型，隻能借助第三方CAD設計軟件來先期完成設計模型並（bìng）導入到打印機。下麵就以PRO/ENGINEER設計的（de）一（yī）款轉換插頭來完成本次創建，並（bìng）以（yǐ）兩款轉換插頭的實例來講解3D打印機工作全程。

3.2.1　導出PRO/ENGINEER設計完成的三維圖檔：