數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在3D打印中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在3D打印中的應(yīng)用【摘要】闡述了數(shù)字化設(shè)計制造的原理以及分類，對數(shù)字化設(shè)計制造在3D打印中的應(yīng)用做了介紹，分析了3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢?！娟P(guān)鍵詞】 數(shù)字化設(shè)計； 3D打印 ;應(yīng)用?！綼bstract】This paper expounds the Principle and classification of digital design and manufacture,introduces the application of digital design and manufacture in 3D printing ,analysis

2、 the present development situation of 3D printing.【key word】digital design and manufacture;3D printing；application.0 引言數(shù)字化設(shè)計制造是產(chǎn)品設(shè)計制造信息的數(shù)字化，是將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、材料特征、制造特征和功能特征統(tǒng)一起來，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)隊設(shè)計制造所涉及的所有對象和活動進(jìn)行表達(dá)、處理和控制，從而在數(shù)字空間就中完成產(chǎn)品設(shè)計制造的過程，及制造對象，狀態(tài)與過程的數(shù)字化表征、制造信息的可靠獲取以及傳遞，以及不同層面的數(shù)字化模型與仿真。而作為“第三次工業(yè)革命”的前沿代表技術(shù)3D數(shù)字化打印，成功

3、地將虛擬的數(shù)字智能化技術(shù)與實(shí)實(shí)在在的工業(yè)產(chǎn)品橋接在一起。作為快速成形技術(shù)的一種，3D打印以經(jīng)過智能化處理后的3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印、迭加成形的方式來增量構(gòu)造物體的技術(shù)。3D數(shù)字化和3D打印是一對孿生兄弟，相輔相成。3D數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)3D打印的前提和基礎(chǔ)，否則“巧婦難為無米之炊”1；1 數(shù)字化設(shè)計制造的發(fā)展歷程，主要內(nèi)容1）發(fā)展歷程： NC機(jī)床(機(jī)床)的出現(xiàn)CAM處理系統(tǒng)APT(自動編程工具)出現(xiàn)加工中心的的出現(xiàn)CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)軟件的出現(xiàn)FMS()系統(tǒng)的出現(xiàn)CAD/CAM(計算機(jī)輔助設(shè)計/計算機(jī)輔助制造)的融合CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))的

4、出現(xiàn)和應(yīng)用CAD/CAM軟件的空前繁榮。2)主要內(nèi)容 CAD-計算機(jī)輔助設(shè)計、CAE-計算機(jī)輔助工程分析、CAM-計算機(jī)輔助制造、CAPP-、PDM-產(chǎn)品、ERP-企業(yè)資源計劃、RE-逆向工程技術(shù)。2 3D打印的原理及分類、發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 3D 打印技術(shù)被稱為快速成型技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù), 是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬、塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。2012 年4 月，英國經(jīng)濟(jì)學(xué)人刊文認(rèn)為，3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)。美國等發(fā)達(dá)國家高度重視3D 打印技術(shù)，甚至將其提升到國家戰(zhàn)略層面。1）3D打印的原理

5、及分類 3D 打印技術(shù)是以 3D 模型為藍(lán)本，通過軟件將 3D 模型進(jìn)行分層離散化處理，由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、紫外線、熱熔等方式將樹脂、陶瓷粉末、塑料等特殊材料在 X-Y 平面進(jìn)行逐層成型掃描，并在 Z 軸進(jìn)行堆積黏結(jié)，最終疊加成實(shí)體產(chǎn)品。由其定義知，3D 打印屬于加式制造范疇。而傳統(tǒng)制造業(yè)屬于減式制造范疇，即通過模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過程，其特征為利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，3D打印不需要復(fù)雜的工藝，不需要龐大的機(jī)床，不需要眾多的人力，不需要冗長的流水線作業(yè)，直接通過計算機(jī)3D模型數(shù)據(jù)，便可由打印機(jī)生產(chǎn)任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更

6、廣的生產(chǎn)人群范圍延伸23D打印機(jī)打印截面的厚度一般為100mm，即0.1mm，特殊要求的打印機(jī)也可以打印16 mm 的薄層，平面方向則可以打印與日常普通激光打印機(jī)相近的分辨率。3D打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，在彎曲的表面可能會稍有粗糙，稍微打磨即可光滑。在打印一些有倒掛狀的物體時，打印過程中就需要用易于去除的東西作為支撐物。打印物品表面色彩處理可選擇3D 彩色打印機(jī)、噴涂、手繪及有色材料等。3D打印技術(shù)的類型和屬性32) 3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀歷經(jīng)20 多年，3D 打印技術(shù)終于從沉寂到興起，并在許多領(lǐng)域取得新的成果。在產(chǎn)品設(shè)計方面，3D 打印機(jī)的利用始于制造業(yè)的產(chǎn)品試制。正如把3D 打

7、印又稱作“快速成型”一樣，與以往方法相比，3D 打印的最大優(yōu)點(diǎn)是能在短時間內(nèi)完成試制品。在藝術(shù)品方面，3D 印刷能夠創(chuàng)作出許多令人驚嘆的藝術(shù)作品。目前各國藝術(shù)家利用該技術(shù)創(chuàng)作出各種復(fù)雜的中小型雕塑作品或用于原比例縮小后的概念模型展示。在精密零部件方面，由于3D 打印制品能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自然無縫連接，從而達(dá)到傳統(tǒng)制造方法遠(yuǎn)不可即的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度，已成為國外研究空間飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。在家庭裝飾方面，如今家庭裝飾都講求個性與人性化，追求感官愉悅，這就給了3D打印技術(shù)發(fā)揮的空間。歐美現(xiàn)已有多家公司提供利用快速成型設(shè)備制作個性裝飾的服務(wù)。在建筑模型方面，如今眾多設(shè)計機(jī)構(gòu)的大型設(shè)施或場館都利用快速成型先

8、期構(gòu)建精確建筑模型來進(jìn)行效果展示與相關(guān)測試，該類設(shè)備所發(fā)揮的優(yōu)勢和無可比擬的逼真效果為設(shè)計師所認(rèn)同。在醫(yī)療手術(shù)方面，利用3D 打印機(jī)制作的膝關(guān)節(jié)手術(shù)植入體，能很好地與病人原有的組織模擬結(jié)合進(jìn)行手術(shù)。3D 打印技術(shù)的誕生，在手術(shù)前關(guān)節(jié)或牙科導(dǎo)板、人體結(jié)構(gòu)模型等方面發(fā)揮著極大的作用。在人偶玩具方面，只要繪制出動漫效果圖，發(fā)送到制作機(jī)構(gòu)，利用3D 打印機(jī)，數(shù)小時或當(dāng)天就可以在家收到喜歡的人偶手板。在物品復(fù)原方面，在一級方程式賽車（F1）領(lǐng)域，3D 打印機(jī)制作的部件已經(jīng)達(dá)到了直接配備賽車的水平。在比賽中，部件損壞時有發(fā)生，因?yàn)橐笊a(chǎn)速度，所以成型及時的3D 打印機(jī)可謂最佳之選。在珠寶首飾方面，在一種

9、被稱為“熔模鑄造”的工藝?yán)?，技術(shù)人員用3D 打印機(jī)將石蠟“打印”出想要的飾品形狀。在醫(yī)療器械方面，在進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)前，外科醫(yī)生已開始利用3D 打印機(jī)“打印”身體部位以供參考。3D 打印機(jī)也能夠在醫(yī)療設(shè)備或?qū)I(yè)輔助器械的開發(fā)中發(fā)揮特殊材料的專業(yè)用途，例如3D打印拇指4。3D打印的手槍3D打印的汽車模型而我國3D打印還處于起步階段，20世紀(jì)90年代初，我國開始推進(jìn)3D打印機(jī)研發(fā)，在快速成型（Rapid Prototyping,Rp）技術(shù)方面取得了一定成效。華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、北京隆源公司和南京航空航天大學(xué)等單位，于上世紀(jì)90 年代初，率先進(jìn)行3D 打印技術(shù)的研究、開發(fā)、

10、推廣和應(yīng)用。在我國已掌握的3D 打印技術(shù)中，激光接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿足特種零部件的機(jī)械性能要求，有望率先應(yīng)用于航天、航空裝備制造。另外，生物細(xì)胞3D 打印技術(shù)取得顯著進(jìn)展，已可制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)也相繼研發(fā)出多種系列的3D 打印機(jī)，部分技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。2012 年10 月，由亞洲制造業(yè)協(xié)會聯(lián)合華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等權(quán)威科研機(jī)構(gòu)和3D 行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)共同發(fā)起的中國3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式宣告成立。中國3D 打印技術(shù)聯(lián)盟是目前為止全球首家3D 產(chǎn)業(yè)聯(lián)

11、盟，標(biāo)志著中國從事3D打印技術(shù)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)從此改變單打獨(dú)斗的不利局面，有利于盡快建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5。3) 3D打印的發(fā)展趨勢 第一，3D 打印既是制造業(yè)，更是服務(wù)業(yè)。3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈涉及到很多環(huán)節(jié)，包括 3D 打印機(jī)設(shè)備制造商、3D 模型軟件供應(yīng)商、3D 打印機(jī)服務(wù)商和 3D 打印材料的供應(yīng)商。因此圍繞 3D 打印的產(chǎn)業(yè)鏈會產(chǎn)生很多機(jī)會。在 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈里，除了出現(xiàn)大品牌的生產(chǎn)廠商外，也有可能出現(xiàn)基于 3D 打印提供服務(wù)的巨頭。第二，近中期看，與傳統(tǒng)的制造技術(shù)形成互補(bǔ)。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，3D 打印技術(shù)的確是重大的變革，但目前和近中期還不具備推動第三次工業(yè)革命的本領(lǐng)，也不會是傳統(tǒng)制造業(yè)的終

12、結(jié)者。3D 打印技術(shù)雖然也許會重振部分發(fā)達(dá)國家制造業(yè)競爭力，但是短期內(nèi)還難以顛覆整個傳統(tǒng)制造業(yè)模式。理由有三：一是 3D 打印只是新的精密技術(shù)與信息化技術(shù)的融合，相比于機(jī)器化大生產(chǎn)，不是替代關(guān)系，而是平行和互補(bǔ)關(guān)系；二是 3D 打印原材料種類有限，決定了絕大多數(shù)產(chǎn)品打印不出來；三是個性化打印成本極高，很難實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造方式的大批量、低成本制造。目前的 3D 打印技術(shù)在復(fù)雜構(gòu)件、新產(chǎn)品開發(fā)、協(xié)同制造和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意方面較有優(yōu)勢，最理想的應(yīng)用是在個性化或者定制化的領(lǐng)域。因此，近中期還不可能完全替代傳統(tǒng)的制造技術(shù)，應(yīng)該是優(yōu)勢互補(bǔ)。第三，長期來看，3D 打印技術(shù)是典型的顛覆性技術(shù)。哈佛商學(xué)院教授克萊頓

13、3;克里斯坦森提出的顛覆式創(chuàng)新理論（Clayton Christensen's Disruptive Innovation Theory）表明，新進(jìn)入者如果抓住市場的特殊需求，進(jìn)入邊緣應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)它的技術(shù)不斷改進(jìn)直至被主流市場接受時，便會替代傳統(tǒng)技術(shù)軌跡晉升為主流技術(shù)。從長遠(yuǎn)看，這項技術(shù)最終將給工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)組織模式帶來顛覆式的改變6。3 結(jié)語 打印技術(shù)不是對傳統(tǒng)制造技術(shù)的顛覆，而是對傳統(tǒng)制造技術(shù)的提升與完善。利用打印技術(shù)一方面拓寬了設(shè)計研發(fā)人員的設(shè)計思路，另一方面將傳統(tǒng)制造技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的超復(fù)雜零件的加工能輕而易舉的實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1吳懷宇3D打印:智能數(shù)字化j光明日報/2013年/9月/17日/第012 版2李雙雙等3D打印技術(shù)與社會制造j 東方早報/2013 年/4 月/16 日/第