3D打印技术与计算机辅助设计

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　　摘  要：当前信息社会发展中，数据的运用在生产制造行业中有着举足轻重的地位。将设计数据化的完成过程，可依赖于现今较为普遍的计算机辅助设计（CAD）完成，数据化模型表现可以运用3D打印的方法呈现出来。传统的工艺样式和制作方法结合数据模型以及3D打印方法，可实现多样化表现及创作性工作简易化表现完成。可以通过建模复刻的方法将传统物件虚拟3D化建模，利用3D打印技术完成实物复制效果用于展示和商售活動。在现代生产工艺中，3D打印有着举足轻重的地位。随着材料应用的发展，可将文创类的产品结合3D打印的方式制造完成。
　　关键词：计算机辅助设计;3D打印;文创产品;惠山泥人
　　中图分类号：TP391         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0082-02
　　Abstract： In the current development of information society， the use of data plays an important role in the manufacturing industry. The completion process of data-based design can rely on today's more common computer-aided design （CAD）. The data-based model can be presented by 3D printing. The traditional process style and production method combined with data model and 3D printing method can realize diversified performance and simplified performance of creative work. The traditional objects can be virtual 3D modeled by the method of modeling and copying， and the 3D printing technology can be used to complete the physical copy effect for display and commercial activities. In modern production technology， 3D printing plays an important role. With the development of material application， cultural and creative products can be manufactured in combination with 3D printing.
　　Keywords： computer-aided design （CAD）; 3D printing; creative products; Huishan clay figurines
　　1 计算机辅助技术
　　1.1 技术分类
　　信息时代的进步，网络、大数据的发展，以及加快速度的5G时代来临，产品的生产模式在工业4.0的时代发展下，使得计算机的辅助设计软件开发，广泛应用于各种制造（产品）的环节中，包括辅助设计、分析数据、互联制造等。计算机辅助设计的运用过程，即制造（产品）业进入全面数字化、信息化的过程。
　　同时3D 打印技术是基于工业4.0的新型生产制造环境下，一种新兴的快速成形的生产方式。与传统的快速成型中材料减法加工制造方式相反，是一种光固型材料按照产品造型堆积叠加的制造方法，并被广泛应用于目前各种需要快速成型的产品制造中。本文以辅助 3D 打印成形的计算机技术为前引，展望在无锡惠山泥人的可3D打印技术发展与运用。
　　1.2 辅助应用
　　计算机辅助设计（CAD）在生产制造的环节中应用可以将设计人员从传统的手工绘图中做出改变。计算机应用中的设计软件可以协助设计人员完成方案对比分析、图纸设计审查、设计内容存储检索等工作，缩短设计周期的时长，可以提升设计的效率，也利于设计完成后的产品结构分析和生产制造的信息反馈。
　　计算机辅助制造（CAM）的应用可以在制造过程中使用计算机完成控制，使用辅助制造系统可以完成包括生产环境、设备状态监控;物料流转、工艺方法检测;测试检验、人员配备等因素的规划和管理，处理制造过程中产生的问题。
　　计算机辅助工程（CAE）的应用可以在试验中通过计算机上的数字化样机模拟来验证完成，也可以分析计算出产品需要的各种物理特性。可以进行的分析工作范围有结构分析、流体量分析、热能分析、电磁分析、光学分析、声学分析等等，从工程验证中得到的结果来达到辅助优化设计的目的。
　　1.3 应用意义
　　以计算机辅助设计（CAD）的应用为例，部分设计师采用的辅助性设计软件为Rhino。通过软件的建模功能，可以在虚拟3D效果中观察和验证需要建模的产品结构、外形，以及后期渲染配色效果，从而在产品的制造前期就可以视觉化的将需要设计的产品展现给需求者。利用该技术还可以将设计贯穿于整个生产的过程，通过反复的验证结构关系，以及通过3D打印或快速成型技术。帮助设计人员设计方案进行外形优化、人机工程结构验证、选择符合设计要求的最佳方案。在设计的过程中验证产品的质量，有效的缩短了设计完成的周期。利用辅助设计的虚拟实物效果更容易找到，在设计过程中只是依靠图纸无法验证的有效观察问题。可通过实物观测的问题来纠正设计图纸并对最初的方案进行修改，避免产品因在制造过程中发现问题，而带来的重复生产的材料和时间浪费。设计辅助系统也可以在生产的过程进行管理、控制，零部件的加工过程，也可有效的提供技术参数或直接外观比对，减少生产制造过程中因图纸不明确带来的部分阻碍。总之，辅助设计系统的带入，可以有效地促进生产力的发展， 在生产力发展的需求中，可以根据要求开发和组合设计软件之间的协作关系，为增强生产力提供更大的进步空间。比如在传统软件Rhino的开发应用过程中，应对不同生产力的需求，在制造和建造领域也开发出了配套的插件系统。比如适合建模和珠宝首饰的T-spline，适合产品外观或建筑领域应用的Grasshopper，都在设计应用领域中有着极高的价值和地位。当然随着设计需求分类的具体化、多样化的发展，各类软件开发还会针对需求完成不同的插件或建作系统的完善。 　　2 3D打印技术
　　2.1 3D打印技术简介
　　3D打印技术作为近年开发应用的新型制造技术，发展时间虽然短，但是随着硬件及软件的发展，在制造行业中有着不容忽视的地位。可以理解为3D打印是一个制造的设备系统，通过计算机内导入数字、数据分析后建立模型，设计完成的模型转化成数据坐标程序。然后通过打印的方式将光固型材料按照数字模型打印成实物模型。当前的打印方式随着发展有材料逐层打印、液态打印等。随着打印可选材料的多样化发展，打印出的物品在物理性能以及外观上都可以达到使用需求，不再是单一只能提供参考的模型样品，也可以进行小批量化的产品。同时通过3D打印技术的应用，可以完成常规生产制作过程中无法完成或制作工艺非常复杂的繁琐的物件制造。极大地满足了设计者的设计需要，为设计可行化提供可靠的生产方式。
　　2.2 3D打印技术的特点
　　可按照特定条件下完成生产制造。根据不同的需求，完成定制化产品。例如：在医疗行业当中运用骨头的打印技术，可以制作出与患者自身的骨头完美结合的替代结构，用来替代坏死的部分;同时开发的用于医疗需求的打印材料技术，也可以有效的承担起相应物理替代功能需求。
　　3D打印技术具有一定的时间可控性。传统工业制造，在完成模型制作后，都要开发生产的模具，而3D打印技术可以减免模具的制作周期时间，通过快速的对物品进行打印，也可以在一定程度上替代传统工业制造方式，在急需产品协调时间内快速完成生产制作。
　　替代传统工业模具，有效降低生产成本。3D打印技术的制造过程，决定了此技术可以不用开发模具生产产品的过程，从而节约一定的生产成本，有利于在产品体验市场前期，小批量化、快速化投入到市场中，产生经济效益。
　　具有可协调工作的物联概念协作空间。3D打印技术依托于数据的传输在设备中进行执行过程。建立有效的3D打印设备平台，可以通过互聯网控制，架构出一个物联网生产平台，对于生产资源调度有着不容忽视的空间发展作用。
　　2.3 3D打印技术在惠山泥人制造中的运用
　　无锡惠山泥人的传统制作工艺分为：模印泥人与手捏泥人。模印泥人多为批量化生产，而手捏泥人造型生动、活泼，衣纹流畅而富于装饰性，着重于手工艺者的经验与技巧。
　　当前3D打印技术在传统手工艺领域中的应用从材料上分析，类似陶瓷制品需求，3D打印可使用泥浆作为基材，按照设计的路径，采用线性堆叠的方式，可完成繁复结构的陶瓷泥胚制作，但是需要在烧结前处理多余的部分。在建筑领域中，3D打印技术同样也在使用新型混凝土泥浆类材料打印出房屋。以此可以推论出，无锡惠山泥人的制作方式在材料的运用中也可以采用3D的打印方式。
　　传统工艺要将制作用的石膏模在一定的阴暗环境下保存，每次使用时要小心翼翼，石膏是易碎品容易破裂。石膏模具也有一定的使用寿命，如果使用前后的保养工作不当，会减少模具的使用次数。日后再生产还要从模具开始制造。而3D泥浆打印的技术运用，结合模印泥人的需求点，可以快速成型所需泥胚，按需打印，不会增加传统工艺中模具养护工序，也不会因像传统工艺中模具损毁带来生产不便。对于手捏泥人的成品，多为工艺品，是手工艺大师的即兴即时的制作品，复刻难度较大，不便于批量化制作，而3D打印技术结合三维扫描技术，可以将工艺大师的作品数据化后，通过3D打印完成复刻，扩大工艺品的商用价值。
　　3 结束语
　　计算机辅助技术的应用可以有效的帮助生产制作的各个环节顺利、效率化完成。而3D打印技术的开发，也开始了新的制造领域的研究与应用。基于互联化、物联化的生产发展需求，3D打印技术可以假设出新的生产链条，有效的生产化系统有利于新型设计方案的快速产品化。对于传统工艺中的产品，也可以通过3D打印技术来扩大较难复刻工艺品的商用价值和量产化需求。
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