工業(yè)設(shè)計(jì)中快速成型技術(shù)的應(yīng)用

1、.工業(yè)設(shè)計(jì)中快速成型技術(shù)的應(yīng)用-設(shè)計(jì)論文工業(yè)設(shè)計(jì)中快速成型技術(shù)的應(yīng)用 廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院冉蓓張廣潮摘要：工業(yè)設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為核心的，藝術(shù)與技術(shù)相統(tǒng)一的學(xué)科。模型制作是產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程當(dāng)中，“設(shè)計(jì)創(chuàng)意產(chǎn)品化”的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，也是對設(shè)計(jì)創(chuàng)意合理性反復(fù)試驗(yàn)、論證和完善的過程。工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的近百年中，產(chǎn)品原型機(jī)的制作工藝也隨著大時(shí)代技術(shù)的發(fā)展而不斷革新。當(dāng)代產(chǎn)品原型機(jī)制作的工藝不在僅僅局限于包豪斯時(shí)期的技術(shù)方法，以CNC數(shù)控機(jī)床和3D打印機(jī)為代表的快速成型技術(shù)被廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)品原型機(jī)快速成型技術(shù)CNC數(shù)控機(jī)床3D打印機(jī)中圖分類號：J506文獻(xiàn)標(biāo)識碼：J文章編號：1003-00

2、69(2015)07-0145-04工業(yè)設(shè)計(jì)(lndustrie Design)，它是一門以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為核心的，融合了科技、文化、藝術(shù)與經(jīng)濟(jì)等多領(lǐng)域的綜合學(xué)科。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，模型制作是產(chǎn)品原型試制與實(shí)驗(yàn)的過程。人們在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，最可靠的方法是對事物進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)。在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中也不例外，采用一種模型代替原型的方法對設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)和論證，使最終的設(shè)計(jì)結(jié)果更加完善。1模型制作在世界工業(yè)設(shè)計(jì)史中的發(fā)展及意義：1.1德國包豪斯學(xué)校倡導(dǎo)技術(shù)與藝術(shù)的新統(tǒng)一包豪斯學(xué)校對于世界現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的影響是巨大的，其教學(xué)體系成為當(dāng)今世界工業(yè)設(shè)計(jì)教育的基礎(chǔ)。包豪斯的歷程其實(shí)就是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法誕生的歷程，也是在藝

3、術(shù)和機(jī)械技術(shù)這兩個(gè)相去甚遠(yuǎn)的門類間搭建了橋梁的歷程；包豪斯將“設(shè)計(jì)意圖”融入到了手工產(chǎn)品當(dāng)中，將產(chǎn)品造型語言的手工制造與實(shí)驗(yàn)定義到了設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，這也正是當(dāng)代工業(yè)設(shè)計(jì)方法中，產(chǎn)品原型制作與實(shí)驗(yàn)的早期雛形。包豪斯倡導(dǎo)藝術(shù)與技術(shù)的新統(tǒng)一，它主張?jiān)O(shè)計(jì)師不僅僅要有藝術(shù)素養(yǎng)，還要有對材料、結(jié)構(gòu)、工藝的理解。1.2注重設(shè)計(jì)制作實(shí)踐能力的培養(yǎng)包豪斯的課程設(shè)置主要分為三個(gè)階段。第一階段是預(yù)科階段，由設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程，造型課和材料課組成。第二階段進(jìn)入到工作坊學(xué)習(xí)階段，有若干不同的工作坊可供學(xué)生選擇，金屬工作坊，木材工作坊，玻璃工作坊等。在這個(gè)階段，學(xué)生們在不同的工作坊里和各種基礎(chǔ)材料近距離接觸，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，了解

4、材料的屬性，及其應(yīng)用于實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)的重要規(guī)則。在工作坊里沒有所謂的“教授”，只有“形態(tài)師傅”，他們精通各種材料的手工制作，在學(xué)生的制作實(shí)踐中去幫助他們提高對基礎(chǔ)材料和造型的認(rèn)識。在歷時(shí)三年的學(xué)習(xí)后，經(jīng)過考核合格后，學(xué)生們進(jìn)入到第三階段的學(xué)習(xí)。第三階段的學(xué)習(xí)為更加深入的專業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)階段，教師們由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的建筑師、設(shè)計(jì)師組成。德國包豪斯學(xué)校創(chuàng)立的技術(shù)與藝術(shù)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模式影響深遠(yuǎn)，包豪斯學(xué)校的教學(xué)模式一直被沿用至今，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)教育體系基本保留了包豪斯的課程設(shè)置和課程理念?！?快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，PR)在產(chǎn)品模型制作中的應(yīng)用：快速成型(RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代開始發(fā)

5、展起來的一種高新制造技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品原型制作的工具不再局限于100年前包豪斯時(shí)代的手工工具。CNC數(shù)控機(jī)床，3D打印機(jī)等現(xiàn)代化模型制作設(shè)備的出現(xiàn)，對模型制作方法的發(fā)展帶來了積極的影響，使模型的制作更加快速，更加精準(zhǔn)。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意，利用快速成型技術(shù)，在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中制作產(chǎn)品原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和論證，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)師必備的能力。RP技術(shù)較傳統(tǒng)的模型制作有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：(1)可以通過RP技術(shù)術(shù)快速地生成可以看得見，摸得著的實(shí)體模型，便于設(shè)計(jì)階段的及時(shí)評估。(2)對于那些不能批量生產(chǎn)的零件，利用RP技術(shù)生產(chǎn)節(jié)約了材料和縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)的成本。(3)模具加工，用快速成形法可以制造塑料

6、模以取代傳統(tǒng)木制仿形模，也可以生產(chǎn)精密讀高的鑄造用蠟?zāi)！?4)利用RP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的自由制造，適用于創(chuàng)新創(chuàng)意類產(chǎn)品的研發(fā)階段，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化創(chuàng)造條件。2.1快速成型技術(shù)制作產(chǎn)品模型的原理和流程快速成型技術(shù)核心是由三維設(shè)計(jì)模型直接通過計(jì)算機(jī)軟件驅(qū)動快速成型?；陔x散、堆積成形原理，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的產(chǎn)品立體數(shù)據(jù)，經(jīng)電腦分層離散處理后，把原來的三維數(shù)據(jù)變成二維平面數(shù)據(jù)，按設(shè)定的成形方法，將成形材料逐層加工，迅速、自動地物化成為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的三維實(shí)體模型或零件。設(shè)計(jì)師在應(yīng)用快速成型技術(shù)制作模型時(shí)，(1)首先要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行模型搭建，例如：Rhin0 3D造型軟件，設(shè)

7、計(jì)師在三維軟件中獲得了比設(shè)計(jì)創(chuàng)意二維軟件呈現(xiàn)更清晰的空間造型感，并且設(shè)計(jì)師可以在三維軟件中對外觀造型進(jìn)行反復(fù)修改。設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)點(diǎn)就是具有很強(qiáng)大的曲面功能，能夠輔助設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)意表現(xiàn)；缺點(diǎn)就是由于三維設(shè)計(jì)軟件不具備實(shí)體概念，因此如果將三維設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床加工往往會出現(xiàn)模型質(zhì)量問題。(2)設(shè)計(jì)師在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意三維設(shè)計(jì)軟件表達(dá)后，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工程軟件中，例如Solidworks，PRO/E，UG，Mastercam等，進(jìn)行產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)的修正。(3)將修正過的模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)輸入到快速成型設(shè)備中進(jìn)行加工。目前，工業(yè)設(shè)計(jì)模型制作主要使用的快速成型

8、設(shè)備是數(shù)控機(jī)床和3D打印機(jī)。2.2 CNC數(shù)控機(jī)床制作產(chǎn)品原型CNC數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床(Computer numerical control)的簡稱，是一種由程序控制的自動化機(jī)床。主要通過數(shù)字化信息控制刀具和毛坯的相互運(yùn)動，從毛坯上切除多余材料（即余量），從而獲得一定形狀和精度的零件。數(shù)控機(jī)床是由普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，能加工復(fù)雜異形零件具有良好的柔性、高精度和可靠的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)控機(jī)床上加工時(shí)，首先根據(jù)圖紙分析零件的結(jié)構(gòu)外形，編制合理正確的程序，編程的代碼和指令格式需符合相應(yīng)的ISO及國家標(biāo)準(zhǔn)。然后通過DNC或者信息載體（如U盤）將所編制的程序輸入到數(shù)控機(jī)床中。再由數(shù)控系統(tǒng)

9、根據(jù)不同程序內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)的指令，由伺服系統(tǒng)中的電動機(jī)通過傳動裝置控制機(jī)床工作臺的運(yùn)動和速度，同時(shí)還控制機(jī)床的其他輔助運(yùn)動，如主軸啟動、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速設(shè)定，冷卻液啟停等。最終根據(jù)指令，使機(jī)床執(zhí)行規(guī)定好了的動作，通過刀具切削毛坯多余部分，從而加工出所需的零部件。如圖1： 數(shù)控機(jī)床種類很多，按工藝用途可分為：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控沖床、數(shù)控液壓機(jī)等各種用途的數(shù)控機(jī)床。在設(shè)備的選擇上，主要根據(jù)不同零件的形狀、精度，從而選擇符合加工要求的設(shè)備。如數(shù)控車床的主運(yùn)動為工件旋轉(zhuǎn)，更適合加工軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件；數(shù)控銑床、加工中心可加工復(fù)雜的

10、三維零件。產(chǎn)品原型數(shù)控加工的步驟通常如下，首先運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件對所要設(shè)計(jì)的模型及各部分零件進(jìn)行建模。完成建模后，將其以IGS的格式存檔，導(dǎo)入至可編制刀具路徑的軟件中，例如Mastercam、PROE、UG等。在編程軟件中，對所有模型零件的IGS文件進(jìn)行優(yōu)化處理。然后對加工的模型零件進(jìn)行技術(shù)分析，確定機(jī)床的選擇、裝夾的方式、毛坯的尺寸及加工工藝等。根據(jù)模型零件所選用的材料，從而確定刀具的型號、切削參數(shù)及合理的刀具路徑。一般編制刀具路徑時(shí)，主要分為粗加工和精加工。粗加工是以最高效率去切除毛坯余量，應(yīng)設(shè)置盡量大的切削深度和進(jìn)給量，以便在最少的時(shí)間內(nèi)切除更多的切屑。由于粗加工的切削量較大，從而會產(chǎn)生較

11、大的震動，所以必須預(yù)留足夠余量。精加工是對粗加工后剩余的余量進(jìn)行切削處理，主要提高主軸轉(zhuǎn)速，降低進(jìn)給量和吃刀量，以保證最終的尺寸和表面粗糙度。刀具路徑編制完成后，通過后處理方式，將刀路轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床識別的NC程序文件，然后使用信息載體或者DNC直接傳輸至數(shù)控機(jī)床。最后在數(shù)控機(jī)床上對裝夾好的毛坯進(jìn)行工件坐標(biāo)系的建立后，便可進(jìn)行自動化的加工。數(shù)控機(jī)床制作產(chǎn)品模型案例：自行車頭盔設(shè)計(jì)（圖2） 將設(shè)計(jì)創(chuàng)意在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行建模（圖3） 數(shù)控機(jī)床加工完成的模型零部件，進(jìn)行后期精細(xì)打磨噴漆（圖4） 將精細(xì)打磨噴漆處理后的模型零部件進(jìn)行組裝，模型制作完成。2.3.3D打印機(jī)制作產(chǎn)品原型2.3.1. 3D打

12、印機(jī)運(yùn)行原理3D打印機(jī)制作產(chǎn)品原型，是一種累積制造技術(shù)，也是快速成型技術(shù)的一種。軟件通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，運(yùn)用特殊可黏合材料，通過打印一層層的黏合材料來三維數(shù)據(jù)進(jìn)行物化。3D打印快速成型技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新的制模技術(shù)，它涉及、技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、材料技術(shù)、技術(shù)、測試傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等，是各種高技術(shù)的綜合應(yīng)用。由于三維打印快速成型技術(shù)的突出優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，已成為工業(yè)設(shè)計(jì)模型制作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。3D打印機(jī)堆疊薄層的形式有多種多樣。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料，堆疊薄

13、層的形式有多種多樣，可用于打印的介質(zhì)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)。3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命，以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的出現(xiàn)，將會顛覆這一生產(chǎn)思路，這使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時(shí)候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。2.3.2.3D打印機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)勢當(dāng)今市場產(chǎn)品更新非?？欤a(chǎn)廠商都在盡量壓縮新品研發(fā)周期，因此在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段應(yīng)用3D打印機(jī)可以大大縮短研發(fā)周期。在一項(xiàng)相關(guān)調(diào)查中，170尼的被調(diào)查產(chǎn)品，其原型制作消耗相當(dāng)長的時(shí)間，是縮短上市時(shí)間的最大障礙。原型測試階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用產(chǎn)品原型進(jìn)行性能測試和嚴(yán)

14、格的工程評估，及早反饋設(shè)計(jì)缺陷，從而盡可能規(guī)避產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。采用3D打印技術(shù)可大大縮短產(chǎn)品原型的制作時(shí)間。2.3.3.3D打印機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程3D打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的過程是：首先通過計(jì)算機(jī)軟件對產(chǎn)品創(chuàng)意進(jìn)行三維建模，從而獲得目標(biāo)原型的概念，并以此建立數(shù)字化描述的模型。之后經(jīng)過圖形修補(bǔ)軟件對數(shù)字模型進(jìn)行一定的修補(bǔ)，將三維虛擬實(shí)體表面轉(zhuǎn)換為用一系列三角面片逼近的表面，生成面片文件如STL.文件等，然后根據(jù)不同的快速成型工藝對文件進(jìn)行處理，對層片文件進(jìn)行檢驗(yàn)或修正，最后通過3D打印快速成型機(jī)控制材料有規(guī)律地、精確地疊加起來堆積而成一個(gè)三維實(shí)體制件，從而完成模型的快速成型制作。3D打印機(jī)加工完成模型所有零部件后，還要對零部件進(jìn)行后期的手工精細(xì)打磨、噴漆，最后將所有零部件參照設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行裝配，模型就制作完畢了。相較于CNC數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品模型，3D打印機(jī)加工的模型在表面精度和加工時(shí)間上都具有明顯優(yōu)勢。3D打印機(jī)的產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性以及幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí)更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)制模方法無法比擬的。3D打印機(jī)制作產(chǎn)品模型案例：海釣釣魚稱（圖5） 將設(shè)計(jì)創(chuàng)意在三維軟件中轉(zhuǎn)化為模型數(shù)據(jù)。（圖6） 將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)