直覺(jué)式設(shè)計(jì)平臺(tái)加速3D打印過(guò)程

袁濤

全球正掀起以信息網(wǎng)絡(luò)、智能制造為代表的新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮，在這一浪潮中，傳統(tǒng)行業(yè)界限將消失，并產(chǎn)生各種新的領(lǐng)域和業(yè)態(tài)。新的產(chǎn)業(yè)鏈將使制造業(yè)不再僅是硬件產(chǎn)品制造的概念，而將更多地融入軟件技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與新的服務(wù)模式。這個(gè)過(guò)程，美國(guó)稱為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，德國(guó)稱為“工業(yè)4.0”，而中國(guó)則稱為“中國(guó)制造2025”。

《中國(guó)制造2025》將作為中國(guó)制造業(yè)未來(lái)10年的頂層規(guī)劃和路線圖，以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化制造為主線。中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型需要跨界與平臺(tái)思維，結(jié)合工業(yè)4.0時(shí)代的制造與服務(wù)模式，中國(guó)制造業(yè)可拓展的空間實(shí)際上非常大。中國(guó)要把“智能制造”作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要突破口和抓手，軟件是重要核心。

一、3D打印助力中國(guó)制造2025

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷拓展。在“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃中，3D打印也被列為關(guān)鍵技術(shù)之一，將為中國(guó)制造業(yè)注入新的動(dòng)能。3D打印作為智能制造的主要支撐技術(shù)，已經(jīng)從快速原型制作發(fā)展到金屬零件制造，從增材制造到增材、切削加工相互集成，從單一材料到多種材料。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新開(kāi)辟了廣闊的空間，設(shè)計(jì)師可以專注于產(chǎn)品的功能和性能開(kāi)發(fā)，無(wú)需考慮如何去制造的問(wèn)題。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年國(guó)內(nèi)3D打印市場(chǎng)規(guī)模將突破100億美元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩酵卣梗渲邪ê娇蘸教?、汽車、醫(yī)療和模具等領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)減材加工方式，3D打印為制造業(yè)提供了新的選擇和路徑，將為產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造環(huán)節(jié)帶來(lái)創(chuàng)新，為國(guó)內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供助力。

在原型制作方面，3D打印能快速實(shí)現(xiàn)原型制作，從而大大縮短研發(fā)及驗(yàn)證時(shí)間。使企業(yè)能快速產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品。另一方面，在制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由于受限于傳統(tǒng)加工工藝限制，之前很多想法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。有了3D打印技術(shù)之后，人們的想法及創(chuàng)意能夠更加容易地實(shí)現(xiàn)并制造出來(lái)。隨著技術(shù)不斷突破，3D打印將在高科技和國(guó)防等諸多領(lǐng)域獲得更加廣泛的空間。湃睿科技的Pidex提供的3D建模和3D打印解決方案，使得企業(yè)不用再購(gòu)買昂貴的軟件，或者依賴CAD工程師進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直覺(jué)式的界面和強(qiáng)大的功能，使得Pidex用戶可以很方便地操作模型，加速企業(yè)的快速原型制作和增材制造過(guò)程。

二、打破3D設(shè)計(jì)與3D打印之間的界限

我們都知道，3D打印是一種以數(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(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。其中，模型數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化是3D打印的前提條件。僅有3D模型不能保證打印一定成功，工程師有很多工作需要完成：進(jìn)行幾何模型可打印性分析，包括檢查最小的壁厚，去除細(xì)小特征，連接性檢查，添加支撐；導(dǎo)入STL模型的清理和檢查，避免自相交，保證模型封閉；對(duì)STL模型的分割，以減少打印件尺寸，或滿足分色打印的要求，還需要設(shè)計(jì)拼接的搭扣；有些零件需要進(jìn)行輕量化處理，以減少材料消耗，縮短打印時(shí)間，同時(shí)還要保證強(qiáng)度。

通常，3D打印工程師不得不反復(fù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師溝通并傳遞模型，編輯和修復(fù)模型以保證打印成功。這導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程冗長(zhǎng)而緩慢，使得從設(shè)計(jì)到快速原型制作、增材制造的過(guò)程變得更加困難，拖長(zhǎng)了制造周期。

三、面向增材制造的設(shè)計(jì)

以3D打印為代表的增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)展了可制造工藝性，即使最復(fù)雜的產(chǎn)品也能通過(guò)3D打印制造出來(lái)，這無(wú)疑極大釋放了設(shè)計(jì)潛能，尤其是在航空、航天和軍工等對(duì)產(chǎn)品重量比較敏感的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員可以只專注于產(chǎn)品本身，可以設(shè)計(jì)任何結(jié)構(gòu)，而不需要考慮制造工藝的局限性。設(shè)計(jì)師借助于專業(yè)仿真分析軟件的拓?fù)鋬?yōu)化功能，輸入給定載荷與工況，就可以得到滿足性能要求的最優(yōu)且輕量化的模型。但是分析軟件生成的優(yōu)化模型通常是STL小面片模型，需要光順處理和調(diào)整才能進(jìn)行3D打印，這也對(duì)設(shè)計(jì)師提出了新的挑戰(zhàn)。

在3D打印過(guò)程中，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到3D打印需要用到不同的軟件及數(shù)據(jù)，從而使得打印過(guò)程低效甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，主要采用CAD軟件進(jìn)行建模，并轉(zhuǎn)化成STL文件輸出至3D打印設(shè)備。3D打印設(shè)備接收到STL文件之后，采用切片軟件進(jìn)行優(yōu)化打印。然而，CAD軟件建模能力雖強(qiáng)，3D打印模型的準(zhǔn)備能力卻弱。相反，3D打印編程軟件可切片生成軌跡，但3D建模能力弱，模型數(shù)據(jù)修改具有局限性。為此，湃?？萍纪瞥隽薖idex直覺(jué)式設(shè)計(jì)平臺(tái)，致力于打破二者之間的銜接鴻溝，使得打印過(guò)程更加高效。

Pidex直覺(jué)式設(shè)計(jì)平臺(tái)由ANSYS SpaceClaim和PISX公司共同打造，是一款可以由任何工程師使用的易用、強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)。Pidex以直接建模為基礎(chǔ)，輔以參數(shù)化建模，可以創(chuàng)建、編輯或修復(fù)幾何模型而無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)來(lái)源。另外，Pidex還能夠針對(duì)3D打印的工藝特點(diǎn)進(jìn)行后期處理，例如，壁厚檢查和晶格設(shè)計(jì)等。因此，采用Pidex會(huì)讓3D設(shè)計(jì)變得快捷、容易、柔性且更有價(jià)值。

四、打印前的分析、清理和修補(bǔ)

不同于其他的3D打印軟件，Pidex獨(dú)一無(wú)二的混合模型，可以在同一環(huán)境中處理CAD模型和小面片模型，提供完整的工具用于模型編輯和創(chuàng)建，可以建立新的幾何特征，用以增加、移除和改善小面片模型。如圖1所示。

對(duì)導(dǎo)入的STL模型，可直接進(jìn)行分析和清理，發(fā)現(xiàn)和修復(fù)這些缺陷，包括不一致的面法向方向、面片自相交、模型不封閉以及其他可能導(dǎo)致打印失敗的問(wèn)題。如圖2所示。

用戶使用Pidex的關(guān)鍵好處是能直接在STL模型上進(jìn)行操作，軟件的3D打印模塊允許用戶：去除細(xì)小的特征、填縫隙和光順；分割STL模型用于多材料的打印，并賦予不同的顏色；進(jìn)行布爾運(yùn)算，融合STL模型或?qū)嶓w；進(jìn)行可打印性分析：壁厚、支撐檢查等；創(chuàng)建連接結(jié)構(gòu)以便后續(xù)零件拼接，添加支撐結(jié)構(gòu)等；重新構(gòu)建零件，將特征安排到更好的位置，調(diào)整過(guò)薄的壁厚以便優(yōu)化打印。如圖3所示。

五、輕量化處理

輕量化設(shè)計(jì)是打印流程中很關(guān)鍵的步驟。對(duì)于快速原型工藝，更少的材料意味著更低的打印成本、運(yùn)輸成本和更快的打印時(shí)間。Pidex提供多達(dá)11種2D和3D晶格類型，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需求，方便地定義晶格抽殼的形式和尺寸，從而達(dá)到輕量化的目的。如圖4所示。

六、面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化建模

專業(yè)分析軟件（如ANSYS）的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)允許用戶指定材料體積上的支撐點(diǎn)和載荷點(diǎn)位置，設(shè)置邊界條件，最終讓軟件計(jì)算得出最佳形狀。這種優(yōu)化結(jié)果模型往往都是STL模型，可以導(dǎo)入Pidex中進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整和光順，指定精確的孔位，指定參考的傳統(tǒng)模型，利用Pidex的收縮包絡(luò)功能，可以快速進(jìn)行擬合，得到所需的光順模型，再根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行調(diào)整，最終進(jìn)行3D打印。如圖5所示。

Pidex的直覺(jué)式操作界面允許用戶比原來(lái)更快、更有效地創(chuàng)建、編輯3D概念模型，并準(zhǔn)備用于3D打印的模型。它不僅能高效和方便地修補(bǔ)模型，還能自如修改STL和CAD模型以調(diào)整設(shè)計(jì)方案。Pidex軟件的3D打印模塊更把直覺(jué)式軟件操作界面、怏捷交互等特性擴(kuò)展到了3D打印領(lǐng)域。

智能制造全媒體平臺(tái)，旗下《智能制造》雜志、智造網(wǎng)、淘設(shè)計(jì)網(wǎng)相機(jī)工智造微信公眾號(hào)、智造微博等微媒平臺(tái)，同時(shí)依托機(jī)械工業(yè)出版社背景，策劃編輯、出版智造領(lǐng)域的專業(yè)圖書(shū)和論文集。

智能制造全媒體平臺(tái)面向設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)制造、工程管理等環(huán)節(jié)的技術(shù)人群，長(zhǎng)期報(bào)道“新常態(tài)智造環(huán)境”下的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、集成化、敏捷化、綠色化和服務(wù)化的技術(shù)、產(chǎn)品。