直覺式設(shè)計平臺加速3D打印過程

供稿/上海湃睿信息科技有限公司

全球正在出現(xiàn)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。而在這一浪潮中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的領(lǐng)域和業(yè)態(tài)。這個新型的產(chǎn)業(yè)鏈將使制造業(yè)不再僅僅是硬件制造的概念，而將更多地融入軟件技術(shù)、自動化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與新的服務(wù)模式。這個過程，美國叫工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，德國叫工業(yè)4.0，而中國則稱為中國制造2025。

“中國制造2025”將作為中國制造業(yè)未來10年設(shè)計頂層規(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)化智能化制造為主線。中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型需要跨界與平臺思維，再到工業(yè)4.0制造與服務(wù)，中國工業(yè)4.0可拓展的空間實際上非常大。而要把“智能制造”作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要突破口和抓手，軟件是主要的核心。

3D打印助力中國制造2025

近幾年間，國內(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“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中，3D打印也被列為關(guān)鍵技術(shù)之一，將為中國制造業(yè)注入新動能。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，從增材制造到增材和切削加工集成，從單一材料到多種材料。為產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新開辟了廣闊的空間，設(shè)計師可以專注于產(chǎn)品的功能和性能的開發(fā)，無需考慮如何去制造。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年國內(nèi)3D打印市場規(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?，其中包括航空航天、汽車、醫(yī)療以及模具等領(lǐng)域。相對于傳統(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，將在產(chǎn)品設(shè)計及制造環(huán)節(jié)帶來新的創(chuàng)新，為國內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供助力。

其中在原型制作方面，3D打印能夠快速實現(xiàn)原型制作，從而大大縮短研發(fā)及驗證時間，使得企業(yè)能夠快速生產(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，之前很多想法無法實現(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現(xiàn)并制造出來。未來隨著技術(shù)不斷突破，3D打印將在高科技、國防等諸多領(lǐng)域取得更加廣泛的空間。

Pidex提供的3D建模和3D打印解決方案，使得企業(yè)不用再購買昂貴的軟件，或者依賴CAD工程師進行反復(fù)調(diào)整，直覺式的界面和強大的功能，使得Pidex用戶可以很方便的操作模型，加速他們快速原型制作和增材制造的過程。湃?？萍紝⒊掷m(xù)關(guān)注3D打印領(lǐng)域，開發(fā)出更多滿足客戶需求的產(chǎn)品。另一方面，湃?？萍家矊娀c設(shè)備商的合作，從而提供更加高效、易用同時具有性價比的產(chǎn)品。”

打破3D設(shè)計與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)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(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。僅僅有了3D模型并不能保證一定打印成功，因為打印工程師還有很多工作需要做才能保證打印成功：進行幾何模型可打印性分析，包括檢查最小的壁厚，去除細小特征，連接性檢查，支撐的添加；導(dǎo)入數(shù)據(jù)如STL模型的清理和檢查，避免自相交，保證模型封閉；對STL模型的分割，以減少打印件的尺寸或是需要分色打印，還需要設(shè)計拼接的搭扣；還有些零件需要進行輕量化處理變成中空，以減少材料消耗，縮短打印的時間，同時還得保證強度。

通常，3D打印工程師不得不反復(fù)和產(chǎn)品設(shè)計師溝通并傳遞模型，編輯和修復(fù)模型以保證打印的成功。這導(dǎo)致整個過程的冗長和緩慢，使得由設(shè)計到快速原型制作和增材制造的過程變得困難，延后了制造的時間。

面向增材制造的設(shè)計

以3D打印為典型代表的增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，極大的擴展了可制造工藝性，即使是模型最復(fù)雜的產(chǎn)品也能通過3D打印制造出來，這無疑極大釋放了設(shè)計潛能。尤其是在航空、航天軍工等重量敏感的領(lǐng)域，設(shè)計人員可以只專注于產(chǎn)品本身，可以設(shè)計任何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，而不需要考慮制造工藝的局限。設(shè)計師借助于專業(yè)仿真分析軟件的拓撲優(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)的且具備輕量化特點的模型。但是分析軟件生成的優(yōu)化模型通常是STL的小面片模型，還需要光順處理以及調(diào)整才能進行3D打印，這也對設(shè)計師提出的新的挑戰(zhàn)。

在3D打印過程中，從產(chǎn)品設(shè)計到3D打印需要用到不同的軟件及數(shù)據(jù)，從而使得打印過程低效甚至?xí)霈F(xiàn)錯誤。在產(chǎn)品設(shè)計階段主要采用CAD軟件進行建模，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，采用切片軟件進行優(yōu)化打印。然而，CAD軟件建模能力強，3D打印模型準(zhǔn)備能力弱。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直覺式設(shè)計平臺，致力于打破二者之間的銜接鴻溝，使得打印過程更加高效。

Pidex直覺式設(shè)計平臺由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和強大的設(shè)計平臺。Pidex采用直接建模與參數(shù)化相結(jié)合，直接建模為基礎(chǔ)，輔以參數(shù)化建模?？梢允谷魏稳藙?chuàng)建、編輯或修復(fù)幾何模型而無需擔(dān)心數(shù)據(jù)來源。另外，Pidex還能夠?qū)?D打印所需要的工藝補充進行處理，例如壁厚檢查、晶格設(shè)計等。因此，采用Pidex會讓使用3D設(shè)計變得快捷、容易、柔性和有價值。

打印前的分析、清理和修補

不同于其他的3D打印軟件，Pidex獨一無二的混合模型，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，可以通過新的幾何模型增加、移除和改善小面片模型。

圖1

對導(dǎo)入的STL模型，可直接進行分析和清理，發(fā)現(xiàn)和即刻修復(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)致打印失敗的問題。

圖2 STL模型的檢查

用戶使用彈性的關(guān)鍵是能否直接在STL模型上進行操作，3D打印模塊允許用戶去除細小的特征、填縫隙、光順；分割STL模型用于多材料的打印，賦予不同的顏色；進行布爾運算，融合STL與STL模型或?qū)嶓w；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)整過薄的壁厚以便優(yōu)化打印。

圖3 STL模型分割

輕量化處理

輕量化設(shè)計也是打印流程中很關(guān)鍵的步驟。對于快速原型制造，更少的材料意味著更少的打印成本，更少的運輸成本和更快的打印時間。Pidex提供多達11種2D和3D的晶格類型，設(shè)計師可以根據(jù)需求方便的定義晶格抽殼的形式和尺寸，從而達到輕量化的目的。

圖4

面向增材制造的拓撲優(yōu)化建模

專業(yè)分析軟件（如Ansys）的拓撲優(yōu)化技術(shù)允許用戶指定材料體積上的支撐點和載荷點位置，設(shè)置邊界條件并讓軟件找出最佳形狀。這種優(yōu)化結(jié)果模型往往都是STL模型，可以導(dǎo)入Pidex中進行結(jié)構(gòu)的調(diào)整和光順，例如指定精確的孔位，指定參考的傳統(tǒng)模型，利用Pidex的收縮包絡(luò)功能，可以快速進行擬合，得到所需的光順模型，再根據(jù)設(shè)計需要調(diào)整后就可以進行3D打印。

圖5

Pidex的直覺式操作界面允許用戶比原來更快更有效的創(chuàng)建、編輯3D概念設(shè)計，為3D打印準(zhǔn)備3D模型，它不僅能高效和易用的修補模型，同時還能修改STL和CAD模型以調(diào)整創(chuàng)意。Pidex的3D打印模塊也把直覺式的界面、快捷和互操作性擴展到了3D打印領(lǐng)域。