Solidworks軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用研究①

康瑋明

(撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧撫順 113122)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以工業(yè)生產(chǎn)為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)發(fā)展到全新的模式，工業(yè)生產(chǎn)的更新?lián)Q代速度也前所未有，因此，在工業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要結(jié)合市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求進(jìn)行及時(shí)化的設(shè)計(jì)，只有進(jìn)行全面及時(shí)的設(shè)計(jì)才能夠在廣大的市場(chǎng)發(fā)展中占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，核心的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力也是促進(jìn)企業(yè)發(fā)展，技術(shù)提升和市場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的重要保障，因此對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須以較快的設(shè)計(jì)周期來(lái)增強(qiáng)在市場(chǎng)環(huán)境的主動(dòng)權(quán)。目前，3D打印技術(shù)是一種行之有效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，能夠在較短的實(shí)踐周期內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，從而保障產(chǎn)品能夠快速推入市場(chǎng)，促進(jìn)企業(yè)在經(jīng)濟(jì)環(huán)境下不斷發(fā)展，在進(jìn)行3D打印的過(guò)程中，SolidWorks作為一種設(shè)計(jì)軟件能夠發(fā)揮重要的作用，不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化作業(yè)，還能夠促進(jìn)產(chǎn)品的精細(xì)化生產(chǎn)和適時(shí)化修改，能夠從很大程度上節(jié)約產(chǎn)品的成本轉(zhuǎn)換，從而強(qiáng)化企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的效益。因此，研究SolidWorks軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用，能夠有效提升企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)中的效率。

1 Solidworks軟件及3D打印技術(shù)的概念介紹

SolidWorks軟件是世界上第一款基于Windows操作系統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展逐漸成為集傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件CAD、CAE以及CAM等為一體的綜合設(shè)計(jì)化軟件，這款軟件能夠結(jié)合設(shè)計(jì)者的基礎(chǔ)需求結(jié)合計(jì)算機(jī)的輔助通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)步驟，從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)產(chǎn)品的模型化設(shè)計(jì)，還能夠結(jié)合產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料和性能設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化在不同熱力環(huán)境以及使用頻率下的產(chǎn)品消耗速度，模擬產(chǎn)品的跌落測(cè)試等一系列設(shè)計(jì)，這種軟件在很大程度上能夠促進(jìn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的測(cè)試工作的完整性，有效節(jié)約產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)成本，縮短整個(gè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)周期，還能夠提高產(chǎn)品在多種使用情境下的可靠性。將其應(yīng)用在3D打印技術(shù)中式提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和使用性能的行之有效的方法，通過(guò)機(jī)體框架的有效建模和靜力學(xué)仿真設(shè)計(jì)，能夠?yàn)?D打印技術(shù)提供高質(zhì)量以及高精度的技術(shù)支撐，從而強(qiáng)化企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的不斷提升。

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，該技術(shù)以數(shù)字模型相關(guān)的文件作為成型基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀的金屬或者塑料等一些可以及時(shí)粘合的材料，通過(guò)逐層打印來(lái)構(gòu)造物體形態(tài)，從而形成基于設(shè)計(jì)理論的實(shí)物。這一項(xiàng)技術(shù)通常適用在模具制造和工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)領(lǐng)域中用來(lái)制造相關(guān)的產(chǎn)品模型，隨著該技術(shù)的不斷成熟，隨后逐漸被應(yīng)用于一些工業(yè)產(chǎn)品的直接制造過(guò)程中，目前我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有使用3D打印技術(shù)生成的各種零部件，這些零部件的形成是利用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，在實(shí)際的應(yīng)用化過(guò)程中的工作原理與普通的打印機(jī)相同，裝置內(nèi)部裝有液體或者固體等打印材料，將其與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈接以后，就能夠在數(shù)字化指令的控制下將這些打印材料進(jìn)行層層疊加，從而將計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為實(shí)物。在工作過(guò)程中主要分為三維設(shè)計(jì)、切片處理以及打印完成三個(gè)步驟，其中三維設(shè)計(jì)過(guò)程就是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)建模的過(guò)程，在該過(guò)程中是基于設(shè)計(jì)者的思考和產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)需求來(lái)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的，并利用相關(guān)的設(shè)計(jì)軟件例如SolidWorks等對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)的使用環(huán)境模擬，最終投入切片處理和打印階段，完成產(chǎn)品生產(chǎn)。

2 Solidworks軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

SolidWorks軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)以及環(huán)境模擬設(shè)計(jì)階段，通過(guò)計(jì)算機(jī)的輔助作用，該軟件能夠在Windows操作系統(tǒng)下完善自身對(duì)產(chǎn)品相關(guān)形態(tài)功能的優(yōu)化以及相關(guān)的環(huán)境性能模擬，具體來(lái)講，該軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要有以下兩個(gè)方面。

一方面，完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程缺乏足夠的精度和完善性，導(dǎo)致在哎產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中次品率較高，甚至?xí)斐膳稳毕?，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)嚴(yán)重的問題，往往也會(huì)與設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)初衷出現(xiàn)偏差，因此，將SolidWorks軟件與3D打印技術(shù)結(jié)合能夠有效促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的精度提升，從而完善產(chǎn)品的額設(shè)計(jì)優(yōu)化，該軟件集合了多種設(shè)計(jì)軟件于一體，能夠從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需求出發(fā)，以更加人性化和智能化的設(shè)計(jì)方式幫助設(shè)計(jì)者處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的些許問題，與此同時(shí)，較多的軟件設(shè)計(jì)功能也能夠有效促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全方位優(yōu)化，避免由于精度缺乏而出現(xiàn)問題，產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)是保障企業(yè)安全生產(chǎn)的重要前提，也是強(qiáng)化企業(yè)發(fā)展方向的重要保障，先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件能夠?yàn)槠髽I(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供良好的發(fā)展基礎(chǔ)，也能夠促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化。

另一方面，優(yōu)化產(chǎn)品環(huán)境使用效果。SolidWorks設(shè)計(jì)軟件不僅能夠利用多種設(shè)計(jì)手段促進(jìn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中的精度和細(xì)節(jié)，還能夠結(jié)合產(chǎn)品的使用性能，在虛擬環(huán)境下模擬產(chǎn)品的使用性能，例如模擬產(chǎn)品在高溫和高壓環(huán)境下的承受度，模擬產(chǎn)品在高空墜落的承受力等，這一功能是該軟件區(qū)別于其他傳統(tǒng)軟件的根本優(yōu)勢(shì)，不僅從根本上縮短了產(chǎn)品在測(cè)試期間的時(shí)間，還有效降低了企業(yè)在產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中的成本消耗，在降低人力資源成本的同時(shí)也避免了材料的過(guò)度消耗，在日常設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用效果。

3 Solidworks軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用實(shí)例介紹

結(jié)合以上提到了SolidWorks軟件在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，目前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)逐漸開始使用該軟件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)一些零部件的設(shè)計(jì)及打印工作，例如在當(dāng)今較熱的汽車市場(chǎng)下，不同汽車品牌對(duì)零部件的要求也越來(lái)越高，利用3D打印技術(shù)能夠有效提升產(chǎn)品零部件的精確度和耐用程度，與此同時(shí)，SolidWorks軟件也能夠通過(guò)軟件功能對(duì)零部件在機(jī)器使用環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)的耗能模擬，為零部件的正常運(yùn)行提供較為可行的材料和運(yùn)行周期。例如，在設(shè)計(jì)減速器中的斜齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要按模型設(shè)計(jì)、STL文件的生成格式，模型分層切片，3D打印制造以及產(chǎn)品處理這幾個(gè)過(guò)程，其中在模型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，SolidWorks軟件的設(shè)計(jì)功能能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)需求以及軟件的基本參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，一方面促進(jìn)了軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中斜齒輪的基礎(chǔ)參數(shù)的不斷完善，提高了設(shè)計(jì)精度，能夠從基礎(chǔ)細(xì)節(jié)入手，結(jié)合斜齒輪的日常工作和運(yùn)行環(huán)境不斷完善相關(guān)的指數(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，以計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成的三維模型無(wú)法被3D打印機(jī)識(shí)別，因此需要轉(zhuǎn)換文件的基礎(chǔ)格式來(lái)進(jìn)行下一步的操作，切片處理過(guò)程就是進(jìn)一步促進(jìn)3D打印機(jī)進(jìn)行識(shí)別和處理的過(guò)程，能夠?qū)⑶衅蟮幕A(chǔ)文件直接轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存為gcode格式的文件，然后利用無(wú)線傳輸和打印的方式，通過(guò)相關(guān)材料的層層打印和粘合，最終實(shí)現(xiàn)模型的打印。

3D打印技術(shù)是現(xiàn)下比較熱門的技術(shù)，SolidWorks也緊跟時(shí)代潮流，在最近的SolidWorks2020 的軟件功能中，最新的3D打印機(jī)的綜合信息列表，我們可以通過(guò)快速瀏覽或搜索到最常用的打印機(jī)并將它們添加到收藏夾中，然后就可以從打印機(jī)列表下拉菜單中選擇打印機(jī)。選擇模型底面將顯示打印機(jī)的范圍并顯示出非打印區(qū)域，并以紅色顯示出來(lái)，我們可以抬高零件，再找到合適的方向。使用SOLIDWORKS 2020，現(xiàn)在可以根據(jù)精確的三維幾何圖形產(chǎn)生切片，而不需要先導(dǎo)出類似STL的格式文件，另外，這些信息可以保存為3mf格式，它不僅能存儲(chǔ)三維幾何數(shù)據(jù)，還能存儲(chǔ)材料、顏色，紋理、二維切片數(shù)據(jù)等。最后，如果在設(shè)計(jì)初始階段沒有合作的制造廠家，還可以通過(guò)“3DEXPERIENCE Marketplace Make”，從中獲取數(shù)百家廠家的報(bào)價(jià)。

使用機(jī)器憑空打印出一個(gè)物體聽上去像是科幻小說(shuō)里才有的情節(jié)，但隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可能性也越來(lái)越多，例如，我們可以通過(guò)3D打印食物，目前NASA是最早開始研究這一方向的機(jī)構(gòu)，主要目的是為了給太空中的宇航員送飯，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)也越來(lái)越普及；英國(guó)阿伯泰大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)開始打印泥土結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的3D圖像，為的是更好地理解真菌和細(xì)菌與之進(jìn)行相互作用的方式；新墨西哥州羅斯威爾的警察部門最近獲得了一臺(tái)Faro 3D掃描儀，這款設(shè)備可以創(chuàng)建出數(shù)字化、全景式、縮小的犯罪現(xiàn)場(chǎng)模型。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助執(zhí)法部門和調(diào)查人員來(lái)增強(qiáng)自己分析現(xiàn)場(chǎng)的能力，并在法庭上向陪審團(tuán)進(jìn)行展示。除此之外，該項(xiàng)技術(shù)還可以應(yīng)用在日常生活中，例如基于SolidWorks軟件打印較為復(fù)雜的衣服，為殘疾病人打印假肢等，都能夠不斷豐富和發(fā)展人類的日常生活，為人類帶來(lái)不可思議的便利和發(fā)展。