3D打印技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計

臧小鹿　李慶君

摘? 要：當(dāng)前信息社會發(fā)展中，數(shù)據(jù)的運(yùn)用在生產(chǎn)制造行業(yè)中有著舉足輕重的地位。將設(shè)計數(shù)據(jù)化的完成過程，可依賴于現(xiàn)今較為普遍的計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）完成，數(shù)據(jù)化模型表現(xiàn)可以運(yùn)用3D打印的方法呈現(xiàn)出來。傳統(tǒng)的工藝樣式和制作方法結(jié)合數(shù)據(jù)模型以及3D打印方法，可實現(xiàn)多樣化表現(xiàn)及創(chuàng)作性工作簡易化表現(xiàn)完成?？梢酝ㄟ^建模復(fù)刻的方法將傳統(tǒng)物件虛擬3D化建模，利用3D打印技術(shù)完成實物復(fù)制效果用于展示和商售活動。在現(xiàn)代生產(chǎn)工藝中，3D打印有著舉足輕重的地位。隨著材料應(yīng)用的發(fā)展，可將文創(chuàng)類的產(chǎn)品結(jié)合3D打印的方式制造完成。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)輔助設(shè)計;3D打印;文創(chuàng)產(chǎn)品;惠山泥人

中圖分類號：TP391? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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 計算機(jī)輔助技術(shù)

1.1 技術(shù)分類

信息時代的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，以及加快速度的5G時代來臨，產(chǎn)品的生產(chǎn)模式在工業(yè)4.0的時代發(fā)展下，使得計算機(jī)的輔助設(shè)計軟件開發(fā)，廣泛應(yīng)用于各種制造（產(chǎn)品）的環(huán)節(jié)中，包括輔助設(shè)計、分析數(shù)據(jù)、互聯(lián)制造等。計算機(jī)輔助設(shè)計的運(yùn)用過程，即制造（產(chǎn)品）業(yè)進(jìn)入全面數(shù)字化、信息化的過程。

同時3D 打印技術(shù)是基于工業(yè)4.0的新型生產(chǎn)制造環(huán)境下，一種新興的快速成形的生產(chǎn)方式。與傳統(tǒng)的快速成型中材料減法加工制造方式相反，是一種光固型材料按照產(chǎn)品造型堆積疊加的制造方法，并被廣泛應(yīng)用于目前各種需要快速成型的產(chǎn)品制造中。本文以輔助 3D 打印成形的計算機(jī)技術(shù)為前引，展望在無錫惠山泥人的可3D打印技術(shù)發(fā)展與運(yùn)用。

1.2 輔助應(yīng)用

計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）在生產(chǎn)制造的環(huán)節(jié)中應(yīng)用可以將設(shè)計人員從傳統(tǒng)的手工繪圖中做出改變。計算機(jī)應(yīng)用中的設(shè)計軟件可以協(xié)助設(shè)計人員完成方案對比分析、圖紙設(shè)計審查、設(shè)計內(nèi)容存儲檢索等工作，縮短設(shè)計周期的時長，可以提升設(shè)計的效率，也利于設(shè)計完成后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和生產(chǎn)制造的信息反饋。

計算機(jī)輔助制造（CAM）的應(yīng)用可以在制造過程中使用計算機(jī)完成控制，使用輔助制造系統(tǒng)可以完成包括生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控;物料流轉(zhuǎn)、工藝方法檢測;測試檢驗、人員配備等因素的規(guī)劃和管理，處理制造過程中產(chǎn)生的問題。

計算機(jī)輔助工程（CAE）的應(yīng)用可以在試驗中通過計算機(jī)上的數(shù)字化樣機(jī)模擬來驗證完成，也可以分析計算出產(chǎn)品需要的各種物理特性?？梢赃M(jìn)行的分析工作范圍有結(jié)構(gòu)分析、流體量分析、熱能分析、電磁分析、光學(xué)分析、聲學(xué)分析等等，從工程驗證中得到的結(jié)果來達(dá)到輔助優(yōu)化設(shè)計的目的。

1.3 應(yīng)用意義

以計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）的應(yīng)用為例，部分設(shè)計師采用的輔助性設(shè)計軟件為Rhino。通過軟件的建模功能，可以在虛擬3D效果中觀察和驗證需要建模的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形，以及后期渲染配色效果，從而在產(chǎn)品的制造前期就可以視覺化的將需要設(shè)計的產(chǎn)品展現(xiàn)給需求者。利用該技術(shù)還可以將設(shè)計貫穿于整個生產(chǎn)的過程，通過反復(fù)的驗證結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及通過3D打印或快速成型技術(shù)。幫助設(shè)計人員設(shè)計方案進(jìn)行外形優(yōu)化、人機(jī)工程結(jié)構(gòu)驗證、選擇符合設(shè)計要求的最佳方案。在設(shè)計的過程中驗證產(chǎn)品的質(zhì)量，有效的縮短了設(shè)計完成的周期。利用輔助設(shè)計的虛擬實物效果更容易找到，在設(shè)計過程中只是依靠圖紙無法驗證的有效觀察問題?？赏ㄟ^實物觀測的問題來糾正設(shè)計圖紙并對最初的方案進(jìn)行修改，避免產(chǎn)品因在制造過程中發(fā)現(xiàn)問題，而帶來的重復(fù)生產(chǎn)的材料和時間浪費(fèi)。設(shè)計輔助系統(tǒng)也可以在生產(chǎn)的過程進(jìn)行管理、控制，零部件的加工過程，也可有效的提供技術(shù)參數(shù)或直接外觀比對，減少生產(chǎn)制造過程中因圖紙不明確帶來的部分阻礙?？傊o助設(shè)計系統(tǒng)的帶入，可以有效地促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展， 在生產(chǎn)力發(fā)展的需求中，可以根據(jù)要求開發(fā)和組合設(shè)計軟件之間的協(xié)作關(guān)系，為增強(qiáng)生產(chǎn)力提供更大的進(jìn)步空間。比如在傳統(tǒng)軟件Rhino的開發(fā)應(yīng)用過程中，應(yīng)對不同生產(chǎn)力的需求，在制造和建造領(lǐng)域也開發(fā)出了配套的插件系統(tǒng)。比如適合建模和珠寶首飾的T-spline，適合產(chǎn)品外觀或建筑領(lǐng)域應(yīng)用的Grasshopper，都在設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域中有著極高的價值和地位。當(dāng)然隨著設(shè)計需求分類的具體化、多樣化的發(fā)展，各類軟件開發(fā)還會針對需求完成不同的插件或建作系統(tǒng)的完善。

2 3D打印技術(shù)

2.1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)作為近年開發(fā)應(yīng)用的新型制造技術(shù)，發(fā)展時間雖然短，但是隨著硬件及軟件的發(fā)展，在制造行業(yè)中有著不容忽視的地位?？梢岳斫鉃?D打印是一個制造的設(shè)備系統(tǒng)，通過計算機(jī)內(nèi)導(dǎo)入數(shù)字、數(shù)據(jù)分析后建立模型，設(shè)計完成的模型轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)坐標(biāo)程序。然后通過打印的方式將光固型材料按照數(shù)字模型打印成實物模型。當(dāng)前的打印方式隨著發(fā)展有材料逐層打印、液態(tài)打印等。隨著打印可選材料的多樣化發(fā)展，打印出的物品在物理性能以及外觀上都可以達(dá)到使用需求，不再是單一只能提供參考的模型樣品，也可以進(jìn)行小批量化的產(chǎn)品。同時通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以完成常規(guī)生產(chǎn)制作過程中無法完成或制作工藝非常復(fù)雜的繁瑣的物件制造。極大地滿足了設(shè)計者的設(shè)計需要，為設(shè)計可行化提供可靠的生產(chǎn)方式。

2.2 3D打印技術(shù)的特點

可按照特定條件下完成生產(chǎn)制造。根據(jù)不同的需求，完成定制化產(chǎn)品。例如：在醫(yī)療行業(yè)當(dāng)中運(yùn)用骨頭的打印技術(shù)，可以制作出與患者自身的骨頭完美結(jié)合的替代結(jié)構(gòu)，用來替代壞死的部分;同時開發(fā)的用于醫(yī)療需求的打印材料技術(shù)，也可以有效的承擔(dān)起相應(yīng)物理替代功能需求。

3D打印技術(shù)具有一定的時間可控性。傳統(tǒng)工業(yè)制造，在完成模型制作后，都要開發(fā)生產(chǎn)的模具，而3D打印技術(shù)可以減免模具的制作周期時間，通過快速的對物品進(jìn)行打印，也可以在一定程度上替代傳統(tǒng)工業(yè)制造方式，在急需產(chǎn)品協(xié)調(diào)時間內(nèi)快速完成生產(chǎn)制作。

替代傳統(tǒng)工業(yè)模具，有效降低生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)的制造過程，決定了此技術(shù)可以不用開發(fā)模具生產(chǎn)產(chǎn)品的過程，從而節(jié)約一定的生產(chǎn)成本，有利于在產(chǎn)品體驗市場前期，小批量化、快速化投入到市場中，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

具有可協(xié)調(diào)工作的物聯(lián)概念協(xié)作空間。3D打印技術(shù)依托于數(shù)據(jù)的傳輸在設(shè)備中進(jìn)行執(zhí)行過程。建立有效的3D打印設(shè)備平臺，可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制，架構(gòu)出一個物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)平臺，對于生產(chǎn)資源調(diào)度有著不容忽視的空間發(fā)展作用。

2.3 3D打印技術(shù)在惠山泥人制造中的運(yùn)用

無錫惠山泥人的傳統(tǒng)制作工藝分為：模印泥人與手捏泥人。模印泥人多為批量化生產(chǎn)，而手捏泥人造型生動、活潑，衣紋流暢而富于裝飾性，著重于手工藝者的經(jīng)驗與技巧。

當(dāng)前3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)手工藝領(lǐng)域中的應(yīng)用從材料上分析，類似陶瓷制品需求，3D打印可使用泥漿作為基材，按照設(shè)計的路徑，采用線性堆疊的方式，可完成繁復(fù)結(jié)構(gòu)的陶瓷泥胚制作，但是需要在燒結(jié)前處理多余的部分。在建筑領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)同樣也在使用新型混凝土泥漿類材料打印出房屋。以此可以推論出，無錫惠山泥人的制作方式在材料的運(yùn)用中也可以采用3D的打印方式。

傳統(tǒng)工藝要將制作用的石膏模在一定的陰暗環(huán)境下保存，每次使用時要小心翼翼，石膏是易碎品容易破裂。石膏模具也有一定的使用壽命，如果使用前后的保養(yǎng)工作不當(dāng)，會減少模具的使用次數(shù)。日后再生產(chǎn)還要從模具開始制造。而3D泥漿打印的技術(shù)運(yùn)用，結(jié)合模印泥人的需求點，可以快速成型所需泥胚，按需打印，不會增加傳統(tǒng)工藝中模具養(yǎng)護(hù)工序，也不會因像傳統(tǒng)工藝中模具損毀帶來生產(chǎn)不便。對于手捏泥人的成品，多為工藝品，是手工藝大師的即興即時的制作品，復(fù)刻難度較大，不便于批量化制作，而3D打印技術(shù)結(jié)合三維掃描技術(shù)，可以將工藝大師的作品數(shù)據(jù)化后，通過3D打印完成復(fù)刻，擴(kuò)大工藝品的商用價值。

3 結(jié)束語

計算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用可以有效的幫助生產(chǎn)制作的各個環(huán)節(jié)順利、效率化完成。而3D打印技術(shù)的開發(fā)，也開始了新的制造領(lǐng)域的研究與應(yīng)用?；诨ヂ?lián)化、物聯(lián)化的生產(chǎn)發(fā)展需求，3D打印技術(shù)可以假設(shè)出新的生產(chǎn)鏈條，有效的生產(chǎn)化系統(tǒng)有利于新型設(shè)計方案的快速產(chǎn)品化。對于傳統(tǒng)工藝中的產(chǎn)品，也可以通過3D打印技術(shù)來擴(kuò)大較難復(fù)刻工藝品的商用價值和量產(chǎn)化需求。

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