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3D打印技术,工业设计领域新天地

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3D打印技术,工业设计领域新天地

发布日期:2016-07-27 作者:杭州杰创工业产品设计有限公司 点击:

3D 打印是制造技术的原理创新,随着技术的愈发成熟,在为制造业带来新一轮革命的同时,也为研发、设计特别是工业设计,提供和发挥了强有力的技术支撑和引领作用。


一、3D 打印带给工业设计全新的体验

工业设计,它以工业产品造型设计为核心,融合了科技、文化、艺术与经济等多门类学科,服务于企业的原始创新,集成创新和引进吸收再创新的全过程,是工业化、信息化时代一项系统性、集成性、创造性的设计活动。

同时,工业设计更是“形”和结构的艺术,是物质实体性的立体三维设计。在设计展开的不同阶段, 设计师们必须辅以制作各种立体模型,对创意概念设计方案进行不断的检测、调整和修改,为产品定型量产提供充足的依据,模型对于工业设计是至关重要的。传统的模型和样机制作是由“工匠”来完成的,“工匠”们技艺水平的高低,决定了模型样机的制作精度和速度。

3D打印技术出现在上世纪九十年代中期,这项被称为“快速成型”的技术,摆脱了传统机械加工中“去除材料”的方式, 采用“材料堆积”的方法, 使加工对象不受复杂程度的限制,使平面生成立体的过程变得简单易行,这对于追求“形”和结构艺术的工业设计来讲至关重要。具体而言:


(一)设计和制作协同工作

“工匠”们的模型样机制作和设计师的外观设计、工程师的结构设计的工作方式,决定了设计中每个模块都是独立的,这意味着传统的设计、制造、材料、采购、维护等不同环节、组织和人员要前后衔接得当,专业间需要反复的协调和修改。然而专业复杂、环节较多、周期较长的现实常常让不同部门的意见难以统一和协调,返工、拖延工期的现象时有发生。如果应用3D 打印技术,使得创意、设计、工程分析、制造和服务融为一体,共享同一个数据平台,实时反馈各方的意见,实现设计与制造无缝对接、协同工作。


(二)提高设计制造精度

“工匠”们技艺水平的高低,决定了模型样机的制作精度,但是不管“工匠”们技艺水平多么高超,都无法保证模型在概念设计的一致性、制作精度、复杂程度等方面满足需要,内部结构的制作几乎无法实现。因此,对于任何一位手板师傅来说,要制作一个逼真的模型都不是件轻而易举的事情。相较于传统手工制造的模型样机表面质量不高,产品外观逼真程度较差,可装配性不强等弊端,3D打印能够代替“工匠”的劳动,使得模型变得更合理、更精密,更符合实际的需要。因为3D打印的数字化、智能化加工,可以制作出能够经受严格测试、具备优良特性的模型,保证了设计、样机和产品的一致性。


(三)缩短设计研发周期

以往的产品设计开发周期较为漫长,一个产品在投入正式的生产之前都必须经过严格的审查和鉴定,还要涉及到产品成本、投入、生产工艺条件的限制、产品量控制等众多因素。


来自Imaginables的Kae Woei Lim。Imaginables最近在墨尔本(澳大利亚著名港口城市)与西门子合作了一个活动叫 AusRAIL, 澳大利亚最大的铁路系统活动。当时他们借给西门子2台Ultimaker 3D打印机,因为他们自己的打印机在活动期间无法完成那么多的打印任务。

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西门子铁路自动化研发主管Stephen Baker讲述,他们是如何在西门子使用Ultimaker的。Stephen说,他们起初主要应用3D打印技术辅助成型的新产品,“但当我们开始用Ultimaker的时候意识到,3D打印技术也可以作为制造过程的一部分。”


现在他们用Ultimaker,的3D技术制造轻便的塑料零部件,但最终成品是 316 不锈钢。Stephen团队如果用传统方式,从模型阶段到成品阶段,需要12到16周,现在用Ultimaker 3D打印机只要1-2周时间就能完成。

为了做到这一点,他们在悉尼建立了一个专门的铸造厂,将PLA的3D打印件放在蜡里成型,然后浸在水泥里,放置后硬化。PLA在下一步里会是完美的选择,因为在烧融阶段,PLA会完全燃尽。这样烧出来一个带孔的模具,以便于可以直接浇铸钢铁。


“3D的CAD模型到3D零部件,到最后的金属零部件,中间不需要另外再进行加工,” Stephen continues, 不仅节省时间-节省了相当大的时间,跟传统方法比平均每个零件少用10周以上的时间-而且能让西门子不用买各种昂贵的工具就能尝试各种设计方式和处理方式来返工修改原型产品。


(四)复杂模型的直接制造

利用3D打印机制作出来的模具几乎不受零件的形状和结构的任何约束,尤其在加工复杂曲面时更显其优越的性能,设计师只要在电脑上完成产品设计(CAD), 并编写好加工流程,计算机与数控设备将一道自动完成造型过程。而且随着3D打印技术的发展,可用于制造的原型材料日渐丰富, 性能也日趋完善, 一些非金属快速原型已有较好的机械强度和热稳定性,可以直接用作模具或是生产成品。


(五)逆向设计的充分运用

逆向工程技术采用了3D扫描和3D打印技术相结合的方式,实现了产品的快速制造。它将已有实物(油泥)模型通过三维扫描技术测得模型表面的点云数据,经过曲面重构造型软件获得实物模型的3D数字模型,用于后续的计算机辅助分析与制造。

一是即可以快速的复制实物, 也能够放大、缩小及修改实物模型, 并且可以对已有模具进行创新设计。

二是可以方便地对3D打印技术本身制得的原型产品进行快速、准确的测量, 用以验证由三维CAD设计而制得的零件与原设计的吻合程度, 改进产品设计中的不足,使产品更加完善。{工业设计公司}

三是对于进口模具,模具的3D数字模型可能无法获取,或因使用年限较长,模具在使用过程中由于损坏、修改等原因, 需要进行型面的烧焊再由钳工修补, 然而修补后的模具质量往往并不理想,这时可借助逆向工程对磨损区域的识别与恢复功能,重构模具的3D数字模型,以提高制模、修模的效率和质量。同时,许多受损文物,利用逆向工程能够有效的将残缺部分还原。


(六)启迪概念创新设计

随着经济的发展,大众需求的多元化、个性化和小批量、多品种已经成为现代消费的发展趋势,从高级定制服装、饰品、家具,到汽车、游艇等等各个领域。3D打印的应用,一方面设计师现在可以尽情的拓展想象空间,把在虚拟世界中创造“作品”带到现实生活中进行修改、完善和再创新,将设计图纸快速成型使之具象化。通过3D打印提供的实体模型不仅充分调动设计师的想象力与创造力, 也有助于检验消费者对产品的兴趣与认可度。从长远来看, 这对设计师审美品位、设计能力的不断提升大有裨益。


另一方面,随着3D打印能力的不断进步,消费者将不再是产品被动的接受者,他们甚至可以成为“设计师”兼“工程师”,在家亲自动手生产专属自己的物品。除此之外,几乎所有的产品均可打上消费者个性化的印记,生产商只需要提供一个平台,消费者就能够依据个人的喜好对产品进行设计。产品对消费者而言将不再是一成不变、大同小异的旧面孔, 每个消费者手中的产品都可以变得独一无二和与众不同。


打印过程


1 三维设计

三维打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器,其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。


2 切片处理

(产品一层一层堆叠而成)

打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米,即0.1毫米,也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快,更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。


3 完成打印

三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙,像图像上的锯齿一样),要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法:先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体,再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物,比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。


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