直覺式設計平臺加速3D打印過程

袁濤

全球正掀起以信息網絡、智能制造為代表的新一輪技術創(chuàng)新浪潮，在這一浪潮中，傳統(tǒng)行業(yè)界限將消失，并產生各種新的領域和業(yè)態(tài)。新的產業(yè)鏈將使制造業(yè)不再僅是硬件產品制造的概念，而將更多地融入軟件技術、自動化技術、現代管理技術與新的服務模式。這個過程，美國稱為“工業(yè)互聯(lián)網”，德國稱為“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年的頂層規(guī)劃和路線圖，以信息技術與制造技術深度融合的數字化、網絡化和智能化制造為主線。中國制造業(yè)的轉型需要跨界與平臺思維，結合工業(yè)4.0時代的制造與服務模式，中國制造業(yè)可拓展的空間實際上非常大。中國要把“智能制造”作為制造業(yè)轉型升級的重要突破口和抓手，軟件是重要核心。

一、3D打印助力中國制造2025

近幾年來，國內3D打印產業(yè)發(fā)展迅速，應用領域也隨之不斷拓展。在“中國制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃中，3D打印也被列為關鍵技術之一，將為中國制造業(yè)注入新的動能。3D打印作為智能制造的主要支撐技術，已經從快速原型制作發(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。為產品設計創(chuàng)新開辟了廣闊的空間，設計師可以專注于產品的功能和性能開發(fā)，無需考慮如何去制造的問題。

據相關數據顯示，2017年國內3D打印市場規(guī)模將突破100億美元，產業(yè)規(guī)模及應用領域將逐步拓展，其中包括航空航天、汽車、醫(yī)療和模具等領域。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，將為產品設計及制造環(huán)節(jié)帶來創(chuàng)新，為國內制造業(yè)轉型升級提供助力。

在原型制作方面，3D打印能快速實現原型制作，從而大大縮短研發(fā)及驗證時間。使企業(yè)能快速產出高質量產品。另一方面，在制造生產環(huán)節(jié)，由于受限于傳統(tǒng)加工工藝限制，之前很多想法都無法實現。有了3D打印技術之后，人們的想法及創(chuàng)意能夠更加容易地實現并制造出來。隨著技術不斷突破，3D打印將在高科技和國防等諸多領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)不用再購買昂貴的軟件，或者依賴CAD工程師進行反復調整，直覺式的界面和強大的功能，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程。

二、打破3D設計與3D打印之間的界限

我們都知道，3D打印是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術。其中，模型數據處理及優(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，添加支撐；導入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，以減少打印件尺寸，或滿足分色打印的要求，還需要設計拼接的搭扣；有些零件需要進行輕量化處理，以減少材料消耗，縮短打印時間，同時還要保證強度。

通常，3D打印工程師不得不反復和產品設計師溝通并傳遞模型，編輯和修復模型以保證打印成功。這導致整個過程冗長而緩慢，使得從設計到快速原型制作、增材制造的過程變得更加困難，拖長了制造周期。

三、面向增材制造的設計

以3D打印為代表的增材制造技術的出現，極大地擴展了可制造工藝性，即使最復雜的產品也能通過3D打印制造出來，這無疑極大釋放了設計潛能，尤其是在航空、航天和軍工等對產品重量比較敏感的領域，設計人員可以只專注于產品本身，可以設計任何結構，而不需要考慮制造工藝的局限性。設計師借助于專業(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)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，需要光順處理和調整才能進行3D打印，這也對設計師提出了新的挑戰(zhàn)。

在3D打印過程中，從產品設計到3D打印需要用到不同的軟件及數據，從而使得打印過程低效甚至出現錯誤。在產品設計階段，主要采用CAD軟件進行建模，并轉化成STL文件輸出至3D打印設備。3D打印設備接收到STL文件之后，采用切片軟件進行優(yōu)化打印。然而，CAD軟件建模能力雖強，3D打印模型的準備能力卻弱。相反，3D打印編程軟件可切片生成軌跡，但3D建模能力弱，模型數據修改具有局限性。為此，湃睿科技推出了Pidex直覺式設計平臺，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、強大的設計平臺。Pidex以直接建模為基礎，輔以參數化建模，可以創(chuàng)建、編輯或修復幾何模型而無需擔心數據來源。另外，Pidex還能夠針對3D打印的工藝特點進行后期處理，例如，壁厚檢查和晶格設計等。因此，采用Pidex會讓3D設計變得快捷、容易、柔性且更有價值。

四、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。

對導入的STL模型，可直接進行分析和清理，發(fā)現和修復這些缺陷，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致打印失敗的問題。如圖2所示。

用戶使用Pidex的關鍵好處是能直接在STL模型上進行操作，軟件的3D打印模塊允許用戶：去除細小的特征、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；進行布爾運算，融合STL模型或實體；進行可打印性分析：壁厚、支撐檢查等；創(chuàng)建連接結構以便后續(xù)零件拼接，添加支撐結構等；重新構建零件，將特征安排到更好的位置，調整過薄的壁厚以便優(yōu)化打印。如圖3所示。

五、輕量化處理

輕量化設計是打印流程中很關鍵的步驟。對于快速原型工藝，更少的材料意味著更低的打印成本、運輸成本和更快的打印時間。Pidex提供多達11種2D和3D晶格類型，設計師可以根據需求，方便地定義晶格抽殼的形式和尺寸，從而達到輕量化的目的。如圖4所示。

六、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)化技術允許用戶指定材料體積上的支撐點和載荷點位置，設置邊界條件，最終讓軟件計算得出最佳形狀。這種優(yōu)化結果模型往往都是STL模型，可以導入Pidex中進行結構調整和光順，指定精確的孔位，指定參考的傳統(tǒng)模型，利用Pidex的收縮包絡功能，可以快速進行擬合，得到所需的光順模型，再根據設計需要進行調整，最終進行3D打印。如圖5所示。

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

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