3D打印技術與計算機輔助設計

臧小鹿　李慶君

摘? 要：當前信息社會發展中，數據的運用在生產制造行業中有著舉足輕重的地位。將設計數據化的完成過程，可依賴于現今較為普遍的計算機輔助設計（CAD）完成，數據化模型表現可以運用3D打印的方法呈現出來。傳統的工藝樣式和制作方法結合數據模型以及3D打印方法，可實現多樣化表現及創作性工作簡易化表現完成?？梢酝ㄟ^建模復刻的方法將傳統物件虛擬3D化建模，利用3D打印技術完成實物復制效果用于展示和商售活動。在現代生產工藝中，3D打印有著舉足輕重的地位。隨著材料應用的發展，可將文創類的產品結合3D打印的方式制造完成。

關鍵詞：計算機輔助設計;3D打印;文創產品;惠山泥人

中圖分類號：TP391? ? ? ? ?文獻標志碼：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 計算機輔助技術

1.1 技術分類

信息時代的進步，網絡、大數據的發展，以及加快速度的5G時代來臨，產品的生產模式在工業4.0的時代發展下，使得計算機的輔助設計軟件開發，廣泛應用于各種制造（產品）的環節中，包括輔助設計、分析數據、互聯制造等。計算機輔助設計的運用過程，即制造（產品）業進入全面數字化、信息化的過程。

同時3D 打印技術是基于工業4.0的新型生產制造環境下，一種新興的快速成形的生產方式。與傳統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品造型堆積疊加的制造方法，并被廣泛應用于目前各種需要快速成型的產品制造中。本文以輔助 3D 打印成形的計算機技術為前引，展望在無錫惠山泥人的可3D打印技術發展與運用。

1.2 輔助應用

計算機輔助設計（CAD）在生產制造的環節中應用可以將設計人員從傳統的手工繪圖中做出改變。計算機應用中的設計軟件可以協助設計人員完成方案對比分析、圖紙設計審查、設計內容存儲檢索等工作，縮短設計周期的時長，可以提升設計的效率，也利于設計完成后的產品結構分析和生產制造的信息反饋。

計算機輔助制造（CAM）的應用可以在制造過程中使用計算機完成控制，使用輔助制造系統可以完成包括生產環境、設備狀態監控;物料流轉、工藝方法檢測;測試檢驗、人員配備等因素的規劃和管理，處理制造過程中產生的問題。

計算機輔助工程（CAE）的應用可以在試驗中通過計算機上的數字化樣機模擬來驗證完成，也可以分析計算出產品需要的各種物理特性。可以進行的分析工作范圍有結構分析、流體量分析、熱能分析、電磁分析、光學分析、聲學分析等等，從工程驗證中得到的結果來達到輔助優化設計的目的。

1.3 應用意義

以計算機輔助設計（CAD）的應用為例，部分設計師采用的輔助性設計軟件為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品結構、外形，以及后期渲染配色效果，從而在產品的制造前期就可以視覺化的將需要設計的產品展現給需求者。利用該技術還可以將設計貫穿于整個生產的過程，通過反復的驗證結構關系，以及通過3D打印或快速成型技術。幫助設計人員設計方案進行外形優化、人機工程結構驗證、選擇符合設計要求的最佳方案。在設計的過程中驗證產品的質量，有效的縮短了設計完成的周期。利用輔助設計的虛擬實物效果更容易找到，在設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計圖紙并對最初的方案進行修改，避免產品因在制造過程中發現問題，而帶來的重復生產的材料和時間浪費。設計輔助系統也可以在生產的過程進行管理、控制，零部件的加工過程，也可有效的提供技術參數或直接外觀比對，減少生產制造過程中因圖紙不明確帶來的部分阻礙?？傊o助設計系統的帶入，可以有效地促進生產力的發展， 在生產力發展的需求中，可以根據要求開發和組合設計軟件之間的協作關系，為增強生產力提供更大的進步空間。比如在傳統軟件Rhino的開發應用過程中，應對不同生產力的需求，在制造和建造領域也開發出了配套的插件系統。比如適合建模和珠寶首飾的T-spline，適合產品外觀或建筑領域應用的Grasshopper，都在設計應用領域中有著極高的價值和地位。當然隨著設計需求分類的具體化、多樣化的發展，各類軟件開發還會針對需求完成不同的插件或建作系統的完善。

2 3D打印技術

2.1 3D打印技術簡介

3D打印技術作為近年開發應用的新型制造技術，發展時間雖然短，但是隨著硬件及軟件的發展，在制造行業中有著不容忽視的地位?？梢岳斫鉃?D打印是一個制造的設備系統，通過計算機內導入數字、數據分析后建立模型，設計完成的模型轉化成數據坐標程序。然后通過打印的方式將光固型材料按照數字模型打印成實物模型。當前的打印方式隨著發展有材料逐層打印、液態打印等。隨著打印可選材料的多樣化發展，打印出的物品在物理性能以及外觀上都可以達到使用需求，不再是單一只能提供參考的模型樣品，也可以進行小批量化的產品。同時通過3D打印技術的應用，可以完成常規生產制作過程中無法完成或制作工藝非常復雜的繁瑣的物件制造。極大地滿足了設計者的設計需要，為設計可行化提供可靠的生產方式。

2.2 3D打印技術的特點

可按照特定條件下完成生產制造。根據不同的需求，完成定制化產品。例如：在醫療行業當中運用骨頭的打印技術，可以制作出與患者自身的骨頭完美結合的替代結構，用來替代壞死的部分;同時開發的用于醫療需求的打印材料技術，也可以有效的承擔起相應物理替代功能需求。

3D打印技術具有一定的時間可控性。傳統工業制造，在完成模型制作后，都要開發生產的模具，而3D打印技術可以減免模具的制作周期時間，通過快速的對物品進行打印，也可以在一定程度上替代傳統工業制造方式，在急需產品協調時間內快速完成生產制作。

替代傳統工業模具，有效降低生產成本。3D打印技術的制造過程，決定了此技術可以不用開發模具生產產品的過程，從而節約一定的生產成本，有利于在產品體驗市場前期，小批量化、快速化投入到市場中，產生經濟效益。

具有可協調工作的物聯概念協作空間。3D打印技術依托于數據的傳輸在設備中進行執行過程。建立有效的3D打印設備平臺，可以通過互聯網控制，架構出一個物聯網生產平臺，對于生產資源調度有著不容忽視的空間發展作用。

2.3 3D打印技術在惠山泥人制造中的運用

無錫惠山泥人的傳統制作工藝分為：模印泥人與手捏泥人。模印泥人多為批量化生產，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驗與技巧。

當前3D打印技術在傳統手工藝領域中的應用從材料上分析，類似陶瓷制品需求，3D打印可使用泥漿作為基材，按照設計的路徑，采用線性堆疊的方式，可完成繁復結構的陶瓷泥胚制作，但是需要在燒結前處理多余的部分。在建筑領域中，3D打印技術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用中也可以采用3D的打印方式。

傳統工藝要將制作用的石膏模在一定的陰暗環境下保存，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工作不當，會減少模具的使用次數。日后再生產還要從模具開始制造。而3D泥漿打印的技術運用，結合模印泥人的需求點，可以快速成型所需泥胚，按需打印，不會增加傳統工藝中模具養護工序，也不會因像傳統工藝中模具損毀帶來生產不便。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，復刻難度較大，不便于批量化制作，而3D打印技術結合三維掃描技術，可以將工藝大師的作品數據化后，通過3D打印完成復刻，擴大工藝品的商用價值。

3 結束語

計算機輔助技術的應用可以有效的幫助生產制作的各個環節順利、效率化完成。而3D打印技術的開發，也開始了新的制造領域的研究與應用。基于互聯化、物聯化的生產發展需求，3D打印技術可以假設出新的生產鏈條，有效的生產化系統有利于新型設計方案的快速產品化。對于傳統工藝中的產品，也可以通過3D打印技術來擴大較難復刻工藝品的商用價值和量產化需求。

參考文獻：

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