工业设计中快速成型技术的应用

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1、工业设计中快速成型技术的应用广东技术师范学院机电学院冉蓓张广潮摘要：工业设计是以产品设计为核心的，艺术与技术相统一的学科。模型制作是产品设计流程当中，“设计创意产品化”的一个非常重要的环节，也是对设计创意合理性反复试验、论证和完善的过程。工业设计发展的近百年中，产品原型机的制作工艺也随着大时代技术的发展而不断革新。当代产品原型机制作的工艺不在仅仅局限于包豪斯时期的技术方法，以C数控机床和3D打印机为代表的快速成型技术被广泛的应用。.jyqk等，进行产品模型结构的修正。(3)将修正过的模型计算机辅助设计(CAD)数据输入到快速成型设备中进行加工。目前，工业设计模型制

2、作主要使用的快速成型设备是数控机床和3D打印机。2.2C数控机床制作产品原型C数控机床是计算机数字控制机床(puternumericalcontrol)的简称，是一种由程序控制的自动化机床。主要通过数字化信息控制刀具和毛坯的相互运动，从毛坯上切除多余材料（即余量），从而获得一定形状和精度的零件。数控机床是由普通机床的基础上发展而来的，能加工复杂异形零件具有良好的柔性、高精度和可靠的稳定性等优点。在数控机床上加工时，首先根据图纸分析零件的结构外形，编制合理正确的程序，编程的代码和指令格式需符合相应的ISO及国家标准。然后通过DNC或者信息载体（如U盘）将所编制的程序

3、输入到数控机床中。再由数控系统根据不同程序内容发出相应的指令，由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床工作台的运动和速度，同时还控制机床的其他辅助运动，如主轴启动、正反转、转速设定，冷却液启停等。最终根据指令，使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削毛坯多余部分，从而加工出所需的零部件。如图1：数控机床种类很多，按工艺用途可分为：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗铣床、数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控冲床、数控液压机等各种用途的数控机床。在设备的选择上，主要根据不同零件的形状、精度，从而选择符合加工要求的设备。如数控车床的主运动为工件旋转，更适合

4、加工轴类、盘类等回转体零件；数控铣床、加工中心可加工复杂的三维零件。产品原型数控加工的步骤通常如下，首先运用三维设计软件对所要设计的模型及各部分零件进行建模。完成建模后，将其以IGS的格式存档，导入至可编制刀具路径的软件中，例如Mastercam、PROE、UG等。在编程软件中，对所有模型零件的IGS文件进行优化处理。然后对加工的模型零件进行技术分析，确定机床的选择、装夹的方式、毛坯的尺寸及加工工艺等。根据模型零件所选用的材料，从而确定刀具的型号、切削参数及合理的刀具路径。一般编制刀具路径时，主要分为粗加工和精加工。粗加工是以最高效率去切除毛坯余量，应设置尽量大的

5、切削深度和进给量，以便在最少的时间内切除更多的切屑。由于粗加工的切削量较大，从而会产生较大的震动，所以必须预留足够余量。精加工是对粗加工后剩余的余量进行切削处理，主要提高主轴转速，降低进给量和吃刀量，以保证最终的尺寸和表面粗糙度。刀具路径编制完成后，通过后处理方式，将刀路转换成数控机床识别的NC程序文件，然后使用信息载体或者DNC直接传输至数控机床。最后在数控机床上对装夹好的毛坯进行工件坐标系的建立后，便可进行自动化的加工。数控机床制作产品模型案例：自行车头盔设计（图2）将设计创意在三维设计软件中进行建模（图3）数控机床加工完成的模型零部件，进行后期精细打磨喷漆（

6、图4）将精细打磨喷漆处理后的模型零部件进行组装，模型制作完成。2.3.3D打印机制作产品原型2.3.1.3D打印机运行原理3D打印机制作产品原型，是一种累积制造技术，也是快速成型技术的一种。软件通过计算机辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，运用特殊可黏合材料，通过打印一层层的黏合材料来三维数据进行物化。3D打印快速成型技术是近些年发展起来的一种新的制模技术，它涉及、技术、数据处理技术、材料技术、技术、测试传感技术和计算机软件技术等，是各种高技术的综合应用。由于三维打印快速成型技术的突出优势，近年来发展迅速，已成为工业设计

7、模型制作中的一项关键技术。3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。2.3.2.3D打印机应用于产品设计的优势当今市场产品更新非常快，生产厂商都在尽量压缩新品研发周期，因此在产品的设计研发阶段应用3D打

8、印机可以大