3D打印的模型設(shè)計(jì)方法

3D打印的模型設(shè)計(jì)方法

蔣艷王菲Summary：作為第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)，3D打印技術(shù)在許多行業(yè)領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用及重視，作為職業(yè)院校更是應(yīng)該把這種前沿的科技和實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，打開(kāi)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的思路，更好地為國(guó)家社會(huì)服務(wù)。本文探討了3D打印的模型設(shè)計(jì)方法，以期指導(dǎo)職業(yè)院校藝術(shù)設(shè)計(jì)類學(xué)生創(chuàng)新學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。Key：3D打??；模型設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法：TP311：A：1009-3044（2018）13-0189-0213D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維模型設(shè)計(jì)之前我們需要先了解3D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。3D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念是利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的技術(shù)，簡(jiǎn)稱CAD。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍非常的廣，小到紐扣和鋼筆大道，汽車和飛機(jī)等等。一個(gè)非常好能夠詮釋3D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用的例子，就是波音777飛機(jī)。他10萬(wàn)多個(gè)零件全部實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。他使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)裝配設(shè)計(jì)，使飛機(jī)的零件返工率減少了93%。使它的裝配問(wèn)題減少了55%到80%。開(kāi)發(fā)的費(fèi)用和時(shí)間減少了50%。波音777整個(gè)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，用時(shí)僅用3年八個(gè)月。而且一次試飛成功，這就充分說(shuō)明了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。1.13D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的分類3D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以分為二維的CAD和三維的CAD。二維的CAD與傳統(tǒng)的手工紙規(guī)繪圖在思路上基本相同，只是用計(jì)算機(jī)代替了手工繪圖的方式。通過(guò)二維CAD制圖可以更加迅速地畫圖，并且它的一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)是在手工繪圖的時(shí)候，我們需要用一些修改工具進(jìn)行修改，而利用電腦進(jìn)行二維CAD繪圖，能夠更加快捷的刪除和修改圖紙。三維CAD它不僅僅是二維CAD的升級(jí)，其三維造型曲面設(shè)計(jì)、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)徹底改變了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣，使設(shè)計(jì)過(guò)程與最終的產(chǎn)品緊密相連，大幅提高了設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。他的設(shè)計(jì)思路是一種所見(jiàn)即所得的模式，是一種非常人性化的設(shè)計(jì)思路。1.2常見(jiàn)的3D打印支撐軟件常見(jiàn)的3D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件，有二維的CAD常見(jiàn)軟件有AUTOCAD、CAXA、中望CAD、大熊CAD等。他的繪制方法是繪制設(shè)計(jì)對(duì)象的三視圖。三視圖是通過(guò)圖形的幾個(gè)視角來(lái)表達(dá)出這個(gè)圖形的整體樣貌。使用最為頻繁的二維CAD軟件是AUTOCAD。它是比較好用的一款，也是開(kāi)發(fā)歷史時(shí)間比較長(zhǎng)的一款軟件。三維的CAD常用軟件有Solidworks、UG、Pro-E、CATIA、Inventor等。目前全球使用頻率最高的三維cad軟件還是Solidworks。它相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易上手。三維cad的軟件的描述方式往往是通過(guò)三維模型。腦海中構(gòu)思的產(chǎn)品通過(guò)三維效果直接呈現(xiàn)。對(duì)于三維和二維的轉(zhuǎn)換，很多同學(xué)學(xué)起來(lái)感覺(jué)是非常不容易的，比如我們的專業(yè)制圖這門課，經(jīng)常被大學(xué)生認(rèn)為是一門撒手锏的課，難度很大。那么有沒(méi)有一種方式能夠不通過(guò)二維與三維之間的轉(zhuǎn)換呢？那就是我們的計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)。他不需要將原本的三維對(duì)象繪制成二維的圖形之后再在腦海中轉(zhuǎn)化成三維的一個(gè)狀態(tài)，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的過(guò)程。1.33D打印三維設(shè)計(jì)過(guò)程3D打印三維設(shè)計(jì)軟件的整體的設(shè)計(jì)過(guò)程是什么樣子的呢？一般的三維設(shè)計(jì)都會(huì)包括一個(gè)基本模塊?；镜哪K包括三個(gè)部分。第一個(gè)就是零件建模。比如一個(gè)球閥的零件模型圖，各個(gè)零件之間的模型組成了零件模型圖。接下來(lái)第二步就是裝配體建模，也就是裝配體的構(gòu)建。就是把我們的零件像搭積木一樣，把他們搭在一起。這就是裝配體的過(guò)程。那么接下來(lái)通過(guò)我們的軟件將零件建模圖或者是裝配體建模圖，通過(guò)我們的三維軟件自帶的設(shè)置就能夠形成規(guī)范的投影工程圖。這就是他的第三個(gè)模塊投影工程圖。這三個(gè)模塊的基礎(chǔ)就是零件建模。零件建模建好了之后，就能為后面的兩個(gè)模塊提供基礎(chǔ)。所以我們要重點(diǎn)了解零件建模。2以三維軟件Solidworks為例進(jìn)行3D打印建模設(shè)計(jì)的方法首先我們來(lái)了解一下Solidworks軟件的基本功能。首先我們來(lái)了解一下Solidworks軟件的零件建模環(huán)境。零件建模的過(guò)程，實(shí)際上就是構(gòu)建許多個(gè)簡(jiǎn)單的特征，讓他們之間相互疊加切割或者相交的過(guò)程。2.1零件建模環(huán)境一個(gè)零件的建模過(guò)程可以分為以下的幾個(gè)步驟來(lái)完成，首先那些選取繪圖平面，然后進(jìn)入草圖繪制，接著在草圖繪制界面進(jìn)行大致的繪制草圖。為什么是大致的草圖繪制呢？這也是三維Solidworks軟件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)尺寸標(biāo)注添加幾何關(guān)系，完善草圖達(dá)到你想要的草圖的樣式。接著我們退出草圖，在草圖繪制界面進(jìn)行特征操作。選擇你想選用的特征，進(jìn)行特征操作。那么第一個(gè)特征就這樣生成了。接下來(lái)繼續(xù)選取繪圖平面，這時(shí)的繪圖平面可以是系統(tǒng)提供的繪圖平面，也可以是上一個(gè)特征中已有的繪圖平面。作為你的繪圖界面，進(jìn)入草圖繪制，然后進(jìn)行大致的草圖繪制。通過(guò)這樣反復(fù)的過(guò)程。我們就可以得到一系列的特征。從而最終構(gòu)建出你的零件來(lái)。接下來(lái)我們來(lái)看一下零件建模的環(huán)境。在軟件中我們點(diǎn)新建，我們就會(huì)得到我們之前所說(shuō)的零件建模的三個(gè)模塊：零件、裝配體和工程圖。我們以零件為例，進(jìn)入到零件繪制的一個(gè)模塊中。建模環(huán)境中上面是工具條，左邊那是設(shè)計(jì)樹(shù)。設(shè)計(jì)樹(shù)會(huì)包含你設(shè)計(jì)的全部過(guò)程。也就是說(shuō)你所設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟都會(huì)在這里顯現(xiàn)。這樣你想在將來(lái)對(duì)任意一個(gè)步驟進(jìn)行修改，直接在設(shè)計(jì)樹(shù)中去選去改就可以了。接下來(lái)右邊是畫圖區(qū)域。工具條重要的包括兩個(gè)部分，一個(gè)是特征。特征中有一些是被激活的狀態(tài)，有一些沒(méi)有被激活。另一部分是草圖，點(diǎn)進(jìn)去里面提供了基本的繪圖的修改的命令。2.23D打印草圖設(shè)計(jì)的基本知識(shí)首先是如何進(jìn)入草圖環(huán)境。我們需要選擇一個(gè)基準(zhǔn)面或者是草圖平面，在剛進(jìn)入環(huán)境界面的時(shí)候，界面繪圖區(qū)什么都沒(méi)有。這時(shí)候系統(tǒng)會(huì)提供三個(gè)基準(zhǔn)面。之后繪制生成特征后可以用特征中的任意一個(gè)基準(zhǔn)面或者任意一個(gè)平面作為基準(zhǔn)面。選擇好基準(zhǔn)面或者草圖平面以后，點(diǎn)擊草圖繪制進(jìn)入草圖，繪制界面之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在界面的右上角多了兩個(gè)圖標(biāo)。表示已經(jīng)進(jìn)入了草圖繪制界面環(huán)境。當(dāng)我們想要退出草圖環(huán)境的時(shí)候選擇右邊的圖標(biāo)，那么我們可以退出草圖環(huán)境，同時(shí)在設(shè)計(jì)樹(shù)會(huì)生成我們的繪圖過(guò)程。選擇差選按鈕，則表示退出草圖且不保留草圖。進(jìn)入到草圖界面中，有草圖繪制命令和草圖編輯命令。草圖繪制命令，包含了我們所有的直線曲線圓形等等基本線型。而草圖編輯命令，是cad中不可或缺的一部分，只要通過(guò)草圖的編輯命令，如修剪刪除陣列鏡像等才能修改草圖，為草圖標(biāo)標(biāo)注做準(zhǔn)備。在草圖模塊中還包括兩個(gè)模塊，一個(gè)是至尊標(biāo)注。草圖繪制的過(guò)程中只需要完成大致的草圖繪制，接著需要尺寸標(biāo)志來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。軟件提供的尺寸標(biāo)注智能化非常高，系統(tǒng)可以根據(jù)被標(biāo)注對(duì)象的特點(diǎn)自動(dòng)選擇一種合適的尺寸類型，并設(shè)計(jì)出實(shí)際尺寸值，而且如果對(duì)自動(dòng)標(biāo)注的尺寸類型不滿意，還可以進(jìn)行修改。再次超出界面還提供了添加幾何關(guān)系，利用添加幾何關(guān)系工具，可以在超脫實(shí)體之間或者是草圖實(shí)體與基準(zhǔn)面基準(zhǔn)周邊相和頂點(diǎn)之間生成幾何關(guān)系。完成草圖階段之后就可以進(jìn)入特征階段。其實(shí)就是一種二維變?nèi)S的過(guò)程。特征，可以分為草圖特征和應(yīng)用特征。草圖特征，顧名思義就是有草圖生成的特征，如拉伸，旋轉(zhuǎn)，掃描放樣。有些設(shè)計(jì)對(duì)象不必要通過(guò)草圖的特征我們可以運(yùn)用應(yīng)用的特征。然后利用它的邊角關(guān)系就能夠生成其他的一些特征。比如說(shuō)給一些產(chǎn)品，倒圓角或者是直角，就是屬于應(yīng)用特征的范疇。特征的調(diào)用，只需要單擊特征工具欄中被激活的特征操作按鈕，它是根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)分析所得出的草圖或者你所見(jiàn)好的特征適用于其他哪些特征，直接點(diǎn)擊就進(jìn)入了特征編輯。2.3三維Solidworks軟件3D打印的模型設(shè)計(jì)方法打開(kāi)三維Solidworks軟件點(diǎn)擊新建，點(diǎn)擊零件確認(rèn)。在設(shè)計(jì)樹(shù)中選擇一個(gè)基準(zhǔn)面，比如前視基準(zhǔn)面，點(diǎn)草圖。進(jìn)入到草圖繪制，那么你就會(huì)發(fā)現(xiàn)界面的右上角會(huì)出現(xiàn)圖標(biāo)。這時(shí)我們就可以完成我們的草圖繪制。草圖繪制中有非常多的命令，例如直線圓等。建議大家在繪圖的時(shí)候，所有的起點(diǎn)都以系統(tǒng)所給的坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)。優(yōu)越之處在于我們后期進(jìn)行裝配的時(shí)候，大家就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的方便性。左邊的鼠標(biāo)點(diǎn)擊抬起，在你想要結(jié)束的位置再次點(diǎn)擊即可。這樣就可以畫出一個(gè)圓，點(diǎn)擊確定完成圖形的繪制。接著我們想畫直線，我們依然是用坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)開(kāi)始繪制，結(jié)束時(shí)可以點(diǎn)擊鍵盤左上角的esc鍵結(jié)束命令。這樣我們就畫出了基本的草圖，接著我們可以用智能尺寸來(lái)驅(qū)動(dòng)，使設(shè)計(jì)對(duì)象達(dá)到我們想要的狀態(tài)。點(diǎn)擊添加幾何關(guān)系。選中想要產(chǎn)生幾何關(guān)系的兩個(gè)實(shí)體，點(diǎn)擊相切，在設(shè)計(jì)樹(shù)中點(diǎn)擊相切完成操作。即完成了添加幾何約束關(guān)系。如果你的想要的形體還需要減掉一些線條。這就需要用到草圖的編輯功能。我們采用裁剪實(shí)體，最常用到的就是邊角和剪切到最盡端。將對(duì)象裁剪成我們想要的形狀。除此之外還有等距實(shí)體，可以將我們現(xiàn)有的形狀通過(guò)設(shè)置等距的距離給設(shè)計(jì)對(duì)象一個(gè)新的輪廓。草圖完成以后，進(jìn)入特征后已經(jīng)有兩個(gè)特征被激活，一個(gè)是拉伸，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)。比如我們點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)，我們就可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)象已經(jīng)從二維形態(tài)變成了三維的造型。如果你的操作并沒(méi)有完成，那么可以選擇設(shè)計(jì)樹(shù)中的基準(zhǔn)面，或是你畫的圖中的某一個(gè)平面，點(diǎn)擊以后進(jìn)入草圖繪制。通過(guò)這種方式完成設(shè)計(jì)對(duì)象的三維造型的處理。通過(guò)反復(fù)的操作，精確地完成我們想要的圖形，以上就是三維Solidworks軟件3D打印的模型設(shè)計(jì)的基本操作方法。Reference：[1]趙家立.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展分析[