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CADCAM系统综述论文 01


CAD/CAM的发展与 3D 打印的兴 起

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一.背景介绍 ......................................................................................... 1 1.1 国外研究发展.............................................................................. 1 1.2 国内研究发展.............................................................................. 4 1.3 最新研究成果.............................................................................. 4 1.4 未来前景分析.............................................................................. 7 二.CAD/CAM 主要应用与发展前景................................................... 9 2.1 在制造业中的应用 ...................................................................... 9 2.2 未来发展趋势............................................................................ 10 三.实例分析:三维 CAD 和 3D 打印在复杂零件铸造中的应用 .... 11 3.1 铸件工艺及模具设计 ................................................................ 11 四.总结 ............................................................................................... 14 五.参考文献 ....................................................................................... 16

摘要:CAD/CAM 是计算机辅助设计/计算机辅助制造(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture)的简称,CAD/CAM 系统的集 成是指把 CAD、CAE、CAPP 和 CAM 等各种功能通过软件有机的结合起 来,用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处 理,以保证系统内信息流的流畅并协调各个系统有效的运行。3D 打 印(3D printing),即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型 文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的 方式来构造物体的技术。3D 打印通常是采用数字技术材料打印机来 实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现 正逐渐用于一些产品的直接制造, 已经有使用这种技术打印而成的零 部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、 汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、 枪支以及其他领域都有所应用。其中,3D 打印技术,是以计算机三 维设计模型 CAD 为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激 光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特 殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。这种数 字化制造模式不直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件, 使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 关键字:CAD/CAM,3D 打印

一.背景介绍 1.1 国外研究发展
计算机起源于上世纪 40 年代的美国,当时人们就提出了计算机 辅助设计 CAD 和计算机辅助制造 CAM 技术的设想。 CAD/CAM 起源于 20 世纪 50 年代,20 世纪 60 年代以来得到了迅速发展。起步早、影 响大的计算机辅助设计是美国的 Autodcsk 在 20 世纪 80 年代发展起 来的。开始只是计算机辅助绘图。AutoCAD1.0 只能绘制由点线构成 的二维图形,后来发展到三维图形,但也只是由线面构成的三维几何 体,再发展到实体模型以及曲面实体模型,现在则出现了以特征为基 础的参数化模型。最早研究数控自动编程系统的是美国。1952 年美 国研制出世界上第一台数控铣床。 为了解决数控加工中手工编程中遇 到的一系列难题,美国伺服机构实验室于 1953 年开始研究零件数控 加工的自动编程问题,这个研究成果于 1955 年公布。这就是 APT, 其后 APT 经发展,形成了诸如 APTIL,APTIIL 等。 CAD/CAM 技术的发展与计算机图形学的发展密切相关,并伴随 着计算机及其外围设备的发展而发展。 计算机图形学中有关图形处理 的理论和方法构成了 CAD/CAM 技术的重要基础。 CAD/CAM 系统的发展经历了三代[1]。 第一代 CAD/CAM 软件的开发始于 60 年代中期, 是以交互式图形 生成技术为基础而建立的应用技术系统, 主要解决二维绘图和简单的 数控加工。 这一时期的 CAD/CAM 的共同缺点是一二维绘图为主, APT3 语言还不能实现处理曲面的功能,且规模庞大、价格昂贵。
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第二代的 CAD/CAM 系统软件的开发是在 70 年代。这一时期 CAD/CAM 技术日趋成熟, 以小型和超级计算机为主机的 CAD/CAM 系 统进入市场并形成主流;一批专门经营 CAD/CAM 系统硬件和软件的 公司相继出现。这一代 CAD/CAM 系统的主要特点是可实现二、三维 绘图和数据加工;线框、曲面和实体建模;有限元分析等,是一个多 数据库和分散数据结构、顺序设计过程的系统。 第三代 CAD/CAM 系统软件的开发是在 60 年代中后期, 工作站的 出现再次推动了 CAD/CAM 技术的发展,工作站是以个人计算环境和 分布式网络环境为前提的高性能计算机,以工程工作站为基础的 CAD/CAM 系统具有较高的响应速度,其功能已超过了小型机的 CAD/CAM 系统。这一代系统的主要特点是使用单一数据库和统一的 数据结构,使系统实现集成和各分系统间的全关联,提供了产品数据 管理功能,使用比较方便,并采用 C 语言编码。但在数据交换技术、 工程数据管理系统、产品建模技术和实用智能化的 CAPP 技术方面还 刚刚起步。 3D 打印技术出现在 20 世纪 90 年代中期[2],它实际上是利用光固 化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。 它与普通打印工作原理基本 相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通 过电脑控制把“打印材料”逐层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变 成实物。这打印技术称为 3D 立体打印技术。 1986 年,Charles Hull 开发了第一台商业 3D 印刷机。 1993 年,麻省理工学院获 3D 印刷技术专利。
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1995 年, 美国 ZCorp 公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始 开发 3D 打印机。 2005 年,市场上首个高清晰彩色 3D 打印机 Spectrum Z510 由 ZCorp 公司研制成功。 2010 年 11 月,世界上第一辆由 3D 打印机打印而成的汽车 Urbee 问世。 2011 年 6 月 6 日,发布了全球第一款 3D 打印的比基尼。 2011 年 7 月, 英国研究人员开发出世界上第一台 3D 巧克力打 印机。 2011 年 8 月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架 3D 打印的飞机。 2012 年 11 月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用 3D 打印机 打印出人造肝脏组织。 2013 年 10 月, 全球首次成功拍卖一款名为 “ONO 之神” 的 3D 打印艺术品。 2013 年 11 月,美国德克萨斯州奥斯汀的 3D 打印公司“固体 概念”(SolidConcepts)设计制造出 3D 打印金属手枪。 2015 年 7 月,全球最大导弹生产商、美国雷神公司宣布,利用 3D 打印技术制造了下一代制导武器所需的几乎所有组件,其中包括 火箭发动机、导弹尾翼、用于制导和控制系统的部件等。雷神公司增 材制造经理 Leah Hull 称:“3D 打印导弹会成为一种简化的工艺, 当我们打印时, 相应地使用的部件就更少, 所以供应链变得更加简单,
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开发周期更短,得到零部件的速度要快得多。你可以设计更多更复杂 部件,因为你现在可以设计出以前无法加工的金属部件。”

1.2 国内研究发展
在我国,CAD/CAM 的应用于七十年代初首先从飞机工业开始,八 十年代后期逐步发展到其它行业。 同以美国为代表的西方发达国家相 比,我国的 CAD/CAM 技术从起步开始就滞后二十年时间。但是此后步 入了飞速的发展期。 我国 3D 打印的发展从 1994 年开始。 北京隆源公司于 1995 年成功研发了一台 AFS 激光快速成型 机。 1997 年,卢秉恒团队卖出了国内第一台光固化快速成型机。 2012 年 8 月 15 日, 由湖南华曙高科技公司研制的国内首台激 光 3D 打印机在长沙下线并出口美国。 该装备就能运用激光添加层烧 结技术,“打印”出设计者想要得到的任何形状复杂零部件。 2015 年 7 月 17 日上午,由 3D 打印的模块新材料两层精装 别墅现身陕西西安,建造方在三个小时完成了别墅的搭建。建造方介 绍,该座三个小时建成的精装别墅,只要摆上家具就能拎包入住。 ?? 目前,在航空航天、生物医学、建筑科学等领域均有广泛应用。

1.3 最新研究成果
丰田公司的管理人员正在评估一款城市青年主题的概念年车型, 这款概念车是由克莱姆森大学(Clemson University)国际汽车研究中
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心为该公司开发的,它的排气孔、仪表板和车门内饰都是用 3D 打印 的,而且可以根据车主的喜好进行个性化定制。

2016 年 4 月 12 日,这款被命名为 uBox 的概念车在底特律举办的汽 车工程师协会(SAE)世界大会和博览会上亮相。这款概念车结合了 实用“盒子(Box)”和移动办公室的概念,其目标人群主要是年轻 的男性和女性用户,这群人很大程度上是自由职业者或者自雇人士, 心理学家、克莱姆森大学副教授 Johnell Brooks 说,他曾经帮助指导 过这个项目。据中国 3D 打印网了解,这款概念车是跟位于密歇根州 的丰田研发部门合作开发的。它是一款电动汽车,设计师希望它能够 成为移动办公室,因此它的座椅十分灵活,甚至可以变成办公桌,上 面还设置了 110 伏的电源插座, 使得自由职业者们可以在任何地方使 用工具或者操作设备,丰田北美公司的发言人 Brian Watkins 说。
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这款车采用了一种结合了碳纤维和铝的轻质车顶结构, 并且嵌入 了一个曲面的玻璃车顶,可以使更多的阳光进入车辆。另外,其排气 管、仪表盘和车门内饰都可以通过 3D 打印进行个性化定制,设计师 还设想了一个专门针对车主的在线社区, 使他们可以在上面分享自己 的个性化设计。 至于汽车的内部,使用了平坦、未上漆的碳纤维-——反映出年 轻消费者对于“真实和不加雕饰”理念的偏好,Brooks 说。

车内座位可以移动,开辟出一个办公区域。 据悉, 该 uBox 项目是克莱姆森大学推动其研究生投入先进汽车 领域以解决汽车制造商们面临的具有挑战性问题的一次最新尝试。

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1.4 未来前景分析
随着智能化技术的进一步发展成熟,新的信息技术,控制技术, 材料技术等不断地被应用到智能领域,3D 打印技术也将被推向更高 的层面。未来,3D 打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用 化以及便携化等主要趋势[3]。 提升 3D 打印的速度、效率和精度,开拓并行打印,连续打印, 大件打印,多材料打印的工艺方法,提高成品的表面质量,力学和物 理性能, 以实现直接面向产品的制造; 开发更为多样的 3D 打印材料, 如智能材料,功能梯度材料,纳米材料,非均质材料和复合材料等; 特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个 热点;3D 打印机的提及小型化,桌面化,成本更低廉,操作更简便; 更适用于分部化生产, 设计与制造一体化需求以及家庭日常应用的需
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求,软件集成化,实现 CAD/CAPP/RP 一体化,使设计软件和生产控制 软件能够无缝对接,实现设计者直接联网控制远程的在线制造;拓展 3D 打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等的发展。

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二.CAD/CAM 主要应用与发展前景 2.1 在制造业中的应用
1.CAD 技术作为一种设计工具,其核心目标是帮助工程技术人员 设计出更好、更具市场竞争力的产品。在控制产品的设计过程、应用 工程设计知识,实现优化设计和智能设计的同时,也需具有丰富的图 形处理功能, 实现产品的"结构描述"与"图形描述"之间的转换。 因此, 在以几何模型为主的现代通用 CAD 技术基础上, 发展面向设计过程的 智能 CAD 技术是一种必然的趋势。 2.对于产品设计而言, 通过网络化的手段可以帮助设计师及其企 业改造传统的设计流程,创造一种顺应人性而又充满魅力的设计环 境。同时,在基于网络协同完成设计任务的同时,与制造、商务等的 全面融合更带来了技术和应用两个领域革命性的进步。 随着 Web 技术 的不断渗透, 支持 Web 协同设计方案的 CAD 软件已经出现并趋于成熟, CAD 软件的团队协作能力可以直接利用互联网进行。 3.CAD 向简化和自动化的方向发展,这使该技术可以适合机械设 计以外的众多应用。另外,对于某一个应用 CAD 技术的单位来讲,随 着 CAD 技术及相关技术的发展成熟, 需要从整体的角度来考虑这项技 术的发展。利用基于网络的 CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM 集成技术,实现 真正的全数字化设计与制造。当企业甩掉图板后,提出了深化应用研 究的要求,主要表现为 CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM 的集成和网络环境下 计算机辅助技术的推广应用。 CAD 技术成为中小企业技术需求的热点。 CAD 技术,无疑是推动中小企业技术升级的突破口。在中小企业普及
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CAD 应用,将成为新世纪 CAD 应用工程的重要领域。网络环境为 CAD 的集成、开放和智能化创造了条件,是使推动应用 CAD 技术面临着新 的发展契机。软件产业作为全球经济的热点,在制造业 CAD 的增值作 用是十分巨大的。

2.2 未来发展趋势
基于产品信息共享和分布计算的网络 CAD 系统,则被认为是 CAD 未来的发展方向。随着信息化的逐步深入,设计领域越来越需要大规 模的分工与合作,未来 CAD 软件的发展,将适应企业提高市场响应能 力和产品设计水平双方面需要。跨专业、跨地域的基于网络化协同设 计,可以大幅缩短产品设计周期,快速地研发出满足市场变化和需求 的产品,提高企业的竞争能力。因此,借助网络平台实现这一目标, 是 CAD 发展大势所趋。 从前, 限于硬件条件限制, 协同设计只能是 “空 中楼阁”,但随着高速 CPU 处理器、大容量存储设备及宽带通信网络 等现代计算机、 通信硬件技术的成熟, 协同设计具有了现实的可能。 ”

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三.实例分析:三维 CAD 和 3D 打印在复杂零件铸造中的应用 3.1 铸件工艺及模具设计
首先,用三维 CAD 软件把客户提供零件的三维模型去除需要机 加保证或添加需要预留加工余量的部分, 其内部管系无法机加形成需 要铸造时铸出,形成铸件三维图(其外表面透明处理后,如图一)。 形成铸件图的过程中工艺设计人员需与产品设计人员充分沟通解决 遇到的问题,现在的网络技术真正实现了“天涯若比邻”使不同地区 人员便捷的交流。 而三维模型在交流中的应用使设计人员间传递信息 更加完整清晰,减少了出错的可能[4]。

工艺设计过程需根据铸件情况确定浇注系统参数, 其原则和传统 铸造一样这里就不细述了。

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其次,在三维 CAD 中用相关模块对铸件进行分模,形成铸件的 模具(图二)。模具设计时,需根据零件材料选择合适收缩率。由于 我们此次 3D 打印所用的材料为覆膜砂, 其为, 圆球度高, 流动性好, 砂的表面包裹酚醛树脂而成。所用宝珠砂的圆球度高,流动性好,可 振动清砂,涣散性好、铸件表面光洁度高,热稳定性好、导热性好、 耐高温、抗粘砂性好、固化速度快。所以采用的收缩率和传统铸造时 一样。原砂的颗粒形状对型砂的性能的影响:1、采用圆形砂配制的 树脂砂,其它条件相同的情况下,砂型的抗拉强度比用多角形砂者可 能提高一倍或更多一些。但是,两者的抗压强度切大致相同,用三角 形砂者可能更高一些。2、采用圆形砂配制的树脂砂,流动性比多角 形砂者好很多。在相同的紧实情况下,前者制成的试样或铸型,比后 者制成的尺寸相同的试样或铸型重 15%~17%.也就是说, 铸型的密度 将提高 15%~17%.3、造成上述抗拉强度差别的主要原因是用圆形砂 者试样的密度高、粘结桥数量多,而不是砂粒表面积的改变。4、圆 形砂作原砂时,砂型的脱模性能比用多角形砂者好得多,对于有深砂 台、脱模困难的铸型应采用圆形砂。
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砂芯(如图三)设计时,采用整体结构,提高铸件的尺寸精度[5]。

砂芯要求定位准确,所以采用定位芯头。芯头和芯头座间应留一定间 隙,保证砂芯安装。此外,为了提高铸件表面质量铸型和砂芯表面要 涂涂料,设计模具时为保证尺寸精度,应在成型部分留出涂料厚度。 我们根据实际情况一般采用的涂料厚度在 0.2~0.5 之间。 设计好的 模具零件可根据需要在适当位置做加强或支撑, 保证零件 3D 打印时 和打印后清理运输过程的强度,待合模时去除就行了。就可以分别转 换成 STL 格式的文件传递到 3D 打印机中进行打印了。

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四.总结
与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定 型、切削以最终生产成品不同,3D 打印将三维实体变为若干个二维 平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产。具有如下的优势[6]: 1.制造复杂产品不增加生产成本。对一般的制造而言,物体形状 的复杂程度与其制造成本成正比。对 3D 打印机而言,打印一个形状 复杂的产品与打印一个简单的产品相比只要它们打印中所需移动的 距离一致并不消耗更多的时间、技能或成本。 2.产品多样化不增加生产设备。一台 3D 打印机可以打印许多形 状,而一般的制造设备功能较少,做出的形状种类有限,要做出一个 复杂零件经常需要许多台不同的设备组合起来才能完成。 3.能整体成型,减少对产品零件的拆分。对于一些复杂的零件由 于加工条件 4.设计空间不受限制。设计者可以按自己的想法设计不再太受加 工手段的制约。 5.低技能制造。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对员工 技能的要求, 然而一般的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器 调整和校准。3D 打印机从设计文件里获得各种指示,其操作人员所 需操作技能较少。 6.减少加工余量对材料的浪费及模具。传统金属加工中为了得到 所需零件,经常产生废弃的副产品。在铸造中为了得到铸件经常需要 许多不同的模具。3D 打印机用于生产就可以减少这些,甚至不用。
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五.参考文献
[1]蔡颍等主编,计算机辅助设计与研究,北京理工大学出版社,2000 年。 [2]王雪莹,《3D 打印技术与产业的发展前景分析》,2012.6 [3] 《3D 打印从想象到现实》 [美]胡迪.利普森 梅尔芭.库曼著 赛迪研究院专家组 译[M].北京:中信出版社 2013.4 [4] 伏勇 邹新民 李远哲等,《三维 CAD 和 3D 打印在复杂零件铸造中的应 用》,2015.11 [5]《铸造工艺设计技术与生产质量控制实用手册》 李昂 吴密主编[M] 金版电 子出版社 2011.1 [6]Wohlers Associates.Additive manufacturing and 3D printing state of the indu stry. Annual Worldwide Progress Report . 2012

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