CAID與3D打印技術(shù)研究初探

鄭 霞

廣西師范大學(xué)廣西桂林541006

CAID與3D打印技術(shù)研究初探

鄭 霞

廣西師范大學(xué)廣西桂林541006

當(dāng)前自從世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)就一直在不斷的發(fā)展，尤其是在最近20年當(dāng)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在各行各業(yè)當(dāng)中具有非常廣泛的運(yùn)用，在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中我們隨處可以看到計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，其中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是在工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)技術(shù)，當(dāng)前在工業(yè)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)一線以及各大高校設(shè)計(jì)專業(yè)當(dāng)中CAID都具有非常重要的意義。3D打印技術(shù)是隨著CAID技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種技術(shù)，3D技術(shù)在最近幾年當(dāng)中取得了突破性的進(jìn)展，其技術(shù)已經(jīng)基本趨于成熟，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中也具有非常廣泛的運(yùn)用。但是當(dāng)前階段關(guān)于CAID與3D打印的相關(guān)融合還沒(méi)有引起人們的廣泛關(guān)注，基于此種情況，本文對(duì)CAID技術(shù)與3D打印技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)二者進(jìn)行了介紹與對(duì)比，并探究了二者在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中的運(yùn)用。

CAID；3D打??；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；工業(yè)設(shè)計(jì)

引言

工業(yè)設(shè)計(jì)是在伴隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)行業(yè)，迄今為止工業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一百多年的發(fā)展歷史。在工業(yè)發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的需求不斷提高，從而促使生產(chǎn)廠家必須要提高產(chǎn)品的外觀、構(gòu)造以及形態(tài)，從而促進(jìn)了工業(yè)設(shè)計(jì)的誕生。工業(yè)設(shè)計(jì)最初的內(nèi)容就是對(duì)單個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，現(xiàn)如今工業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為了整體性的服務(wù)與產(chǎn)品生命周期當(dāng)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其內(nèi)容被不斷的豐富與完善，這種設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變也對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了較大的影響。我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)起步相對(duì)較晚，在上個(gè)世紀(jì)80年代，我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)才逐漸開(kāi)始走進(jìn)人們的生活當(dāng)中，同時(shí)當(dāng)時(shí)的工業(yè)設(shè)計(jì)水平相對(duì)較低，工業(yè)設(shè)計(jì)受到藝術(shù)設(shè)計(jì)的影響也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是產(chǎn)品的外觀方面[1]。隨著改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，到上個(gè)世紀(jì)90年代左右，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，在這樣的背景下，我國(guó)的工業(yè)產(chǎn)品制造技術(shù)不斷趨于完善，同時(shí)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)在社會(huì)當(dāng)中也火熱開(kāi)展起來(lái)，同時(shí)在這個(gè)時(shí)期以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)開(kāi)始走向成熟，因此利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)就開(kāi)始在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中出現(xiàn)，從而出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)，即CAID，在CAID技術(shù)開(kāi)始在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中廣泛運(yùn)用的同時(shí)，3D打印技術(shù)也出現(xiàn)了，但是3D打印技術(shù)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都處于停滯不前的狀態(tài)當(dāng)中，直到2010年左右，3D打印技術(shù)才取得了突破性的進(jìn)展，3D打印技術(shù)才被運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，尤其是在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中具有非常廣泛的運(yùn)用，許多設(shè)計(jì)師通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，有效的縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期，省去了設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中的模型制造與審核的環(huán)節(jié)，極大的推動(dòng)了工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展[2]。

一、CAID簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)是從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展而來(lái)的一個(gè)新的概念，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多配套的設(shè)計(jì)軟件也逐漸成熟起來(lái)，如CAD與有限元軟件等開(kāi)始出現(xiàn)，從而允許計(jì)算機(jī)被使用在設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中。而CAID就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫。從CAID的本質(zhì)上進(jìn)行分析，CAID技術(shù)是在工業(yè)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐下系統(tǒng)形成的一種全新的技術(shù)，是與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)存在著極大的差別的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法相比，CAID在設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率方面都發(fā)生了顛覆性的改變，從而為工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了重要的動(dòng)力。CAID技術(shù)是一種包含了多種不同屬性的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如虛擬顯示技術(shù)、模糊技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體等，同時(shí)不同的技術(shù)之間也存在著一定的交叉，由此可見(jiàn)CAID技術(shù)是一種綜合性的技術(shù)[]。

在工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，往往需要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)才能使得最終的產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)，首先需要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行必要的調(diào)查，了解用戶對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際需求，并設(shè)定產(chǎn)品的市場(chǎng)定位，再繪制草圖與效果圖，之后還需要制造出數(shù)據(jù)模型與實(shí)物模型，最終才能進(jìn)行產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)品的可視化過(guò)程是非常關(guān)鍵的一個(gè)部分，只有做好這部分工作才能在產(chǎn)品量產(chǎn)之前對(duì)其中所存在的不足支出與錯(cuò)誤進(jìn)行改進(jìn)，從而促進(jìn)了產(chǎn)品的完善，在進(jìn)行可視化工作的過(guò)程當(dāng)中，往往需要CAID技術(shù)的支撐，例如在進(jìn)行產(chǎn)品效果圖繪制的過(guò)程當(dāng)中，我們可以利用PS、Coreldraw等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二維效果圖的繪制，利用3DMax等軟件進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)。而在數(shù)據(jù)模型階段，CAID也具有非常廣泛的運(yùn)用，例如可以使用一些工程類的軟件進(jìn)行工程模型的制作，如SolidWorks與CATIA。從而為后期的產(chǎn)品生產(chǎn)做出充分的準(zhǔn)備。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中使用CAID技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的使用手工效果圖與模型制作的方式極大的提高了涉及的效率，同時(shí)也使得設(shè)計(jì)的精確性得以有效的提升。當(dāng)前階段在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中使用CAID技術(shù)進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件已經(jīng)非常的豐富，尤其是在計(jì)算機(jī)硬件不斷升級(jí)的基礎(chǔ)上各種軟件的性能也得到了極大的提升，并不斷的朝著智能化與集中化的方向發(fā)展。因此，在未來(lái)計(jì)算機(jī)會(huì)完美呈現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)構(gòu)想，不用去花費(fèi)太多的精力和時(shí)間去學(xué)習(xí)各種軟件建模、渲染技術(shù)。這樣是技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)師的一種解放，讓設(shè)計(jì)師可以把更多的精力集中到設(shè)計(jì)創(chuàng)造階段[4]。

CAID在工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用也不僅僅局限于設(shè)計(jì)表現(xiàn)方面的運(yùn)用，我們可以將CAID技術(shù)推向工業(yè)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，例如，在進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的前期調(diào)研過(guò)程當(dāng)中，我們可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)的調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析與論證，從而提高產(chǎn)品市場(chǎng)定位的精確性，在最近幾年發(fā)展起來(lái)的大數(shù)據(jù)技術(shù)就可以充分的使用在該領(lǐng)域當(dāng)中。還有設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)分析，只要有了數(shù)據(jù)模型，我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，用人體數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，提出更合理的人因工程分析數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)師改進(jìn)設(shè)計(jì)。這些都是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)該發(fā)揮作用的方面[5]。

二、3D打印技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)是在上個(gè)世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種全新的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)需要以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的模型數(shù)據(jù)為基本依據(jù)，利用塑料或者粉末狀的材料通過(guò)逐層打印的方式來(lái)將實(shí)際的物體制造出來(lái)。3D打印技術(shù)在問(wèn)世之后，廣受設(shè)計(jì)人員的歡迎，被廣泛的使用在設(shè)計(jì)模型的制造方面，但是隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印的應(yīng)用已經(jīng)不再僅僅局限在設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中也具有非常廣泛的運(yùn)用，一些工業(yè)零部件已經(jīng)開(kāi)始采用3D打印的技術(shù)開(kāi)始生產(chǎn)[6]。

但是總體來(lái)說(shuō)3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較多的，在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，在設(shè)計(jì)的最后階段都需要制作一個(gè)模型，用來(lái)測(cè)試和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。一般來(lái)說(shuō)一個(gè)模型的制作周期大約為1周左右，模型的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也較大，同時(shí)通過(guò)手工制作的模型在精度方面還存在著較大的問(wèn)題，如果還需要進(jìn)行開(kāi)模的話，模型的價(jià)格則會(huì)更高，但是如果采用3D打印技術(shù)進(jìn)行模型的制作，只需要通過(guò)一臺(tái)3D打印機(jī)與制作材料在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)就可以將模型制作出來(lái)，同時(shí)模型的精度還非常高，這就可以使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程被極大的縮短了，同時(shí)也可以有效的降低制作成本。當(dāng)前階段3D打印機(jī)的制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也較低，許多企業(yè)都會(huì)為設(shè)計(jì)工作配置3D打印機(jī)，甚至還有部分企業(yè)推出了家用的3D打印機(jī)[7]。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)制造業(yè)與工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化，當(dāng)前階段3D打印在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造方面的應(yīng)用已經(jīng)在很大程度上改變了人們的日常生活，例如可以通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行房子的制造，可以使得一些生活在極端環(huán)境下人群的居住環(huán)境得以有效的改善，通過(guò)3D打印技術(shù)還可以進(jìn)行人體器官的打印，從而避免了大量的器官移植需求得不到滿足的現(xiàn)狀。

三、CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的結(jié)合

CAID技術(shù)與3D打印技術(shù)本來(lái)就是兩種相輔相成的技術(shù)，3D打印技術(shù)必須要以一定的數(shù)據(jù)模型作為打印的基本依據(jù)，而3D打印技術(shù)則將虛擬的工業(yè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成了實(shí)際的模型，因此，如果實(shí)現(xiàn)CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的有效結(jié)合，則可以推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，同時(shí)也會(huì)使得這兩種技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用得到一定的推廣[8]。

在下文當(dāng)中，筆者將通過(guò)一個(gè)自己實(shí)際操作的案例分析CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的實(shí)際運(yùn)用。在該案例當(dāng)中，需要進(jìn)行一個(gè)吉祥物的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的原稿是由他人進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此，在此僅僅討論數(shù)據(jù)模型的制作過(guò)程與3D打印的實(shí)際過(guò)程。下圖一為通過(guò)CAID技術(shù)所制作出來(lái)的二維效果圖，這兩個(gè)吉祥物分別被明明為花花與桃桃，其人物造型是以花與桃子為原型的，三維模型制作階段應(yīng)用了McNeel公司開(kāi)發(fā)的Rhinoceros軟件和多邊形建模插件T-spline。借助于T-spline的自由多邊形建模功能，在數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)過(guò)程當(dāng)中，首先需要構(gòu)建花花與桃桃的身體部位，再通過(guò)多邊形轉(zhuǎn)NURBS曲面的命令，轉(zhuǎn)成Rhinoceros軟件中可用來(lái)編輯的NURBS曲面[9]。在完成這些工作之后還需要對(duì)人物的身體方面的細(xì)節(jié)進(jìn)行充分的修飾，最后才能完善數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)模型的構(gòu)成如下圖二中所示。在完善數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)之后，需要將相關(guān)的模型數(shù)據(jù)保存為STL格式，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來(lái)，在導(dǎo)出數(shù)據(jù)之后，再將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到與3D打印機(jī)相連的計(jì)算機(jī)當(dāng)中的打印軟件。在該案例當(dāng)中所使用的3D打印機(jī)是我國(guó)國(guó)產(chǎn)的3D打印機(jī)，打印機(jī)與打印軟件如下圖三中所示，通過(guò)定位、打印尺寸等的設(shè)置后打印機(jī)便會(huì)執(zhí)行指令，開(kāi)始逐層打印，直到打印完畢。最后還需要對(duì)3D打印所得出的實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的人工處理，最后就可以得到模型。在該案例當(dāng)中從最開(kāi)始的數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建到最后的打印完成耗時(shí)一周不到，所得到的模型效果也相對(duì)較高[10]。

圖一 二維效果圖

圖二 三維數(shù)據(jù)模型

圖三 3D打印機(jī)與打印軟件

圖四 3D打印的最終模型

四、結(jié)語(yǔ)

在本文當(dāng)中，筆者對(duì)CAID與3D打印進(jìn)行了簡(jiǎn)略的介紹，并以此為基礎(chǔ)分析了CAID與3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用，最后通過(guò)實(shí)例對(duì)二者之間的結(jié)合進(jìn)行了分析。我們可以發(fā)現(xiàn)，將CAID與3D打印技術(shù)結(jié)合在一起可以有效的提高工業(yè)設(shè)計(jì)的效率，在提高設(shè)計(jì)速度的同時(shí)，還能提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，并有效降低設(shè)計(jì)成本，應(yīng)該在實(shí)際的使用過(guò)程當(dāng)中大力推廣。

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