《机械创新设计》课件-项目4 数字化设计与制造技术

1.3D打印技术基础3D打印技术基础什么是3D打印呢？3D打印的概念三种制造工艺3D打印技术的分类3D打印的工作流程01什么是3D打印呢？PARTONE什么是3D打印呢？简单来说，3D打印机首先会在一个平面上，也就是二维空间内，打印出一层物体的截面。然后，它会继续在这个基础上，打印出下一层截面，并将这一层与上一层紧密地黏合在一起。通过这样一层层材料的累积，最终，一个完整的三维物体就形成了。它是基于离散和堆积原理，用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成实体零件，专业术语也称为“快速成型技术”或“叠加制造技术”。三维——二维——三维的转换离散和堆积原理023D打印的概念PARTTWO3D打印的概念、、

3D打印是快速成型（RapidPrototyping）技术的一种，又称增材制造（AdditiveManufacturing），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。03三种制造工艺PARTTHREE三种制造工艺减材制造：切削工艺等材制造：铸造工艺增材制造：3D打印043D打印技术的分类PARTFOUR3D打印技术的分类按照成型方式主要分为7大类（1）熔融沉积成型（FDM）（2）光固化立体成型（SLA）（3）数字光处理（DLP）（4）选择性激光烧结（SLS）（5）选择性激光熔化（SLM）（6）三维打印粘接（3DP）（7）连续液面生长（CLIP）053D打印的工作流程PARTFIVE3D打印的工作流程计算机软件建模（3D数据）数据文件切片处理用液体/粉末/片状的材料将3D图像逐层地“打印”出来将3D图像各层截面以某种方式“粘合”起来01.3D打印的基本概念02.3D打印按照成型方式的分类03.3D打印的工作流程有几个步骤3D打印技术相比传统制造工艺（如减材制造和等材制造）的主要优势？分析不同3D打印技术（如FDM、SLA、SLS等）的成型原理及其适用材料，并讨论这些技术对打印质量和成本的影响？3D打印技术在未来制造业中的发展趋势，包括技术创新、市场应用、以及可能面临的挑战和解决方案？2.3D建模软件认识与操作目录01.专业3D建模软件02.工业3D建模软件03.UG软件概述01专业3D建模软件PARTONE一、专业3D建模软件13DSMax3Softimage5Rhino2Maya4LightWave6Cinema4D02工业3D建模软件PARTTWO二、工业3D建模软件1AutoCAD3SolidWorks5Pro-E2Catia4UG03UG软件概述PARTTHREE三、UG软件概述（一）软件工作界面UGNX软件是一个高度集成的CAD/CAM/CAE软件系统，该软件具有强大的草图绘制、实体造型、曲面造型、虚拟装配、模拟仿真、产生工程图等功能，可应用于产品的整个开发过程。下拉菜单区标题栏工具条按钮区部件导航区图形区三、UG软件概述（一）软件工作界面01.文件管理“文件”菜单中包括“新建”、“打开”、“插入”、“保存”、“导出”等常见文件管理命令。三、UG软件概述（一）软件工作界面02.主页栏点击“主页”，有“直接草图”、“特征”、“同步建模”、“标准化工具”等多个常用快捷工具模块，单击每个模块右下的黑色小三角形，可调整显示模块显示内容。三、UG软件概述（一）软件工作界面单击“直接草图”下方的“菜单”，可弹出下图所示的“菜单”界面，可选择各种操作。单击“菜单”下方的齿轮状图标，弹出“资源条”，鼠标左键单击将“销住”左侧的“√”标志去掉，则部件导航区自动隐藏。三、UG软件概述（一）软件工作界面03.装配工具装配工具如下图所示。三、UG软件概述（一）软件工作界面04.曲线工具曲线工具如下图所示，包括“直接草图”、“曲线”、“派生曲线”、“编辑曲线”多个模块。三、UG软件概述（一）软件工作界面05.曲面工具曲面工具如下图所示，包括“曲面”、“曲面操作”、“编辑曲面”等模块。三、UG软件概述（一）软件工作界面06.逆向工程逆向工程工具如下图所示，包括“对齐”、“构造”、“小平面体操作”、“分析”等模块。三、UG软件概述（一）软件工作界面07.分析工具分析工具如下图所示，包括“测量”、“面形状”两个模块。三、UG软件概述（一）软件工作界面08.视图工具视图工具如下图所示，视图工具的使用有利于快捷地找到合适的编辑角度，简化操作步骤。三、UG软件概述01.对象首选项（二）软件基本设置选择“菜单”→“首选项”→“对象”命令，弹出“对象首选项”对话框，下如图所示。该对话框主要用于设置对象的属性，如颜色、线型和线宽等（新的设置只对以后设置的对象有效，对以前创建的对象无效）。三、UG软件概述02.“用户界面”首选项（二）软件基本设置选择“文件”下拉菜单→“首选项”→“用户界面”命令，或者选择“菜单”→“首选项”→“用户界面”命令，系统弹出如下图所示的“用户界面首选项”对话框。该对话框中的“常规”选项卡主要用来设置窗口位置、数值精度和宏选项等。三、UG软件概述03.“选择”首选项（二）软件基本设置选择“文件”→“首选项”→“选择”命令，或者“菜单”→“首选项”→“选择”命令，系统弹出“选择首选项”对话框，如图所示，主要设置光标预选对象后，选择球大小、高亮显示的对象、尺寸公差和矩形选取方式等选项。01.3D建模软件分类及特点02.UG软件核心功能1.分析UG软件在工业设计中相较于其他工业3D建模软件的核心竞争力，并探讨其在智能制造中的潜在应用？2.实际操作中，如何利用UG的装配导航器提升复杂机械结构的装配效率？尝试规划一个装配流程并思考可能遇到的挑战及解决方案。3.FDM打印设备与操作01.打印机工作原理02.打印机的结构组成03.切片软件04.打印操作01打印机工作原理PARTONE一、打印机工作原理（一）单喷头桌面机热熔性丝料（通常为ABS或PLA等热塑性材料）首先缠绕在供料辊上，随后由步进电机驱动辊子旋转。在挤出机构的作用下，丝料被送向热喷头的喷嘴。其间，丝料会经过一个导向套。热喷头上方配备有电阻丝式加热器，丝料在加热器的作用下被加热至熔融状态。随后，熔融材料通过热喷嘴被挤压到工作台上，并在冷却后形成工件的一个截面。一、打印机工作原理（二）双喷头桌面机新型FDM设备采用双喷头设计：一个喷头挤出成型材料，另一个喷头挤出支撑材料。成型材料丝较细、价格高且沉积效率低；支撑材料丝较粗、成本低且沉积效率高。支撑材料通常为水溶性或低熔点材料，便于后期通过物理或化学方法去除。02打印机的结构组成PARTTWO二、打印机的结构组成（一）打印机结构Ender-3二、打印机的结构组成（二）打印机特点（1）简易调平方式：大号手拧螺母，调平速度快。（2）快速加温：5分钟实现热床温度达到110°，实现快速加温和打印各耗材的需要。（3）高精度打印：CNC加工Y轴安装槽，精准定位，结构稳定，实现高精度打印。（4）断电续打：断电后自动储存打印记录，通电后继续打印，提升模型打印成功率。（5）线性滑轮系统：V型材+精密滑轮完美组合，运动平稳，更耐磨。二、打印机的结构组成（三）屏幕信息03切片软件PARTTHREE三、切片软件（一）切片软件进入创想三维官网（)选择服务支持资料下载切片软件选择CrealitySlicer进行下载三、切片软件（二）切片软件界面选项栏打印主要参数设置导入/导出文件打印预计时间选择模型显示方式当前模型模拟打印平台模型位置大小调整04打印操作PARTFOUR四、打印操作（一）装载耗材将喷嘴升温至200度将耗材装上料架将耗材插入挤出机直至喷头出丝换料或使用进料/退料功能时需要加热喷嘴。注四、打印操作（二）设备操作打开三维切片软件→Load（读取文件）→选择文件修改参数→保存（保存到U盘）01.FDM打印机的基本原理02.FDM打印机的核心部件03.FDM打印的操作流程1、在FDM打印过程中，哪些因素会直接影响打印物体的精度和质量？2、FDM打印机的核心部件中，哪一个部件对打印物体的表面质量影响最大？3、在实际操作中，如果遇到FDM打印机喷嘴堵塞的问题，应该如何进行故障排除？4.FDM桌面3D打印调平01.手动调平02.半自动调平03.全自动调平01手动调平PARTONE一、手动调平调平平台选择准备→自动回原点等待喷嘴移动至平台左前方扭平台下的四个螺母选择准备→关闭步进驱动将A4纸放置入喷嘴与平台之间02半自动调平PARTTWO二、半自动调平转动旋钮选择准备选择回原点等待机器回原点将A4纸放置入喷嘴与平台之间二、半自动调平选择准备——调平——下一步旋转平台下的调平螺母使喷头刚好在A4纸上产生划痕再次点击下一步03全自动调平PARTTHREE三、全自动调平将平台下的调平螺母稍微扭紧点击设置，选择调平模式等待机器启动并回到原点将0.2mm塞尺放于喷嘴与平台间隙之间三、全自动调平在显示屏上点击Z调至喷嘴刚好接触到塞尺取出塞尺观察喷头后的自动调平指示灯是否亮起若灯亮，用一字螺丝刀拧上面的螺丝先逆时针旋转至灯灭，再顺时针旋转把灯拧亮三、全自动调平点击Z回零检查喷嘴与平台距离是否调好若是距离调整好，点击平台测量机器自动开始16点测量补偿调平01.调平概念与重要性02.调平步骤1、全自动调平过程中，为什么使用0.2mm塞尺作为参照物？如果更换为其他厚度的塞尺，会对打印质量产生什么影响？2、在进行16点测量补偿调平时，如果某个测量点的补偿值异常大或异常小，可能的原因是什么？应如何解决？5.逆向工程和扫描仪介绍01.逆向工程简介02.三维扫描仪的操作03.UG产品模型的重构技术04.打印操作01逆向工程简介PARTONE一、逆向工程简介逆向工程也称反求工程、反向工程等，是相对于传统正向工程而言的。传统的产品实现通常是从概念设计到图样、再制造出产品，我们称之为正向工程，而产品的逆向工程是根据零件（或原型）生成图样，再构造产品。（一）逆向工程定义（a）正向工程（b）逆向工程概念设计详细设计CAD数模模具成品实物样件数据获取CAD数模模具成品一、逆向工程简介逆向工程的过程：首先由数据采集设备获取样件表面（有时需要内腔）数据，其次导入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD

软件进行前处理，然后进行曲面和三维实体重构，在计算机上复现实物样件的几何形状，并在此基础上进行修改或创新设计，最后对再设计的对象进行实物制造。

其中从数据采集到CAD模型的建立是反求工程中的关键技术。（二）逆向工程工艺流程产品快速成型制STL文件实物原型三维数据扫描数据处理产品NC加工NC代码生成数据重构（CAD）、CAE分析、创新设计等快速模具制产品一、逆向工程简介（三）逆向工程应用领域逆向工程的应用可分为三个层次：仿制、改进设计和创新设计。仿制是逆向工程应用的低级阶段；改进设计是一个基于逆向工程的典型设计过程；而创新设计是逆向工程的高级应用。逆向工程的应用主要集中在以下几方面新：产品开发、产品的仿制和改型设计、快速模具制造、医学领域断层扫描。汽车的仿制和改型设计头颅骨的反求一、逆向工程简介（四）逆向工程的发展方向在目前工作的基础上，逆向工程技术还有许多问题需要进一步的探讨和研究，主要包括以下几方面：测量数据方面发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现实物几何形状的三维数字化。数据处理方面开发一种通用的数据接口软件，改善数据处理的算法，使处理速度更快；减少建模过程中的相互操作，降低设计人员的劳动强度。集成技术方面发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术，逆向工程技术与有限元分析技术的集成。02三维扫描仪的操作PARTTWO二、三维扫描仪的操作（一）三维扫描仪的种类三维扫描仪是一种进行三维扫描的科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据。其搜集等数据常被用于进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数据模型。三维扫描仪分为接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪。三坐标测量仪三维激光扫描仪二、三维扫描仪的操作（二）接触式数据扫描的工作原理三坐标测量原理是将被测物体置于三坐标测量机的测量空间中，测得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标，求出其尺寸和形位误差。CMM的工作原理二、三维扫描仪的操作（三）非接触式数据扫描的工作原理非接触扫描方法由于其高效性和广泛的适用性，并且克服了接触式测量的一些缺点，在逆向工程领域的应用和研究日益广泛。非接触式扫描设备是利用某种与物体表面发生互相作用的物理现象来获取物体表面的三维坐标信息。其中激光三角法和结构光法应用最为广泛。二、三维扫描仪的操作（四）三维扫描仪的工作流程三维激光扫描仪的工作过程大致可以分为计划制定、外业数据采集和内业数据处理三部分。1.首先需要制定详细的工作计划，做一些准备工作。2.外业工作主要是采集数据：主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等等。3.内业数据处理是最重要也是工作量最大的一环，主要包括：外业采集到的激光扫描原始数据的显示，数据的规则格网化，数据滤波、分类、分割，数据的压缩，图像处理，模式识别等等。03UG产品模型的重构技术PARTTHREE首先指定一个允许的误差值，并设定曲线控制顶点的数目，用最小二乘法求出一条曲线后，计算测量点到曲线的距离作为曲线的误差值。若最大的距离值大于逼近误差值时，则需增加控制顶点的数目，重新拟合曲线，直到测量点的误差小于逼近误差。通过所有测量点构造一条曲线。该方法等优点是曲线与点数据等误差为0；缺点是当点数据量过大时，曲线控制点业相对增多，同时不能除去由于测量带来的噪声点。因此采用插值法拟合曲线时，应先进行数据平滑处理来去除测量坏点。三、UG产品模型的重构技术（一）曲线拟合1.逼近法拟合曲线2.插值法拟合曲线三、UG产品模型的重构技术（二）曲面重构1.按曲面构造分2.按造型方法分按曲面构造分，曲面重构有两种方法：1.以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法。2.以B样条或NURBS曲面为基础的曲面构造方法。按造型方法分，曲面重构分为：1.基于曲线的曲面重构方法。2.基于测量点直接拟合的曲面造型方法。三、UG产品模型的重构技术（三）基于特征的模型恢复技术原始设计参数还原是逆向工程的基础，如何从测量数据点中确定原设计参数是一个特征识别问题。参考特征造型的特征定义方法，原设计参数可定义为几何特征参数、形状特征参数、精度特征参数、性能特征参数和制造特征参数等。04UG逆向造型的方法和技巧PARTFOUR四、UG逆向造型的方法和技巧（一）测点测点之前规划好该怎么测点。由设计人员提出曲面测点的要求。一般原则是在曲率变化比较大的地方测点要密一些，平滑的地方则可以稀一些。由于一般的三坐标测量机取点的效率大大低于激光扫描仪，所以在零件测点时要做到有的放矢。值得注意的是除了扫描剖面、测分型线外，测轮廓线等特征线也是必要的，它会在构面的时候带来方便。四、UG逆向造型的方法和技巧（二）连线01点整理连线之前先整理好点，包括去误点和明显缺陷点。同方向的剖面点放在同一层里，分型线点、孔位点单独放一层，轮廓线点也单独放一层。02点连线连分型线点尽量做到误差最小并且光顺。对汽车、摩托车中一般的零件来说，连线的误差一般控制在0.5mm以下。选点间隔尽量均匀，有圆角的地方先忽略，做成尖角，做完曲面后再倒圆角。03曲线整理因测量有误差及样件表面不光滑等原因，连成样条的曲率半径变化往往存在突变，对以后的构面的光顺性有影响。因此曲线必须经过调整，使其光顺。四、UG逆向造型的方法和技巧（三）构面运用各种构面方法建立曲面，包括ThoughCurveMesh、ThoughCurves、Rule、Swept、Frompointcloud等。构面方法的选择要根据样件的具体特征情况而定，最常用的是ThoughCurveMesh，将调整好的曲线用此命令编织成曲面。Thoughcurvemesh构面的优点是可以保证曲面边界曲率的连续性，因为Thoughcurvemesh可以控制四周边界曲率（相切），因而构面的质量更高。而Thoughcurves只能保证两边曲率，在构面时误差也大。假如两曲面交线要倒圆角，因Thoughcurvemesh的边界就是两曲面的交线，显然这条线要比两个ThoughCurves曲面的交线光顺，这样Blend出来的圆角质量是不一样的。四、UG逆向造型的方法和技巧（四）实体重构当模型比较简单且所做的外表面质量比较高时，用缝合增厚指令就可构建实体。但大多数情况下不能增厚，此时只能采用偏置外表面。偏置后的曲面有的需要裁剪，有的需要补面，用各种曲面编辑手段完成内表面的构建，然后缝合外表面成一实体，最后进行产品结构设计，如安装孔、加强筋等结构。部分曲面无法进行偏置处理，主要有以下几种情况：由于曲面本身曲率太大，偏置后会自相交，导致偏置失败。被偏置曲面的品质不好，局部有波纹。这种情况只能修改好曲面后再进行偏置处理。部分曲面看起来光顺性很好，但就是无法进行偏置操作。这种情况可以用Extractgeometry成B曲面后，再进行偏置操作。四、UG逆向造型的方法和技巧（五）修补01对于输入的模型局部连接部分有微小缺损、干涉、相交的，UG提供了一个自动修复的工具。具体操作为：在模型输入后选择Export→HealGeometry，注意tinytolerancede的选择，对于重要的模型，可先在Anlysis→ExamineGeometry中检查一下模型，接着指定一下输出的文件名字就可以了。输出的是一个修补好的PRT文件。但如果缺损、干涉、相交情况严重，此时只能进行手工整理。02对于输入的模型不存在1）中所述的问题，可选择Import→IGES→ModifySetting→AutomaticSewingofSueface选项前打上勾就可以了。03如果是实体破面，则先建一个图层，然后抽取体上所有的面，加大缝合公差后进行缝合操作即可解决破面问题。01.逆向工程全流程技术链。02.三维扫描与数据优化关键技术。03.模型重构与制造输出核心方法。在汽车钣金逆向与文物数字化保护场景中，如何选择接触式与非接触式扫描技术？阐述选型依据与技术经济性权衡。针对大型复杂工件的点云数据，如何优化噪点滤波算法与曲面重构策略，以兼顾建模精度与计算资源消耗？以医疗器械定制为例，如何通过CT扫描数据→参数化CAD模型→拓扑优化→增材制造的闭环流程，实现“逆向数据驱动正向创新”？“"6.三维零件设计目录01.基础建模02.特征编辑03.模型分析01基础建模PARTONE一、基础建模（一）对象操作对象操作是指对目标对象进行名称设置、显示、隐藏、分类和删除等操作，使用户能更快捷、更容易地达到目的。（1）对象名称设置（2）编辑对象显示（ctrl+j）（3）显示和隐藏对象（ctrl+w）一、基础建模（二）基础特征主要包括正方体和长方体，也是最基本的体素特征之一，利用块体可以创建规则的实体模型。创建块体，执行“插入”|“设计征”|“长方体”命令（或单击“特征”工具栏中“长方体”按钮），进入“长方体”对话框。01.块体一、基础建模（二）基础特征圆柱体是指以指定参数的圆为底面和顶面，具有一定高度的实体模型。圆柱体在工程设计中使用广泛，也是最基本的体素特征之一。创建圆柱体，执行“菜单”→“插入”→“设计特征”→“圆柱体”命令（或单击“特征”工具栏中“圆柱体”按钮），进入圆柱体对话框。02.圆柱体一、基础建模（二）基础特征锥体包括圆锥体和圆锥台。使用“圆锥”命令不仅可以创建圆柱体，还同样可以创建圆锥台，通常广泛应用于各种实体建模中。创建圆锥体，执行“菜单”→“插入”→“设计特征”→“圆锥”命令（或单击“特征”工具栏中“圆锥”按钮），进入“圆锥”对话框。03.锥体一、基础建模（二）基础特征球体特征主要是构造球形实体。执行“菜单”→“插入”→“设计特征”→“球体”命令（或单击“特征”工具栏中“球体”按钮），进入“球体”对话框，如图所示，输入相应参数，点击“确定”完成球体创建。04.球体02特征编辑PARTTWO二、特征编辑（一）拉伸特征拉伸是将实体表面、实体边缘、曲线、链接曲线或者片体通过拉伸生成实体或者片体。创建拉伸体，点击主页界面上特征工具条按钮区的拉伸按钮，或“菜单”→“插入”→“设计特征”→“拉伸”命令，进入“拉伸”对话框。如图所示，选择曲线，制定矢量，输入开始和结束距离，选择布尔操作后，点击“确定”可通过拉伸得到实体。二、特征编辑（二）旋转特征回转操作与拉伸操作类似，不同在于使用此命令可使截面曲线绕指定轴回转一个非零角度，以此创建一个特征。可以从一个基本横截面开始，然后生成回转特征或部分回转特征。执行“菜单”→“插入”→“设计特征”→“旋转”命令（或单击“特征”工具栏中的“回转