1　现代设计制造业的常用加工方法简述

      自20世纪中叶以来，随着人类技术的不断创新，社会生产及制造技术也在飞速发展，目前，在生产加工行业主要的现代制造技术主要有数控机床、模具、逆向工程等几种主要加工方法。

      1.1　数控机床CNC

      CNC是计算机数字控制机床（Computer NumericalControl）的简称，是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。

      自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，现代制造技术进入到数控时代。五十年来，数控机床在制造行业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用。与普通机床相比，数控机床有如下特点：（1）加工精度高，具有稳定的加工质量；（2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；（3）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；（4）批量化生产，产品质量容易控制；（5）对操作人员的专业素质要求较低，对维护人员的技术要求较高。

      1.2　模具（Tooling）

      模具（Tooling/mould/die），简单说来就是一种用来成型物品的工具，它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造，以工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。

      在现代化工业生产中，60%～90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业已成为现代工业发展的基础。许多新产品的开发和生产在很大程度上依赖模具的生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，据国际生产技术协会预测，21世纪机械制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都将依赖模具完成。因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。

      利用模具制造产品的一般流程：CAD图档→模型制作→开模→设计验证→试产→量产

      现代模具的特点如下：

      1.2.1　精度高。现代模具要求的精度比传统模具高出数个数量级，多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度已达0.003mm甚至更高。一些高精度、无毛刺的冲压件和精密塑料件都要求模具高精度，尤其是那些全拼嵌、全互换的长寿命的多工位级进模的精度更高。

      1.2.2　寿命长。现代冲模寿命一般在500万次以上，硬质合金多工位级进模可达2000～6000万次，注塑模具可达40～60万件，压铸模50～100万件，而传统模具寿命只有现代模具的1/5～1/10。

      1.2.3　生产率高。现代模具生产效率比传统模具高得多，其主要原因是现代模具有多工位、多模腔、甚至多功能。例如，高生产率级进模有50多个工位，塑胶鞋模有18个工位。一套多能模具除了冲压成形外，还担负叠装、铆接、锁紧等组装任务，可直接生产组合件。一模多腔的注塑模和叠层模具可达每模一次生产数十件，塑封模每模一次生产数百件，生产塑料汽水瓶的四工位注塑模生产率达8000件/小时。

      1.2.4　型腔形状和模具结构复杂多变。随着人们对产品形状、尺寸精度、整体性及生产效率等要求的提高，以及许多新材料新工艺的广泛应用，现代模具的结构和型腔日益复杂，例如，一台大型复合材料成形模具，其结构复杂程度和价格超过一台精密机床；一些大型覆盖件成形模具，不仅型腔形状复杂，而且模具配套性要求极高，要求多个相关模具型腔协调一致，用传统加工方法无法达到其质量和精度要求。

      1.3　逆向工程（Reverse Engineering）

      逆向工程是一个“从有到无”的过程。简单来说就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计参数（包括图纸或数字模型）的过程。并通过数字化测量设备（如坐标测量仪、激光测量设备等）获取的物体表面的空间尺寸数据，需要根据逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而快速成型制造或利用CAM系统完成产品的制造。

      逆向工程技术多用于工业设计师做外观产品设计的验证、调整，当然此项技术也直接被一些无良厂商直接用于拷贝、剽窃其他公司的高精尖产品。

      2　快速原型制造及3D打印技术

      2.1　快速原型制造技术

      快速原型制造技术（Rapid Prototyping/PartsManufacturing 简称RPM）是近年来发展起来的一种先进制造技术。20世纪80年起源于美国，很快发展到日本和欧洲，是近年来制造技术领域的一次重大突破。RPM是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术，是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。

      RPM的成型原理是，将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由CAD构造的产品三维模型对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或金属粉末）或喷射源选择性地喷涂一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各面，逐步叠加成三维产品，它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以相应市场需求，提高企业竞争力。

      R P M 现在存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。有些技术利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，例如：选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）和熔融沉积式（fused deposition modeling，FDM），还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的，例如：立体平板印刷（stereolithography，SLA）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）。每种技术都有各自的优缺点，因而一些公司会提供多种打印机以供选择。

      2.2　3D打印技术

      3D打印（Three-dimensional printing），又称增材制造（AM，Additive Manufacturing），属于快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体，即“层造形法”。其使用的是快速原型制造技术的“选择性激光烧结（selective lasersintering，SLS）”技术。

      事实上3D打印机集成了各种不同的技术，基于多个不同的物理机制，将共同的特征通过一个数字模型来构件三维物理实体。这个成型实际是一个层叠堆积的过程。与传统成型方法不同的是，此项技术不会导致材料的大量损耗。3D打印与传统的机械加工技术不同，后者通常采用切削或钻孔技术（即减材工艺）实现。

      3　3D打印技术与常用CAD软件的对接及工作全程

      3.1　现代设计制造业常用CAD三维软件简述

      目前在现代设计制造行业所用的三维软件主要有以下四种：

      3.1.1　PRO/ENGINEER。1988年，美国参数技术公司（PTC）发布PRO/ENGINEER，此为市场上第一个参数化并基于特征关联的实体建模软件。PTC第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。因其强大的参数技术及众多模块可供客户自由选择，因此此软件被广泛应用于工业设备、自动化、电子技术、航空国防、零售、消费品及医疗技术等行业的开发过程，此软件自诞生之日起，历经Pro/ENGINEER2001，Wildfire，Cero Parametric等几个名称，目前最新的版本为CeroParametric 3.0。

      2007年12月，PTC公司完成对CoCteate的并购，此举标志着PTC软件向更简洁易用的用户界面发展，更注重用户体验，用户初次使用PTC软件时更易上手，从而使工程技术人员将更多的时间和精力花在产品设计本身上，而不是花很多时间去学习使用此软件本身。

      3.1.2　SolidWorks。1993年，PTC前技术副总裁与CV公司的副总裁共同创建SolidWorks公司。SolidWorks软件为该公司在1995年基于Windows所开发，被广泛应用于航空航天、汽车、机械、交通、模具、电子通讯、娱乐工业等领域。

      SolidWorks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点。此软件能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。目前最新版本为SolidWorks2013.

      3.1.3　Unigraphics NX（UG）。Unigraphics NX（UG）是Siemens PLM Software公司于1983年推出的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。UG具有三个设计层次，即结构设计（architecturaldesign）、子系统设计（subsystemdesign）和组件设计（componentdesign）。

      UG允许制造商以数字化的方式仿真并确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建以及对变更周期的依赖。

      UG与PRO/ENGINEER软件对比：（1）UG适合CNC加工做刀路，还有模具；（2）PROE适合做结构，产品设计；（3）UG和PROE的最大不同就是建模思路不一样；（4）PROE是全参数化的，UG是半参数化的。

      3.1.4　Solid Edge。Solid Edge是西门子的两大CAD产品之一。西门子的另一个CAD产品是NX，主要应用于汽车、航空航天、模具等行业。Solid Edge用于通用机械行业。与NX相比，在设计简单零件时，效率更高。另外Solid Edge与Windows操作系统，与其他的Windows应用软件，例如Office系列，兼容性更好。

      3.2　常用CAD三维软件与3D打印技术的对接示例

      3D打印机自带的软件无法创建三维模型，只能借助第三方CAD设计软件来先期完成设计模型并导入到打印机。下面就以PRO/ENGINEER设计的一款转换插头来完成本次创建，并以两款转换插头的实例来讲解3D打印机工作全程。

      3.2.1　导出PRO/ENGINEER设计完成的三维图档：

      3.2.2　将三维图档导入3D打印机软件。将PRO/ENGINEER导出的STL格式文件导入电脑并加载打印过程如下图4至图7所示：

      3.3　打印全程

      上述计算完成后，点击“ok”即可开始打印。