CADCAM系统综述论文 01.docx
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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15
摘要：
CAD/CAM是计算机辅助设计/计算机辅助制造（ComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacture）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（3Dprinting），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。
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，CharlesHull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。
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SpectrumZ510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LeahHull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，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（ClemsonUniversity）国际汽车研究中心为该公司开发的，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JohnellBrooks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BrianWatkins说。
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。
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。
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。
”
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。
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。
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。
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。
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]WohlersAssociates.Additivemanufacturingand3Dprintingstateoftheindustry.AnnualWorldwideProgressReport.2012
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