增材制造：设计可能性的新世界

作者：Dave Gleason，为欧特克大学

Optomec 使用 Autodesk 产品将 CAD 设计转换为现有零件或曲面上的打印特征。本文介绍了与气溶胶喷射打印相关的特定增材制造挑战，以及我们如何使用 Autodesk 技术来满足我们的需求。我们将进一步探讨增材制造和减材制造之间的细微差异，以及欧特克如何以易于理解的方式解决哲学差异。深入了解欧特克产品在增材制造中的使用，以及如何对其进行调整以满足其特定的增材要求。

本文面向有兴趣探索增材制造以及 Autodesk 产品如何提供必要的技术、自定义和灵活性以正确完成工作的行业专业人士。虽然增材制造或3D打印似乎是一门精确的科学，点击式操作很容易，但它实际上需要对过程有深刻的理解才能获得出色的结果。有了这些知识和一些关键的使能技术，天空就是极限。

我们将专注于Optomec的增材制造技术（气溶胶喷射和LENS）和两款Autodesk产品（AutoCAD和FeatureCAM），这些产品使3D打印成为一门艺术。

生产级 3D 打印

Optomec正在通过将3D打印推向新的方向来发展增材制造的世界。我们的生产级 3D 打印机支持最广泛的功能材料，从结构金属到导电电子和生物物质。我们灵活的系统用于构建原型到批量生产，修复高价值金属部件，再制造过时的零件。我们的能力用于航空航天和军事市场的高可靠性应用，并满足消费电子产品的苛刻性能和成本要求。

而且，凭借将天线和传感器等保形电子产品打印到各种设备上的独特能力，我们正在开辟新天地，使 Optomec 成为实现物联网 （IoT） 的关键合作伙伴。借助Optomec，功能电子产品可以很容易地以以前不可能甚至想象不到的方式集成到3D结构上。我们技术的广度以及我们支持的特征尺寸范围使我们能够帮助推动创新并增加价值。

我们基于开放系统的技术可以以模块化形式实施，以轻松集成到现有的生产流程和自动化平台中。这种灵活性提供了一种经济高效且可扩展的方法，可在整个产品生命周期中采用增材制造。虽然3D打印一直是许多行业炒作的主题，但Optomec正在兑现当今大批量增材制造的承诺。

气溶胶喷射

Aerosol Jet 系统可在几乎任何基材上打印精细特征的电子、结构和生物图案，例如用于航空航天、国防、消费电子产品、可穿戴设备和物联网 （IoT） 的 3D 保形传感器和天线。它可以有效地生产3D打印电子产品。它使用市售的导电、电介质、半导体和生物墨水到各种 2D 或 3D 塑料、陶瓷和金属基材上。其结果是3D打印电子产品消除了对硬工具光掩模或模板的需求，并且只需修改设计文件即可快速实施工程变更。

气溶胶喷射背后的技术可以在2D和3D基板上打印互连。对于2D应用，可以通过在电路交叉点打印介电材料来创建多级互连 - 本质上是在单层上模拟多层电路板。这是可以实现的，因为气溶胶喷射工艺支持多种墨水输入设备，允许在打印过程中切换甚至混合材料。

此外，Aerosol Jet 可以在 3D 表面上打印保形互连，而无需引线键合——例如在 3D 堆叠芯片上打印电气连接或用于 LED 芯片制造。气溶胶喷射技术使3D打印电子产品成为可能。电阻器、电容器、天线、传感器和薄膜晶体管等电子元件均采用气溶胶喷射技术进行打印。印刷元件的性能参数，例如电阻器的欧姆值，可以通过印刷参数进行控制。组件也可以印刷到三维表面上，无需单独的基板，从而减小最终产品的尺寸、厚度和重量。

例如，Aerosol Jet用于打印符合底层基板（如手机壳）形状的天线和传感器。气溶胶喷射工艺支持在各种基材上印刷，包括塑料、陶瓷和金属结构。市售材料，如纳米颗粒油墨，已针对气溶胶喷射工艺进行了优化，允许在低热变形温度的塑料基材上印刷（以及随后的油墨烧结）。

镜头

LENS系列3D金属打印机可用于整个产品生命周期，以经济高效地修复、返工和制造钛、不锈钢和高温合金等材料的高性能金属部件 LENS系统使用高功率激光器（500W至4kW）将粉末金属熔化成完全致密的三维结构。LENS 3D 打印机使用计算机辅助设计 （CAD） 实体模型中包含的几何信息，在逐层构建组件时自动驱动 LENS 过程。

附加软件和闭环过程控制可确保完成零件的几何和机械完整性。LENS工艺安装在一个密封的腔室中，该腔室用氩气吹扫，使氧气和水分水平保持在百万分之10以下。这样可以保持零件清洁，防止氧化。金属粉末原料通过Optomec专有的粉末进料系统输送到材料沉积头，该系统能够精确调节质量流量。一旦沉积了一层，材料沉积头就会移动到下一层。通过建立连续的层，整个部分被构建出来。

完成后，组件被移除，可以热处理、热等静压、机加工或以任何常规方式精加工。LENS技术既可用于交钥匙系统配置，也可作为模块化打印引擎使用，可集成到现有或新的CNC机床中。借助 LENS 打印引擎，金属沉积和加工可以在同一系统中执行，从而使您能够利用资本资产，并通过机械师已经熟悉的 HMI 加速增材技术的实施。

增材制造与减材制造

可视化减材制造或加工非常容易。从一块材料开始，慢慢地将该块雕刻成所需的小部件。就像雕塑家一样，您可以使用不同的工具来修剪、表面和铣削杰作。诸如接近角、间隙平面、刀具主轴速度和刀具余量等考虑因素成为关键。一旦工件接近最终形状，您就会放慢速度，从而最大限度地减少工具颤振并显示适当的表面光洁度。对于给定材料的每个部分，您可以完成相同的任务，最终获得一个组件。以下是比较减材制造和增材制造的几个关键点。

减材制造（机加工）

• • 一次一种材料，有很多滴。跌落是在加工操作中损失的切割材料。
• • 装配公差加起来 o 零件组装在一起（两个部件之间的机械连接通常是销钉、螺钉或粘合剂。 o 对于每个连接都有一个公差（因此对于所有连接都是误差的总和）。
• • 多道次、多切方法可提高速度 o 在典型的加工中，零件由一系列粗加工然后精加工生产。由于切割通常分为许多操作，因此我们可以以多种方式可视化切割工具多次接触零件以产生结果。刀具进给速度（切削方向的速率）和主轴速度（刀具旋转的速率）。因此，恒定的构建速度不是很重要。另一次速度较慢、深度较浅的通道可以“清理”。

增材制造

• • 制造无法以其他方式制造的零件！
• • 结构是凭空建造的！不完全是 - 更准确的说法是材料被引导到一个点，然后在颗粒水平上堆叠和粘合。
• • 向现有表面添加特征！我们与许多将金属部件放置在塑料表面上的公司合作。一个例子是手机壳上的天线。零件可以在多个方向上构建，而不仅仅是沿 X、Y 或 Z 方向构建。
• • 混合或分层材料！实际上没有任何减法方法可以在图层内混合材料。或者分层不同的材料，而不通过销钉、螺钉或粘合剂机械地粘合它们。
• • 速度很重要（恒定速度很重要）。速度的变化会影响材料的厚度和宽度。
• • 附近的要素可能会带来挑战。
• • 侧壁可能会阻塞气流，从而影响打印。

多轴运动（用于光学系统）

• • 2D 运动系统使用在打印头下方的 X 和 Y 平面上移动的工作台。此类系统使用在 AutoCAD 中定义的最佳运动。
• • 3D 运动系统涉及一个工作台，该工作台在 X 和 Y 中移动，我们的打印头在 Z 轴中移动。此类系统使用最好在AutoCAD或FeatureCAM中定义的运动。
• • 5D 运动系统涉及上述 X、Y 和 Z 运动，但引入了两个额外的旋转轴（A 和 B），允许我们的打印头从多个方向访问零件。这种类型的灵活性允许在圆形或表面上的另外两个侧面打印。此类系统使用最好在AutoCAD或FeatureCAM中定义的运动。

启用欧特克技术 — AutoCAD 2017

很容易想象你需要地图和方向。对于先进的增材制造，系统需要知道该怎么做。这可以通过多种方式实现：

• • 沿路径示教点：使用预先存在的模型或零件捕获点。
• • 手动定义点：在运动系统的编程语言中编写自己的模式。
• • 使用 CAD 工具。

进入 AutoCAD 2017

对于 2D 和 3D，AutoCAD 是完美的选择。因为 AutoCAD 定义了一个丰富的开发环境，其中包含导入、定义和创建所需设计所需的一切。AutoCAD的直观布局，并以合乎逻辑的方式和位置组合所有工具。它允许您精确创建 2D 和 3D 设计，将设计的不同部分分层放置。此功能可与 Optomec 3D 打印机完美配合。

在上图中，我们看到了Optomec的虚拟遮罩工具。此应用程序执行各种 Optomec 任务，包括几何导入、对象填充和排序、图像底图（用于图案创建或验证）和导出（创建 Optomec 运动序列指令）。此工具通过Object ARX API链接到AutoCAD。

来自欧特克网站：

“ObjectARX®编程环境提供了面向对象的C++，C#和VB .NET应用程序编程接口，供开发人员使用，自定义和扩展AutoCAD®软件和基于AutoCAD的产品，如AutoCAD Architecture，AutoCAD Mechanical和AutoCAD®®® Civil 3D®软件。还提供 ObjectARX for AutoCAD® for Mac 软件版本，但并非所有 API 在 Mac® 版本中都可用。

ObjectARX 编程环境库提供了通用的工具集，AutoCAD API 开发人员可以利用 AutoCAD 软件的开放式体系结构。它们还提供对 AutoCAD 数据库结构、图形系统和本机命令定义的直接访问。

ObjectARX 技术可帮助您开发快速、高效、紧凑的 CAD 应用程序。它使高级用户能够自定义 AutoCAD 软件，并将 CAD 设计人员从重复性任务中解放出来。更小的文件、更快的绘图操作和流畅的互操作性使使用 ObjectARX 编程环境构建的应用程序成为设计软件解决方案的最佳选择。

启用欧特克技术 — FeatureCAM 2014

当涉及到更复杂的运动时，例如在设备的两个或多个侧面打印，FeatureCAM 可以轻松处理任务。

对于4D和5D，FeatureCAM是完美的选择。因为 FeatureCAM 定义了一个丰富的开发环境，其中包含导入、定义和创建所需设计所需的一切。FeatureCAM 直观的布局，并结合了逻辑位置所需的所有工具。

虽然该产品是CAM工具，但其命名法易于理解，并且不像其他工具那样严重依赖加工术语。它允许您精确创建设计，并结合了多轴打印所需的所有 CAM 技术。此功能可与 Optomec 3D 打印机完美配合。在上图中，我们看到了Optomec的5轴AJ5X打印工具。

该系统与 FeatureCAM 配合使用时，可以执行协调的 5 轴运动，在零件的多个侧面进行打印，并保持打印头垂直于表面，以获得最佳打印效果。FeatureCAM 包括许多其他技术，除了碰撞检测之外，还可以准确验证打印顺序，这有助于确保您准确打印所需的内容，而不会无意中与表面相交。

结论

增材制造开启了一个充满设计可能性的新世界。它是独一无二的，与减材制造不同。欧特克产品是增材制造的完美使能技术。Optomec制造最好的工业3D打印机，欧特克产品使我们的团队每天都能精确地制作通往天堂的阶梯。

Dave Gleason是Optomec的软件经理/高级软件工程师，Optomec是3D打印设备制造商的领导者。他在Optomac工作了14年，担任过各种职务，从开发人员到经理。