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多模式制造的 3D 建模

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使用 DesignSpark Mechanical 将加法制造和减法制造结合运用

DesignSpark Mechanical 是由 RS 提供的一个功能强大、使用免费的 CAD 软件包,它让您能够用 2D 和 3D 的方式进行设计,而且加入了 RS 目录中的 40000 多个模型。

在这篇文章中,我绘制并制造了一个简单的组合件,它由激光切割的丙烯酸薄板和 3D 打印的连接零件所组成,整个过程涉及到了 DesignSpark Mechanical (DSM) 里面的工具和技巧、设计以及导出文件用于制造。

这里假定您的计算机上已安装了 DSM,如果没有,在这里可以找到安装文件。建议您阅读一些教程,先熟悉该软件及其功能。

画出草图

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我决定设计一个带凸角的立方体组合件,这将是一个很好的方法将激光切割和 3D 打印融合到一个项目中。打开一个新的设计后,我选择 Sketch Mode(草图模式),然后使用 Rectangle(矩形)工具绘制一个正方形。首先通过单击和拖动操作键入尺寸,以精确规定正方形的尺寸。我选择的是 50mm x 50mm,这是一个很好处理的尺寸。

画好这幅草图后,我可以返回到 3D Mode(3D 模式),并使用 Pull(拉伸)工具给所绘制的正方形指定一个厚度。我想要使用 3mm 厚的有机玻璃板来设计。这块 3mm 薄板的厚度可以有 10% 的偏差,以便仍处于规格之内,这意味着薄板的厚度只要是在 2.7mm 到 3.3mm 之间即可。

我的目标是创建丙烯酸平板的模型,并使用这些模型进行切割,或者在构成立方体边角的零件上切槽。这些边角将使用 3D 打印出来,并通过推入配合将激光切割出来的丙烯酸薄板固定到适当的位置。

在记住有机玻璃厚度的变化同时,还需要决定要建造多厚的薄板模型。我可以选择宁求稳妥,不愿涉险,将模型做成 3.4mm 厚,这将会获得一个通用设计,以便让任何“3mm”的有机玻璃薄板都能够装进去,或者我可以测量想要使用的薄板,然后再继续处理。

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我决定让设计变得通用,于是使用 Pull(拉伸)工具拖动矩形,使薄板成为 3.4mm 厚。一旦完成此操作后,我就在显示区域左上部的 Structure(结构)面板中获得了一个实心形状,在主绘图区域获得了一个 3D 模型。我将这个模型重新命名为“Bottom”。

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为了检查该形状的尺寸是否正确,我使用了 Measure(测量)工具,然后又使用 Dimension(尺寸)工具添加一个可见尺寸。这些工具用来跟踪您的设计和边设计边进行修改非常方便。

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Structure(结构)面板中,我选择“Bottom”实心形状,并依次使用 ctrl-Cctrl-V 组合键复制并粘贴了第二个版本。然后可以使用 Move(移动)工具将这个实心形状向上移动,并将其重新命名为“Top”。接着,再次在 Structure(结构)面板中,我选择了这两个实心形状,并将它们移动到一个新的元件,我将其命名为“Top and Bottom”。

接着我复制了这个包含两个零件的元件,然后使用 Move(移动)工具将其中的两个零件在一个平面上旋转了大约 90 度,并将它们重新命名为“Left”和“Right”。

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我通过重复此操作获得了最后的两个侧面:正面和背面。请注意,这些名称无疑都取决于视角,而且主要是用来参考。当我完成此操作后,我意识到有三个拥有相同名称“Front and Back”的元件!结果变成我制作了第一个元件的复制品,这意味着当我编辑其中一个元件时,这三个元件都会更改。

这对我目前的设计来说是可以的,但是在其他情况下可能就是我要避免的了。做到这一点的方法是右键单击 Structure(结构)面板中的元件,并选择Source(来源) > Make Independent(设为独立)。

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我在继续之前保存了进度。接下来的任务是创建角件。起先,我尝试用球体制作边角,因为它们很有趣,而且在激光切割器中可以做到从某一个东西里面很深地切出一部分。但是,我觉得它们可能不是很好打印,因为有很多突出,而且缺少打印的基础平面。

因此我改变了设计,改为在每个角上使用小立方体。这些立方体必须要足够大,每一面都能够为薄板材料提供卡槽,因此我使用了透明选项,以便能够看穿侧面,并确保在薄板侧面的任一侧都有足够的角件。

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为了给每个角的立方体定心,我使用了 Measure(测量)工具来计算每个面之间的间隙,这样我就知道要将立方体的中心放到什么位置。我再次使用了草图矩形工具,这一次我选择了 Define rectangle from center(从中心定义矩形)选项,以便使定位更加容易。

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将绘制的正方形的中心放在正确的位置之后,我使用 Pull(拉伸)工具将一面拉伸至立方体尺寸的一半,然后在背面再执行一次该操作,如前保持立方体的中心位置不变。在复查三个平面上的中心都正确之后,我又复制了该立方体并移至每个角。

我再次保存该模型,这一次使用 Save As(另存为) > Save As New Version(另存为新版本)菜单。我接着尝试使用薄板的侧端在立方体角中切出凹槽。首先,单击 Combine(组合)工具,然后选择其中一个角,每个都已突出显示,因为它们是所有的已链接对象。当选择侧面作为切割对象时,这导致下面屏幕截图中所示的问题。

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为了解决这个问题,我单独制作了每个角,然后再试了一次。每个立方体都被选中了,然后侧面被用作了切割器,同时剩余的部件被选择作为要切除的部分。在切割完每个角之后,我将它们移动到距离主组合件一段已知的距离(我选择了 30mm)的位置,以便跟踪哪些立方体已被切割。

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现在每个角件都经过了修改,它们都带有用来镶嵌侧板的凹槽,我保存了一个新的文件版本。由于我们对这个设计很满意,因此我们现在可以导出文件用于激光切割和 3D 打印了。

首先,对于 3D 打印,由于每个角都是相同的,因此有意义的做法是只导出一个角,然后打印多次。

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通过再次利用 Structure(结构)面板,我制作了除一个看不见的角以外的所有部件,方法是单击左手边的复选框。当只有一个部件可见时,它将是使用 Export Options(导出选项)> 3D Print (*.STL)(3D 打印 (*.STL))菜单时导出的唯一部件。

导出用于激光切割时需要更多注意,因为输出取决于绘图区域中的视点。为了简化这一过程,我确保了只有一个侧面部件可见,同时再次使用 Structure(结构)面板中的复选框,并使用“草图模式”和“平面视图”来确保视点与设计图垂直。

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然后我使用 Export Options(导出选项) > 2D AutoCAD (*.DXF) 菜单导出该文件。现在可以在制造前使用各种不同的软件包来打开这些导出的文件。

3D 打印 - Cura

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Cura 是由 Ultimaker 公司提供的一个免费软件包,这家公司销售一系列易于使用且研制精良的 3D 打印机。它让您可以将自己的 3D 模型放置在一个虚拟的床上,必要时可以调整它的大小,并且可以配置您的打印设置,然后导出一个适合 3D 打印机的文件。在最近的一个帖子里和 Ultimaker 网站上可以找到更多有关该流程的信息。

该 3D 模型顺利加载到了 Cura 中,在将该模型的尺寸扩大到 105% 并进行复制(以便能够一次打印两个模型)之后,为了快速获得结果,我使用了一个低品质的打印设置,然后开始打印。请注意,有关 3D 打印的更多详细说明和信息不在本帖子的范围之内,当您正在寻求有关改进 3D 打印的建议和提示时,我建议选择 Ultimaker 论坛作为您入门的最佳地方。

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尽管出现了一些打印异常,但我对打印出来的部件质量和外形总体还是满意的,因此我继续使用与前两个部件相同的文件打印其余的六个部件。

激光切割 - Inkscape 和 Laser Cut 5.3

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我通常使用 Inkscape 来绘制用于激光切割的 2D 设计图,由于它的流程我比较熟悉,因此我打开了从 DSM 导出的文件,以便查看其尺寸。这幅图显示了正方形的边长是 210mm,而不是预期的 50mm!但是,有时在将文件导入 Inkscape 中时可能会丢失尺寸,因此并不会丢失一切。重要的是,正如预期的那样,该设计文件中只有一个正方形。

我接着将文件导入到用来控制激光切割器的软件 Laser Cut 5.3 中,看看是否已将尺寸传送到该软件中以及它们拥有哪些尺寸,这意味着我无需做任何更改就可以切割部件了。

如果我需要在 Inkscape 中做任何更改的话,我不用费多大的劲就可以将整个设计文件从 210mm 扩大到 50mm。

组装部件

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当制造完所有的部件,从激光切割好的丙烯酸部件上撕下保护膜,并去除 3D 打印部件上的细丝之后,我就可以将部件按压到一起了。如果您对 3D 打印和激光切割、每个流程如何工作以及您可以获得的结果有一定的了解,那么您就能够带点远见去进行设计。

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例如,由于我期望突出的部件能够下沉一点且 3D 打印能够收缩一点,因此我在打印之前对设计做了调整,最为具体的就是将凹槽变得比要求的更加宽松。尽管打印仍然比较快,大约每个部件十五分钟,但是保持尽可能快速的原型制作并且避免重新设计和重新打印(如果可能)还是非常有帮助的!

结论

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DesignSpark Mechanical 是一个易于使用的免费 CAD 软件包,它使得绘制零件并导出文件用于激光切割和 3D 打印变得快速而又简单。这个示例项目应当为您完成自己的项目提供了一些有帮助的技巧和提示,如需更多信息,请前往 DSM 参考中心,按照一些教程进行操作,祝您实验愉快!

maker, hacker, doer

18 Nov 2016, 8:41