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基于多功能的计算机辅助设计软件实现增材制造的自动化
摘要：在零件打印过程中能够访问零件的各个图层的功能，使增材制造（AM）研究人员可以试验原位放置元件，从而创建具有附加功能的多工艺元件，例如定制印刷电子元件，因为增材制造已经发展成为制造实用零件的确定方法，关于多工艺的研究兴趣也随之增加了。虽然在开发多进程硬件方面取得了进展，这种硬件可以将增材制造与其他技术，整体设计软件相结合，能够轻松地整合这些
流程，但是发展速度较慢。在本文中，介绍了一个集成的软件解决方案能够
从设计到制造支持多工艺3D打印，其特点是可将电子元件和通过铜线相互连接的电路整合。该解决方案具有自动产生容纳电子元器件的空间，这和多进程3D打印机能够为自动创建刀路相似。作为一个开发技术的案例研究，一个六边形3D印刷机构，要在短的循环时间内制造出来，从设计到制造部件5.75小时，其中包括一个微控制器，四个LED，一个USB连接器，两个电阻和一个齐纳二极管，全都通过嵌入式铜线互连。 较短的周期时间要求进行多次设计迭代在同一天内实现并印刷。
关键字：3D打印，增材制造，自动化，CADCAM，组件放置，印刷电路，三维集成电路，导线嵌入
一、引言：随着AM单位销量的增加，从2012年到2015年平均每年增长18.5％增材制造（AM）技术正在变得越来越无处不在。[1]。随着AM的普及增加，创新者已经寻求将AM与其他技术结合起来建立一个混合AM流程，可以创建多功能部件，例如展示结构功能包含额外的实用性的3D打印零件由嵌入式电子设备提供。在文献中，有几个附加制造的设备演示包含导电材料和电子组件，包括电容传感器/按钮[2]，[3]，天线[4]，[5]，游戏模具[6]，磁通量传感器[7]，[8]，CubeSat模块[9]和一个三相直流电机[10]。多功能部件通常需要不止一种制造工艺：这可以包括嵌入电子或组件，分配油墨或嵌入铜线，或加工以产生最终应用所需的特征分辨率[9]。铜导线可以选择导电油墨，因为导线具有较高的载流能力和较低的电阻率（铜线为1.7times;10-8 m，Dupont Ink CB028银基油墨为11.8times;10-8 m）。此外，油墨不完全烧结可导致自热，从而导致可靠性降低[9]。 虽然增材制造零件的流程已经建立，但混合AM技术的集成和自动化需要从新开发，没有现成的软件设计工具，尤其是将导线用于导电迹线时。
缺乏用于混合动力AM的集成设计工具正在限制生产多功能和多功能部件的AM系统被更广泛地采用[6]，[11]，如那些集成电路可能需要超越增材制造的其他技术。虽然复杂的多功能设计，如3D印刷电动马达可通过手动步进过程[10]来实现，方法本质上是劳动密集型的并且容易出现人为错误。这些机械设计过程可以使用现有的集成设计工具创建，例如用于3D打印的切片机和用于电子设备的PCB设计软件设计。然而，单独使用这些工具的一个潜在的错误结果是，手动生成的G代码可能导致工具与工件或周围结构部件碰撞。尽管存在错误G代码的风险，如果它们能够以最好的自动化方式成功集成，使用这些精心制作的设计软件可以提供帮助。
类似的问题已通过实现具有专业功能的软件之间的互操作性得到解决。2002年，NASA开始在产品的设计阶段[12]实施软件包之间的信息交换标准（用于计算机辅助设计，制造和生产）。这允许用户使用多种设计工具，而不必担心在不同设计软件间的转换。由于互操作性，设计过程中的任何软件工具都可以提取并使用该工具特定任务所需的信息，而无需重新设计或重复设计过程。致力于互操作性CAD工具之间仍然存在[13]，[14]。同样，微电子机械
计算机辅助设计软件链接数据库和其他数字程序，允许用户分析机械和电气方面的问题。互操作性方法已被商业设计软件广泛采用，应该是作为创建集成设计软件的模型混合型AM。
为了响应流程融合的需要，已经做过了一些尝试来改进设计环境和自动生成混合AM的刀具路径。与手动组合相互独立的设计软件相比，这种用于多进程AM的自动化软件解决方案可以在CAD环境中实现快速迭代响应。最近其他公司和研究机构也对开发用于3D打印电子产品的软件1产生兴趣。根据报道，大多数的的努力方向是基于材料挤出AM技术匹配带导电油墨用于组件之间的互连。Voxel8（马萨诸塞州萨默维尔）是哈佛的一家创业公司，研发出一台桌面式AM机器，用于分配塑料并使用导电墨水[17] 创建导电互连。Voxel8
与Autodesk合作创建Wire项目，其中最初的CAD模型被导入并且相互关联，随后可能会类似的引入电气组件[18]。同样，Wasserfall [19]和Ahlers [20]
开发出用于基于材料挤出AM和导电油墨的3D打印电子产品的软件。该软件
允许用户在切片过程中引入电子元器件和互连器件。Voxel8和Wasserfall等采用的方式存在一个缺点，就是它在切片过程中电特性正在不断完善，这限制了设计的准确性，因为放置组件和迹线是手动的或徒手的（即，不按确切的尺寸被驱动）。另外，多功能部分不能很容易地导回到制造CAD中（MCAD）环境，这限制了利用MCAD环境的仿真工具的可能性。
多工艺3D打印使传统3D打印部件的功能扩大更具有潜力。但是，仍然缺乏将不同流程集成到单个CAD中的自动化设计软件环境。本文描述的研究展示了一种多工艺设计解决方案，能够自动生成刀具路径以支持下一代混合AM，其中用户可以指定零件尺寸，电子元件布局以及单个CAD环境中的布线，从而提高了效率。工程师可以利用这些工具设计多功能部件，并消在除必要的过程因手动集成不当而导致的错误。下一节详细介绍如何通过使用SolidWorks CAD软件和Visual Basic宏以及后处理功能，使单个CAD环境可以创建支持材料沉积的设计，为电子组件创建自动腔体，以及导体追踪，从而实现完全定义和整合混合AM任务。
二、方法
在确定软件解决方案的具体细节之前，需要确定解决方案应满足的要求和约束条件。 软件解决方案的要求是：
生成机器可分析的代码来控制材料挤压AM和导线嵌入工具，完全定义多进程打印的所有自动步骤工作，和可扩展以控制其他流程适应不同代码语法的变化机器。
软件解决方案的约束表示：
要的设计环境应该是一个单一的界面，其中物理和电子组件都可以指定全定义的尺寸、位置和电气互连，软件应该能够利用复杂的电子计算机辅助设计（ECAD）软件来指定电气互连，并且一旦定义，将该数据导入机械CAD环境以用作主要设计空间，并且，输出机器代码需要满足当前多工艺材料挤出AM和线嵌入式打印机的特定语法要求，修改后的Lulzbot TAZ 5。
为了满足约束条件下的要求，确定了三个阶段（图1）。 在数字设计（第一阶段）期间，电气原理图文件随后由实体模型CAD创建。在实体CAD模型环境中，来自电气原理图的数据被导入并用于自动创建可容纳组件的腔体。
阶段I的输出是一个项目文件夹，其中包含用于3D打印的STL文件和描述每个电路轨迹的DXF文件。 数据库中的数据然后在第二阶段通过切片机和定制后处理器进行处理，以生成机器指令，这些指令在阶段III期间用于制造多功能设备。以下部分提供了每个阶段的进一步描述。
第一阶段-数字设计
通过使用SolidWorks（Dassault Systemes，Waltham，马萨诸塞州）应用程序接口（API），创建了一个macr，能够从Autodesk的软件EAGLE（San Rafael，CA）导入ECAD原理图数据从而满足了软件能够与ECAD软件集成的限制。该宏包括一个图形用户界面（GUI），如图2所示，允许导入电子元件并自动生成符合元件尺寸的空腔。GUI还启用了用于注册的参考形状的创建。
因为电路DXF文件和模型STL文件数据是从SolidWorks单独导出的，所以需要参考形状。因此，模型和电路都失去了原点并且不再与空间相关。另外，当用户将形状导入切片机时，允许用户移动和旋转部件，进一步修改每个模型和电路的原点。参考形状，因为它包含在模型和电路中，将有助于在空间上将单独的文件关联起来。SolidWorks宏的输出是一个用于材料挤出的STL文件AM和用于嵌入线的DXF文件。在放置了参考形状之后，选择了将电路嵌入到部件中的原理图。“加载组件”按钮解析了“组件”列表的示意图。由于SolidWorks的Visual Basic（VBA）并不支持XML解析，所以解析是通过外部Python脚本执行的。提取的信息包括组件名称和它们的维度，它们被导出为一个简单的文本文件，在SolidWorks API中很容易使用VBA解析。一旦列表被填充，就会选择一架飞机，并选择部件从组件列表中导入。单击“Place”按钮创建一个周长，并执行一个带有正确高度的挤压切割操作，以在SolidWorks部分中创建一个组件空腔。然后，代表该部分的草图被允许翻译或旋转到它的最终位置。组件列表包含一个自动刷新特性，它删除了已经从列表中放置的部件。如果从3D模型中删除了一个电子元件，点击加载组件再次用删除的组件重新填充列表。一旦组件被定位，就会产生电路路由。这个路由是在SolidWorks中定义为“3D”“草图”在X、Y和Z中完全定义了一个轮廓。高度（Z）信息通过将3D草图重命名为一个标准化的名称“电路”来实现。被替换成一个对应的数字，定义了每个不同的#39;电路#39;或导电路由模式。这个名称标准化允许VBA宏识别并导出每个路由模式的Z高度，它保存在一个简单的文本文件中，以及一个DXF文件，它定义了路由模式的轮廓。这些文件被放置在一个项目文件夹中，该文件夹被创建为保存SolidWorks部分的目录中的子目录。
为创建多功能3D打印部件所需要的其他修改是对库的修改。现有的图书馆缺乏必要的信息来定义需要适应每个组件的三维空腔。作为回应，对3D打印部件中使用的组件进行了修改。这一修改包括添加一个标记为“周长”的额外层，以及一个定义了“足迹”和“高度”的属性“H”。前面描述的解析方法提取了这个维度信息，允许宏在SolidWorks模型中实现维度，基于以下内容创建精确的空腔修改后的鹰库。
第二阶段-切片机和后处理器
Cura的自定义插件是由最近一个（荷兰的Geldermalsen）开发的切片程序，它是使用Python编程语言编写的。该插件的功能如表1所述。Cura也被用于作为STL切片器的常规方式，用于生成用于材料挤压AM过程的g代码。当材料挤压AM和电线模式g代码被导入到自定义中Cura插件，通过一个proc锈分析，识别并覆盖了参考形状的主题，允许将线模式G-code旋转并转换为正确的坐标，与材料挤压过程相匹配。Cura和定制插件的联合输出是一个g代码文件，其中包含了用于材料挤压和电线嵌入的机器指令，就像在修改过的机器人TAZ 5中一样。
第三阶段-制造
为了执行电线嵌入，打印机被修改了机器人TAZ 5（见图3），这样就可以在原始的材料挤压工具旁边安装了定制的21线嵌入技术。对打印机的额外硬件修改包括移动限制开关的重新定位，并将嵌入的工具连接到打印机的RAMBo主板上。在马林固件中加入了一个归巢序列，在制造前正确地定位了线嵌入工具的c轴，并减少了可打印面积，避免了携带挤出机和金属丝嵌入工具的较大工具板的碰撞。为了理解在嵌入G代码的电线中引入的命令，在下面的段落中描述了一个双向跟踪的线嵌入过程（图4）。
在印刷了丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）基础之后，金属丝嵌入工具首先接触到部件（图5a）并旋转（图5b）。然后，将金属丝嵌入工具的热端与塑料表面接触（图5 c），然后将铜线连接起来。电线和塑料的同时加热使电线被嵌入到塑料中。随后，热端从表面缩回（图5d），压缩空气被引入到金属丝塑料界面中，以固化塑料，并机械地将电线固定在适当的位置。接下来，压缩空气被关闭，热端被再次接触到表面（图5e），工具在理想轨迹的方向上移动（图5 f和5 g）。这个工具到达了第一个部分的末端，这个工具从塑料表面收回，压缩空气再次被引入以固化塑料（图5 h）。在旋转后（图5i），该工具与塑料表面接触，以嵌入第二段（图5j）。在第二段的结尾部分
（图5 k），该工具从表面被收回（图5 l），压缩空气提供（图5 m），切割器被驱动切断电线（图5n）。该工具最后一次被收回（图5o）。
总之，所描述的方法利用SolidWorks CAD软件导出STL、DXF和文本文件。这些文件是由开源切片软件和后处理算法结合使用的，可以自动生成用于材料挤压的机器可解析打印文件AM，组件放置，以及线嵌入多进程打印作业。这一切都是通过单一的整体设计环境实现的。随后，G代码被交付到修改后的桌面打印机，以自动的方式进行材料挤压3D打印和电线嵌入。
三、案例研究
为了测试这种新方法的能力，设计和制造了一个演示部分。这部分由一个六角形的3D打印体（每侧44毫米和7.5毫米厚）组成，其中包括一个微控制器，四个led，一个USB连接器，两个电阻，以及一个Zener二极管。该电路的示意图显示在图6中。该电路利用一个简单的电阻zener电压分配器，将5 V USB电压降至约3.3伏，为德州仪器MSP430G2553微控制器供电。微控制器被连接到复位针上的一个引体电阻器和它的数字输入输出端口上的四个led。最后，USB接口也连接到MSP430微控制器的复位和测试插口，允许控制器在嵌入控制器后重新编程。
如方法部分所述，在SolidWorks中创建了三维实体模型设计（图7a），并从EAGLE设计原理图中导入了电子部件（具有体积信息，确定每个部件所需的腔体尺寸）。初始化适当的宏以将设计输出到Cura，在那里启动定制的Cura插件以生成最终的G代码。然后将这些文件加载到多进程Lulzbot TAZ 5 3D打印机上。 印刷工作从传统的增材制造工作开始（图7b）。在印刷或热塑性塑料沉积过程中，形成元件空腔（图7c），然后在达到包含电路的平面时进行导线嵌入阶段（图7d）。在电线嵌入
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