3D打印技術(shù)在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的實踐研究

賀文濤 付果

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院 湖南長沙 410114)

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3D打印技術(shù)在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的實踐研究

賀文濤 付果

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院 湖南長沙 410114)

第九屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽首次應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行結(jié)點連接件制作，文章以該競賽為背景，簡要介紹了競賽規(guī)則，總結(jié)了打印工具的選擇、3D繪圖技巧、打印參數(shù)設(shè)置等對構(gòu)件強度的影響，并分析總結(jié)出打印構(gòu)件的強度及荷重比與打印層厚、打印速度、打印紋路及填充密度的關(guān)系。

3D打印；強度；3D繪圖；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽作為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃的一種重要形式，是土木工程專業(yè)創(chuàng)新性和實踐性最強的學(xué)科競賽，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和合作精神等方面發(fā)揮著重要作用[1]。2015年的第九屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽首次采用了3D打印技術(shù)，充分體現(xiàn)了該賽事的前瞻性與創(chuàng)新性。同時也為大學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)機會，增加了大賽的挑戰(zhàn)性和趣味性。

1 競賽規(guī)則及打印設(shè)備概述

競賽模型由給定的山體模型、制作的橋梁模型和作為底座連接用的承臺板3部分組成。橋梁模型由A、B 兩段橋依山而成。其中B橋段結(jié)構(gòu)的桿件采用給定竹材和502膠水手工制作，節(jié)點及連接部件由3D 打印機打印生成，由桿件、節(jié)點及連接部件裝配而成，裝配中不使用任何膠水。最終模型所受小車荷載與模型質(zhì)量之比越大，且小車過橋時間越短者取勝。

大賽提供的打印機型號為太爾時代UP-Plus2打印機，該打印機成型技術(shù)為熱熔擠壓技術(shù)，打印層厚、打印速度及填充密度等參數(shù)按需要進(jìn)行設(shè)置。在節(jié)點制作過程中，首先進(jìn)行模型設(shè)計，然后仔細(xì)研究模型節(jié)點特征，對節(jié)點進(jìn)行設(shè)計并使用繪圖軟件建模，最后打印成型，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中進(jìn)行測試與改進(jìn)[2]。

2 繪圖工具與技巧

2.1 繪圖工具及特點

打印機對STL格式的文件進(jìn)行打印，可繪制3D圖并導(dǎo)出STL格式文件的軟件主要包括3DMax、Auto CAD、UG等軟件。3D MAX的制作流程十分簡潔高效，易于操作，有利于初學(xué)者學(xué)習(xí)，可以快速繪制出精美的圖形。但該軟件為基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，側(cè)重于圖形美觀及后期渲染，不便于繪制出精密的三維圖，無法快速繪制出滿足尺寸要求的構(gòu)件，因此不適用于本次競賽。

AutoCAD可以用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計文檔和基本三維設(shè)計；而UG則為專用的三維設(shè)計軟件，其功能較Auto CAD更加全面。但由于受到打印機精度的限制，節(jié)點只能由簡單的幾何形體組合而成，因此在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中，Auto CAD和UG兩種軟件均可使用，前者可以快速使用移動、復(fù)制、鏡像等功能，以快速進(jìn)行組合得到需要的結(jié)構(gòu)，后者則在界面及操作等方面顯得更加人性化，使用捕捉等命令時更迅速，熟練之后繪圖速度更快。

2.2 軟件繪圖技巧

由于打印機精度的限制，無法完成高精度模型的打印或者某些太精密的細(xì)節(jié)不能打印，因此使用該類打印機時，節(jié)點的設(shè)計方面要簡潔大氣，不宜出現(xiàn)過于細(xì)小或花哨的部分。

為了繪圖便利以及適應(yīng)手工制作桿件的精度，節(jié)點主要由簡單形體進(jìn)行組合，合并。組合之后的圖形可在合并之前先保存一份副本，因為同類結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿件優(yōu)化時往往只需要將節(jié)點進(jìn)行尺寸上的改進(jìn)即可，預(yù)先保存未合并的節(jié)點可快速改變節(jié)點構(gòu)件。

考慮到打印出來的實物會表現(xiàn)出各向異性的特點，節(jié)點的設(shè)計方面還應(yīng)該結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)模型的受力，盡量減少節(jié)點在兩個垂直方向同時受力的情況。存在轉(zhuǎn)角的位置可使用圓角命令，在外角處可以減少節(jié)點質(zhì)量，內(nèi)角處能有效防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 打印參數(shù)與構(gòu)件強度

3.1 參數(shù)設(shè)置

完成了打印機的安裝、調(diào)平及噴嘴高度等基本參數(shù)的設(shè)置之后需要進(jìn)行打印選項的設(shè)置，下面將分別描述各選項的主要設(shè)置及特點。

3.1.1 角度與間隔

角度決定在什么時候添加支撐結(jié)構(gòu)。若設(shè)置為40°，則表面和水平面的成型角度小于40°的時候，支撐材料才會被使用，如圖 1所示。通常將角度設(shè)置較小時，模型成型效果較好，但拆除支撐時難度較大，支撐過多可能導(dǎo)致拆模時損壞模型。因此需要在支撐材料的最小值與模型的質(zhì)量和移除支撐材料的難易程度之間去權(quán)衡。

間隔為支撐材料線與線之間的距離。間隔越小成型效果越好，但支撐也越難拆除。要結(jié)合支撐材料的用量，移除支撐材料的難易度，和模型打印質(zhì)量來確定此參數(shù)。

3.1.2 模型擺放

一般外部支撐的移除比內(nèi)部支撐更簡單，擺放如圖2所示，開口向上時為外部支撐，容易移除。且該擺放方式較開口向下節(jié)約打印材料，表面打印效果更好，因此合理選擇擺放方式將提高效益。

3.1.3 面積與層厚

支撐材料的表面使用面積選擇5mm2時,懸空部分面積小于5mm2時不會有支撐添加，將會節(jié)省一部分支撐材料并且可以提高打印速度，與間隔、角度類似，需要找到一個合適的面積提高效益。

層厚可將打印模型時層厚設(shè)置為0.15mm～0.4mm。當(dāng)厚度較大時，打印速度將明顯提升，其缺點在于無法打印足夠精細(xì)的構(gòu)件。

3.2 打印選項與構(gòu)件強度

3D打印采用熱熔擠壓技術(shù)，故打印出來的構(gòu)件順紋方向與橫紋方向強度不同，快速打印與普速打印所得試件在強度上也有所不同。為了解材料性能，在小噸位萬能試驗機上進(jìn)行拉伸試驗(試驗加載如圖3所示)和壓縮試驗(試驗加載如圖4所示)。

3.2.1 抗拉與抗壓強度試驗

根據(jù)實驗需要，通過不同打印方式得到3組外形如圖5所示拉伸試件(幾何參數(shù)如表1所示)和3組外形如圖6所示的壓縮試件(幾何參數(shù)如表1所示)，通過材料力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容計算得出壓縮試件不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，可通過壓縮試驗測出試件強度[3]。

通過改變打印機的參數(shù)得到力學(xué)性能不同的拉、壓試件，然后分別對其進(jìn)行軸向拉伸試驗將和軸向壓縮試驗并記錄試驗數(shù)據(jù)。

3.2.2 實驗結(jié)論

3.2.2.1 實驗過程分析

在進(jìn)行順紋拉伸實驗的過程中，試件橫軸向開始出現(xiàn)白色條紋狀損傷，隨著拉力增加，條紋逐漸發(fā)展為環(huán)繞整個試件截面的環(huán)狀條紋，且白色條紋數(shù)量逐漸增加。隨著實驗繼續(xù)進(jìn)行，破壞最嚴(yán)重的條紋寬度迅速增加，構(gòu)件變形顯著增加，出現(xiàn)類似于金屬材料拉伸實驗中的屈服階段，最后達(dá)到強度極限突然破壞。橫紋拉伸實驗過程與順紋拉伸相似，但是不出現(xiàn)屈服階段。壓縮實驗過程中，由于材料自身特性原因，隨著實驗力增加，試件的橫截面積逐漸增加，未表現(xiàn)出明顯的破壞征兆，取壓縮位移-試驗力曲線斜率顯著變化點所對應(yīng)的試驗力作為極限荷載。將測試結(jié)果整理后，如表2～表3所示。

表1 拉壓試件幾何參數(shù)表 mm

表2 不同打印方式抗拉強度對比

表3 不同打印方式抗壓強度對比

3.2.2.2 實驗結(jié)果分析

通過表2所得數(shù)據(jù)對比得，不同打印方式所得極限抗拉強度及荷重比隨著打印層厚、打印速度、打印紋路、打印方式及填充密度的改變而改變， 由拉伸試驗的位移-試驗力曲線分析可得(圖7)，該材料在進(jìn)行拉伸試驗達(dá)到強度極限之前試件伸長量與所加荷載大小成正比，順紋拉伸存在屈服階段，而橫紋拉伸無屈服階段，順紋拉伸延性優(yōu)于橫紋。實驗結(jié)果總結(jié)如下：

(1)相同條件下，順紋拉伸較橫紋拉伸，強度及荷重比均有較大提升。

(2)相同條件下，層厚越大，強度及荷重比均越小。

(3)相同條件下，打印速度增加，強度及荷重比均增加。

(4)相同條件下，強度隨填充密度增加而增加，荷重比變化無明顯變化規(guī)律。

通過表3所得數(shù)據(jù)對比可知：僅增加層厚時，試件強度及荷重比均有所增加；只增加填充密度時，試件強度有所提高，但質(zhì)量也隨之提高，荷重比整體呈現(xiàn)升高趨勢。其他各個變量改變時，試件的強度變化與荷重比變化未體現(xiàn)出明顯規(guī)律,有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

以第九屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為背景，對競賽規(guī)則、打印設(shè)備及繪圖工具的選擇進(jìn)行了簡要分析，對使用3D打印節(jié)點的設(shè)計方法及打印技能進(jìn)行了分析。通過實驗分析總結(jié)出，打印構(gòu)件強度和荷重比與打印層厚、打印速度、打印紋路、打印方式及填充密度的關(guān)系。因此，參賽者應(yīng)該在充分了解3D打印應(yīng)用技巧的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體結(jié)構(gòu)體系，運用自己所學(xué)知識，展示結(jié)構(gòu)模型節(jié)點的設(shè)計與創(chuàng)新。

[1] 付果,馬曉娟. 利用結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與訓(xùn)練基地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的探索[J]. 中國電力教育,2013,25:50-51.

[2] 李青,王青. 3D打印:一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志,2013,04:29-35.

[3] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰. 材料力學(xué)(第五版)[M]，北京：高等教育出版社，2009.

Research on the practice of 3D printing technology in the structural design competition of University Students

HEWentaoFUGuo

(College of civil and architectural engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114)

The Ninth National structural design contest for college student has adopted 3D printing technology for making node connecting pieces for the first time. Based on this contest and with brief introduction of the competition regulations, this thesis has summarized the influencing factors of component strengths, such as printing tools, drawing techniques, and printing parameter settings etc.And worked out the relation between printing component intensity and printing layer thickness, printing speed, printing pattern, as well as filling density; and the relation between load ratio and printing layer thickness, printing speed, printing pattern, as well as filling density .

3D printing technology;Strength;3D drawing;Structure design

湖南省普通高校土木工程大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心支持項目(TMDC2015001)。

賀文濤(1995.1- )，男。

E-mail:hewentao1995@126.com

2016-07-09

TU3

A

1004-6135(2016)11-0110-04