常規(guī)幾何造型與3D打印實(shí)物制作

胡曉旭+陳威+曹向陽

摘 要：3D打?。?D printing），是快速成形技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造實(shí)際物體的技術(shù)。此次打印先進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后再通過UG進(jìn)行三維模型構(gòu)造，之后利用Click和ReplicatorG進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后使用普及型3D打印機(jī)3D-YUNDL-24打印模型。此次3D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計分為簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜曲面的設(shè)計、典型的零件設(shè)計和減速器裝配。其目的是向人們證明3D打印技術(shù)巨大的潛力，在制造領(lǐng)域?qū)⑷藗兊淖⒁饬D(zhuǎn)移到3D打印上，從而促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印 結(jié)構(gòu)設(shè)計 模型打印

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0096-02

3D打?。?-Dimensional Printing）學(xué)名是增材制造（Material additive manufacturing），是指將打印材料一次性熔聚成型的快速制造技術(shù)，是一種與傳統(tǒng)去除加工方法相反、基于“三維數(shù)字模型”使用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，運(yùn)用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的加工技術(shù)，是由大批量、模范化制造模式向個性化制造模式發(fā)展的引領(lǐng)技術(shù)[1]。3D打印過程分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、切片處理和完成打印。3D打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模，再利用數(shù)據(jù)處理軟件將建成的三維模型劃分成逐層的截面，就是切片，進(jìn)而指導(dǎo)打印機(jī)來進(jìn)行逐層打印[3]。

該文基于3D打印技術(shù)，進(jìn)行了不同類型的幾何造型設(shè)計，并通過3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了實(shí)物制作。

1 所用軟件及3D打印設(shè)備

利用UG軟件進(jìn)行三維建模，建模時在“草圖”上繪制草圖，之后運(yùn)用“拉伸”或“旋轉(zhuǎn)”來構(gòu)造模型。模型建好后運(yùn)用“文件”里面的“導(dǎo)出”，選擇“STL”格式，之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所使用的3D打印機(jī)用來處理打印數(shù)據(jù)的軟件是Click和ReplicatorG，而為了運(yùn)行ReplicatorG，還需安裝Java和Python。

此次打印使用的是普及型3D打印機(jī)3D-YUNDL-24，屬于擠壓成型。此次打印使用的材料是聚乳酸也稱為聚丙交酯（Polylactide），屬于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等為原料，是理想的綠色高分子材料。

2 典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計

就普及型3D打印機(jī)3D-YUNDL-24而言，對模型有2個要求。

一是模型尺寸不能太大。受到打印機(jī)尺寸和打印速度的限制，模型尺寸不能太大。打印的模型尺寸若是太大，則打印時間就會太久。模型構(gòu)造時應(yīng)考慮尺寸大小，同時在數(shù)據(jù)處理時，在軟件ReplicatorG里可以查看打印時間。

二是打印的模型形狀不能是中空的。在構(gòu)造模型時可以出現(xiàn)懸空的部分，但不能出現(xiàn)中空的結(jié)構(gòu)。在3D打印機(jī)打印時對于模型懸空的部分可以通過打印支撐來解決，打印時，打印機(jī)通過打印支撐可以將懸空的結(jié)構(gòu)打印在支撐上，雖然存在可以將支撐打印在已打印好的模型結(jié)構(gòu)上，但是就普及型3D打印機(jī)3D-YUNDL-24的支撐不可以打印在已打印好的結(jié)構(gòu)上，故不能出現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)。

繪制模型的初始階段構(gòu)造了簡單的大部分由直線和平面組成的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括匕首、短劍以及鞘。在用UG繪制過程中，主要用到了“拉伸”和“掃略”功能。對于匕首的設(shè)計采用的是現(xiàn)代匕首樣式（見圖1），單刃曲線結(jié)構(gòu)，設(shè)有退血槽、剪切孔和倒刺；護(hù)手采用一大一小兩個刀環(huán)的結(jié)構(gòu)，全長114 mm，其中刀柄長42 mm，刀刃長72 mm；刀刃和刀柄部分高度都是14 mm；刀刃部分最寬的部分寬度是3.5 mm。

復(fù)雜曲面設(shè)計選擇的是機(jī)器貓的設(shè)計（見圖2），其特點(diǎn)是多曲線，難點(diǎn)是細(xì)節(jié)上的修飾。對于機(jī)器貓的形狀和比例選擇，先是在網(wǎng)上查找機(jī)器貓的手辦；經(jīng)過大量觀察機(jī)器貓手辦，最終確定其形狀尺寸和建模方法。其結(jié)構(gòu)為：頭部設(shè)計為直徑30 mm的球；身體為多曲線的形狀，其高度是10 mm，長21.8 mm，寬15 mm；之后是腳，同樣為多曲線，高度是2.5 mm，長24 mm，寬22.5 mm；其余便是一些細(xì)節(jié)上的處理，胸前的口袋選半徑是5 mm的下半圓，尾巴為直徑8 mm的球，鼻子是直徑4 mm的球，手取直徑7 mm的球；胡須、嘴和眼睛選擇畫出輪廓之后拉伸求差，使其向下凹下去來表示；瞳孔選擇畫出輪廓后拉伸求和，使其向外突出0.5 mm；而手臂也是通過旋轉(zhuǎn)來完成的，先在草圖上繪制出一平行四邊形，以其中一長邊為中心線旋轉(zhuǎn)，就可得到手臂結(jié)構(gòu)。

零件的設(shè)計中設(shè)計了經(jīng)典的齒輪、軸、軸套和鍵，并且創(chuàng)造性的將軸和鍵設(shè)計成一個整體加工（見圖3）。其中，軸套要求內(nèi)圓直徑是11 mm，外圓直徑是15 mm，數(shù)量是4個；而軸的直徑和長度則是要根據(jù)與其配合的齒輪來計算，但設(shè)計的理想軸徑是10 mm，數(shù)量為3根，長度分別為55 mm、45 mm、55 mm。

對于外壁的裝配機(jī)構(gòu)，選擇將左、右兩側(cè)壁設(shè)計為有向內(nèi)凹陷的2 mm槽，其余四壁設(shè)計為方向外凸出的1 mm厚薄板與兩側(cè)壁配合。各壁厚為5 mm，前、后壁與軸Ⅱ配合的位置向壁內(nèi)內(nèi)凹2.5 mm來進(jìn)行軸向和徑向定位；與軸Ⅰ和軸Ⅲ接觸的位置則設(shè)計為有槽孔的通孔。同時由于減速器的減速效果不明顯，故另設(shè)計一示意輪兩個和撥動示意輪旋轉(zhuǎn)的軸Ⅳ。同時將減速器上壁設(shè)計安放示意輪和軸Ⅳ的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)物制作

在打印之前需將用UG建好的模型輸出為STL格式，之后再用Click和ReplicatorG軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能識別打印的xj3dp格式文件。實(shí)際打印前需要將模型轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠識別的xj3dp格式文件，之后利用3D打印機(jī)打印模型。通常情況下，首先打印支撐，之后是外層結(jié)構(gòu)，設(shè)置為兩層外壁；外壁打印完后則會在壁內(nèi)打印支撐，最后仍是外壁。模型的填充率是10%，也就是說打印的模型只有10%的填充物。

打印過程中需要時刻在3D打印機(jī)前觀察打印機(jī)工作狀況，檢驗(yàn)3D打印機(jī)是否正常打印、有無堵絲等情況發(fā)生。打印時會出現(xiàn)基板不粘絲和打印頭堵絲的問題?；宀徽辰z原因是工作臺基板不平或者是打印材料質(zhì)量不合格。若打印材料質(zhì)量不合格則只需換另外的材料就可；倘若是基板不平則需要調(diào)平。打印頭堵絲原因一是換絲時操作不當(dāng)；原因二是材料質(zhì)量不好。打印效果如圖4和圖5所示。

4 結(jié)語

該文介紹了3D打印技術(shù)的歷史、原理、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域，對打印機(jī)和打印材料類型進(jìn)行說明，進(jìn)行簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜曲面設(shè)計和典型零件設(shè)計，并使用使用普及型3D打印機(jī)3D-YUNDL-24和PLA打印材料，進(jìn)行實(shí)體3D打印，將模型實(shí)際打印出來。其目的是通過對3D打印技術(shù)的介紹，并結(jié)合實(shí)際打印過程，向人們證明3D打印技術(shù)巨大的潛力，在制造領(lǐng)域?qū)⑷藗兊淖⒁饬D(zhuǎn)移到3D打印上，從而促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5.

[2] 劉星.工業(yè)設(shè)計在三維打印時代面臨的發(fā)展變化[J].包裝工程，2011，32（12）：104-107.