3D打印技術(shù)在精密檢測(cè)工程中的應(yīng)用

李 毅 許艷博 王 超

(1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038;2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

無(wú)舵雪橇起源于北歐,1964年在第九屆冬季奧運(yùn)會(huì)中被列為正式比賽項(xiàng)目。有舵雪車,起源于瑞士。由無(wú)舵雪橇發(fā)展而來(lái)。雪車用金屬制成,形如小舟,車首覆有流線型罩,車底前部是一對(duì)舵板;上與方向盤相接,車底后部為一對(duì)固定平行滑板,車尾裝有制動(dòng)器。第一屆冬季奧運(yùn)會(huì)中有舵雪車即被列為正式比賽項(xiàng)目。在現(xiàn)代的雪車、雪橇比賽中,選手的速度可以達(dá)到每小時(shí)140 km或者更大,其離心力超越5 G。比賽存在一定的危險(xiǎn)性,滑道需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。根據(jù)往屆冬季奧運(yùn)會(huì)的資料,雪車雪橇為管狀的賽道內(nèi)鋪設(shè)冰面,賽道的設(shè)計(jì)難度為冬奧會(huì)項(xiàng)目中單獨(dú)最高,認(rèn)證次數(shù)、審批最復(fù)雜,需要國(guó)際雪車聯(lián)合會(huì)( International Bobsleigh and Skeleton Federation,IBSF)和國(guó)際雪橇聯(lián)合會(huì)(International Luge Federation,FIL)進(jìn)行認(rèn)證和審批。

國(guó)家雪車雪橇中心為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程,賽道夾具為賽道制冷管定位的關(guān)鍵工序,三維空間定位難度大,定位精度要求高[1]。因此,有必要采用科學(xué)的測(cè)量檢測(cè)方案和高精度的測(cè)繪儀器對(duì)賽道施工進(jìn)行測(cè)量檢測(cè),結(jié)合工程特點(diǎn),利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)并打印了各種便于觀測(cè)、固定的模塊來(lái)輔助觀測(cè),大幅提高了觀測(cè)精度和工作效率。確保了賽道準(zhǔn)確施工,保證比賽的順利進(jìn)行。

1 3D打印技術(shù)

3D打印,即快速成型技術(shù)的一種,又稱增材制造,它是一種以三維模型文件為基礎(chǔ)的打印技術(shù),基于傳統(tǒng)的平面印刷技術(shù),利用噴頭的三維運(yùn)動(dòng),逐層通過(guò)二維打印的疊加實(shí)現(xiàn)模型打印,通過(guò)增加層級(jí)材料來(lái)生成三維實(shí)體,是一種增材過(guò)程[2],這種方式被稱為熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM),是3D打印技術(shù)中比較成熟的一種技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相較而言,3D打印技術(shù)具有打印過(guò)程更快、更便宜、更安全等典型特點(diǎn)[3]

3D打印早已開(kāi)始在各個(gè)方面徹底改變著地球上的設(shè)計(jì)[4],該技術(shù)逐步應(yīng)用于珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、航空航天、建筑、汽車、工程和施工(Architecture Engineeringand Construction,AEC)、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。2019年1月14日,美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校首次利用3D打印技術(shù),成功制造出了中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架,幫助一只老鼠恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)功能。2020年5月5日,中國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭首飛成功,在太空中進(jìn)行了3D打印實(shí)驗(yàn),是國(guó)際上首次在太空中進(jìn)行的復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)。如圖1所示。

圖1 太空3D打印系統(tǒng)在軌打印的樣件

2 檢測(cè)工作目標(biāo)與檢測(cè)內(nèi)容

總體工作目標(biāo)是及時(shí)提供檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)賽道施工,確保賽道精確建成,有力保障國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目的順利實(shí)施和安全運(yùn)行。綜合利用衛(wèi)星定位、精密水準(zhǔn)和邊角測(cè)量等技術(shù),根據(jù)工程進(jìn)度推進(jìn),對(duì)施工放樣點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè),及時(shí)提供檢測(cè)報(bào)告,保證放樣點(diǎn)精度和后續(xù)工序順利進(jìn)行。

在2022北京冬奧會(huì)精密檢測(cè)工程中,國(guó)家雪車雪橇中心賽道工程需要對(duì)安裝點(diǎn)進(jìn)行精確的定位,為保證后續(xù)支架的準(zhǔn)確安裝,要求夾具施工精度小于5 mm,施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜,觀測(cè)位置距離點(diǎn)位較遠(yuǎn),給精確觀測(cè)帶來(lái)不便[5]。鋼結(jié)構(gòu)夾具(簡(jiǎn)稱夾具)特征點(diǎn)設(shè)置為精密定位后夾具上分布的4～10個(gè)(平均7個(gè))特征點(diǎn),特征點(diǎn)設(shè)置在夾具每個(gè)凸起模塊的左上棱中點(diǎn)。其中直道部分的夾具可設(shè)較少的特征點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),彎道部分的夾具可設(shè)較多的特征點(diǎn),且特征點(diǎn)盡量設(shè)置在設(shè)計(jì)滑行軌跡的部分,入彎和出彎是重點(diǎn)。特征點(diǎn)設(shè)置如圖2～3所示。

圖2 直道部分夾具特征點(diǎn)設(shè)置圖

圖3 彎道部分夾具特征點(diǎn)設(shè)置圖

3 定位模塊需求與3D打印流程

3.1 需求分析

在賽道制冷系統(tǒng)安裝階段,檢測(cè)工作在定位管安裝完成后進(jìn)行。夾具檢測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 夾具檢測(cè)點(diǎn)位置

要檢測(cè)的是夾具上凸起的鐵塊,測(cè)量一律選取該鐵塊前進(jìn)方向左側(cè)棱的中點(diǎn),即圖4筆尖所指位置。由于夾具設(shè)置的方向、高度、彎曲程度均不同,導(dǎo)致不同位置的檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)量方法也有所不同,如圖5所示,夾具水平段可立棱鏡測(cè)量而夾具豎直段不可立棱鏡。

圖5 賽道制冷段安裝過(guò)程

除此以外,在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),綁扎鋼筋網(wǎng)的鐵絲也成為干擾因素,大部分檢測(cè)點(diǎn)無(wú)法直接觀測(cè),給工作帶來(lái)極大困擾,降低了工作效率并且難以確保精度。

根據(jù)夾具本身的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了棱鏡組卡扣和既可以利用免棱鏡直接觀測(cè)又可以臨時(shí)固定棱鏡組的裝置,達(dá)到標(biāo)記明顯、位置固定的效果。

3.2 3D打印工藝流程3.2.1 三維模型設(shè)計(jì)

在3D打印的工藝流程中(圖6),第一步就是要在計(jì)算機(jī)中使用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模型的設(shè)計(jì),本工程定位模塊的設(shè)計(jì)采用solid works機(jī)械設(shè)計(jì)軟件,其特點(diǎn)是由尺寸驅(qū)動(dòng),即每個(gè)設(shè)計(jì)的零部件都需要由精確的尺寸來(lái)設(shè)定。

圖6 3D打印流程圖

3.2.2三維模型輸出

利用solid works將模型輸出STL格式文件,STL格式是3D打印技術(shù)領(lǐng)域默認(rèn)的模型文件和最普遍常用的數(shù)據(jù)格式[6]。

3.2.3三維模型的分層處理

模塊打印前需要根據(jù)三維模型按照打印成型的高度方向分割成有序的二維層片,稱為切片,根據(jù)定位模塊的需要,利用SIMPLIFY3D軟件將切片高度范圍設(shè)定為0.2 mm,即每隔0.2 mm獲取一次模型輪廓。

3.2.4打印

此步驟是將模型從數(shù)字轉(zhuǎn)為實(shí)體的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)的本質(zhì)即為分層制造并進(jìn)行疊加,將一個(gè)三維立體物體通過(guò)一層層平面建造疊加實(shí)現(xiàn)[7]。定位模塊的打印采用了熔融沉積成形技術(shù)(Fused Deposition Modelling,FDM)[8]進(jìn)行打印。

熔融沉積打印技術(shù)使用的料是熔點(diǎn)偏低的塑料絲或金屬絲,通過(guò)噴頭中喉管將打印材料融化成半液體并擠壓出來(lái),根據(jù)已生成的切片擠壓頭沿著每一層的切片輪廓路徑準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng),擠壓頭擠出的半液體的低熔點(diǎn)打印材料沉積固化成實(shí)際零部件薄層,每一次新打印的薄層都覆蓋在已打印沉積好的累積薄層之上,并在很短的時(shí)間內(nèi)凝固,一層成型輪廓打印完成,工作臺(tái)便上升或下降一層切片高度,噴頭再進(jìn)行同樣的掃描打印過(guò)程,重復(fù)以上沉積步驟,直到最后一層,通過(guò)成型部分和支撐部分的相互穿插,逐漸構(gòu)成一個(gè)實(shí)體零部件[9-10]。

模塊使用的3D打印機(jī)是基于XYZ箱體結(jié)構(gòu)的打印機(jī),標(biāo)稱精度XY方向?yàn)?.1 mm,Z方向由切片軟件進(jìn)行設(shè)定,模塊采用0.2 mm垂直精度,噴嘴直徑為0.4 mm。

3.2.5后處理

當(dāng)所有的截面都完成后,需要將模型從打印平臺(tái)上取出,進(jìn)行最后的處理,根據(jù)需要進(jìn)行打磨、上色,模塊還需要安裝強(qiáng)磁裝置。

4 定位模塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

為解決大部分檢測(cè)點(diǎn)無(wú)法直接觀測(cè)的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)反復(fù)思考、計(jì)算、試驗(yàn)論證,最終采用方法為徠卡小棱鏡組(A-B鏡)測(cè)量法。即利用空間位置關(guān)系,從能觀測(cè)到的地方把三維坐標(biāo)傳遞到隱蔽檢測(cè)點(diǎn)上，如圖7～8所示。

圖7 雙棱鏡組合模塊

具體方法是,采用3D打印技術(shù)制作一個(gè)卡扣,把兩個(gè)徠卡小棱鏡無(wú)縫連接在一起,組成一個(gè)棱鏡組,以確保雙棱鏡中心與棱鏡桿尖端同軸。在圖8的雙棱鏡連接方式中,兩棱鏡不僅達(dá)到了同軸的效果,且兩棱鏡中心理論距離為10 cm。

圖8 雙棱鏡組合使用

立鏡人員把棱鏡組頂端放置在隱蔽檢測(cè)點(diǎn)上,測(cè)量A棱鏡及B棱鏡三維坐標(biāo)。最終通過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算公式,把三維坐標(biāo)通過(guò)兩個(gè)小棱鏡傳遞到檢測(cè)點(diǎn)上,完成對(duì)隱蔽點(diǎn)的測(cè)量。

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),通常小棱鏡組是橫放或斜放于檢測(cè)點(diǎn)上的,此時(shí)棱鏡上的圓氣泡不能告訴我們棱鏡桿是否有晃動(dòng),而這個(gè)晃動(dòng)產(chǎn)生的誤差影響可能會(huì)很大。所以，我們?cè)诶忡R桿上捆綁兩根繩索,將其懸掛于鋼筋網(wǎng)上,與棱鏡桿形成一個(gè)穩(wěn)定的空間三棱錐結(jié)構(gòu),以保證其穩(wěn)定。此時(shí)棱鏡桿與檢測(cè)點(diǎn)能否穩(wěn)固連接成了新的問(wèn)題。

為解決此問(wèn)題,我們采用3D打印技術(shù)制作了一個(gè)邊長(zhǎng)2 cm、厚約1 cm的方形定位模塊,該模塊可與夾具完美貼合,模塊內(nèi)嵌磁石,可穩(wěn)妥固定在夾具上,模塊上的錐形孔孔徑依據(jù)小棱鏡桿尖端大小制作,保證棱鏡桿尖端能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地立于檢測(cè)點(diǎn)上。定位模塊樣式如圖9所示。

圖9 定位模塊

棱鏡組及定位模塊現(xiàn)場(chǎng)使用方法如圖10所示。

圖10 雙棱鏡組與定位模塊的生產(chǎn)應(yīng)用

雙棱鏡組計(jì)算原理如圖11所示。

圖11 雙棱鏡組測(cè)量的數(shù)學(xué)模型

為求得檢測(cè)點(diǎn)的X值,公式為：

(1)

根據(jù)上述小棱鏡組制作方法,理論上把兩個(gè)小棱鏡組裝在一起,小棱鏡頂端(即檢測(cè)點(diǎn)位置)到A小棱鏡中心點(diǎn)理論距離D′應(yīng)與A、B兩個(gè)小棱鏡中心點(diǎn)間的理論距離D相等(均為100 mm)。因此A、B間該方向上分量為：

(2)

但A、B小棱鏡之間的實(shí)測(cè)距離d與其理論距離D不相等,需要引入一個(gè)常數(shù)k：

(3)

引入常數(shù)k后,最終A小棱鏡距檢測(cè)點(diǎn)之間距離為：

(4)

其他方向增量推算過(guò)程同上。

綜上所述,檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)及高程計(jì)算公式如下：

對(duì)于部分無(wú)遮擋的檢測(cè)點(diǎn),利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出各種模塊,并在模塊表面加貼了觀測(cè)用的反射片,大大提高了立鏡人員的工作效率。如圖12所示。

圖12 可用于全站儀觀測(cè)的定位模塊

5 夾具檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出的各種模塊,安置在賽道夾具上,所測(cè)坐標(biāo)如表1所示。

表1 S47段夾具檢測(cè)坐標(biāo)比對(duì)表

通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出的各種定位模塊,放置在夾具上,隱蔽點(diǎn)測(cè)量問(wèn)題得以徹底解決,并且能在委托方要求的時(shí)間內(nèi)快速提交精準(zhǔn)的坐標(biāo)比對(duì)數(shù)據(jù)。在未引入上述方法前,大部分隱蔽點(diǎn)無(wú)法觀測(cè),需要投入大量人工和時(shí)間,或避開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)遮擋物或?qū)ふ铱赏ㄒ暱刂泣c(diǎn),檢測(cè)效率和檢測(cè)精度都受到影響。利用上述方法大大提高了工作效率,減少了人工成本和時(shí)間成本,也保證了精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用3D打印技術(shù)解決了棱鏡組精確無(wú)縫連接、棱鏡組的固定和可用于全站儀直接觀測(cè)的輔助定位模塊。經(jīng)過(guò)冬奧會(huì)定位模塊的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了不同領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的融合,解決了實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題,測(cè)量定位所需的零部件可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì),3D打印無(wú)論在成本、速度和精確度上都優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法,它具有高度柔韌性、個(gè)性化和實(shí)體自由成型等特點(diǎn)。3D打印機(jī)開(kāi)辟巨大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間,極大地發(fā)揮設(shè)計(jì)者的想象力。通過(guò)不斷地思考與實(shí)踐,3D打印技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。