基于soliworks軟件的FDM 技術(shù)3D打印設(shè)計與實踐

1 引言

3D打印技術(shù)(3D Printing Technology)起源于20世紀 80年代出現(xiàn)的快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing)，是依據(jù)計算機 3D 建模，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件和數(shù)控系統(tǒng)，將特制材料以逐層堆積、疊加成形的方式構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印是一種全新的制造方式，被認為是近年來世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。3D打印涉及的技術(shù)包括 CAD(計算機輔助設(shè)計)建模、測量技術(shù)、接口軟件：精密機械、激光和材料等。

目前比較成熟的快速成型技術(shù)和相應系統(tǒng)已有十余種，其中較為成熟的技術(shù)有：薄形材料切割成型(IOM)、絲狀材料熔融成型(FDM)、液態(tài)光固化成型(SLA)、粉末材料燒結(jié)成型(SIS)等。盡管這些快速成型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和采用的原材料有所不同，但它們都是基于先離散分層，再堆積霍加的成型原理，即將一層層的二維輪廓逐步疊加成三維實休。其具體差別主要在于二維輪廓制作采用的原材料類型，成型的方法以及械面層與層之間的連按方式等內(nèi)容。

FDM 是熔融沉積成形工藝。與其他類型的3D打印機相比，使用FDM 技術(shù)的3D打印機具有體積小、成本低、操作簡單等特點，是桌面級3D打印機中最為常見的一種類型，圖1所示為FDM原理示意圖。

2 快速成型技術(shù)前期處理精度

2.1 產(chǎn)品三維CAD數(shù)據(jù)建模過程

3D打印的前端信息是三維CAD數(shù)據(jù)模型，即所有的快速成型方法都是由三維CAD數(shù)據(jù)模型經(jīng)過切片處理來直接驅(qū)動的。三維CAD數(shù)據(jù)模型必須首先處理成快速成系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)格式，并且在原型制作之前還需進行分層和切片處理。因此在3D打印前以及原型的制作過程當中，需要進行大量數(shù)據(jù)的準備和處理、轉(zhuǎn)換等工作，數(shù)據(jù)的充分準備、有效處理在一定程度上決定著原型制作的效率、質(zhì)量，甚至成型制件的精度。所以，在整個快速成技術(shù)的實施過程中，三維CAD數(shù)據(jù)的處理是十分必要和非常重要的。

3D打印技術(shù)的核心就是將零件的三維CAD數(shù)據(jù)模型經(jīng)過分層后，直接快速制造得到零件的實體原型。其具體的制作過程大致可分為快速成型數(shù)據(jù)模型的前處理速成型的中期處理、快速成型制件的后處理三個階段。

隨著瀝青砂漿厚度的增加，其抗拉強度并未出現(xiàn)明顯變化，當瀝青砂漿過渡層厚度達到8 cm后，拉伸試驗各項性能指標趨于穩(wěn)定。

3D打印的工藝數(shù)據(jù)的前期處理就是三維CAD數(shù)據(jù)模型的建立。三維CAD軟件設(shè)計出CAD數(shù)據(jù)模型是一種非常重要的、最廣泛的數(shù)據(jù)模型。由三維造型軟件生成產(chǎn)品的三維實體的或者表面數(shù)據(jù)模型，然后對再對實體模型或者表面模型進行分層，得到工藝所需要的、精確的截面輪廓信息。然后將設(shè)計好的三維實體模型轉(zhuǎn)換為3D打印工藝所接受的文件格式，常用的.STL格式，再進行分層得到3D打印工藝所接受的加工路徑。圖2所示為產(chǎn)品三維CAD數(shù)據(jù)建模過程。

物理試卷講評課最怕的是教師報答案，就題論題、蜻蜓點水、平均用力、講評拖沓、只講不練。常見誤區(qū)有六個：一是缺少數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如盲人摸象；二是試卷批改缺位，以講代批；三是逐題順次講解，講評泛化；四是缺乏變式訓練，補償不足；五是重講輕練，以講代評；六是學生被動聽講，反思缺位?？陀^上說，教師試卷講評課缺位的主要原因是：學生局限于單一的分數(shù)，難以感受到自我學業(yè)的進步幅度，導致內(nèi)在學習動力缺失；教師對學生知識、能力維度的缺失程度了解不夠精準，導致試卷講評陷入盲區(qū)。

2.2 前期處理精度常用三維CAD軟件

用于構(gòu)造三維模型的計算機輔助設(shè)計軟件應該有較強的三維造型功能和表面造型功能。在機械三維實體造型軟件中應用的最為廣泛的是Soliworks軟件。

選取2017年4月—2018年4月期間來我院診治的71例腫瘤患者作為研究對象，其中男42例，女29例，患者年齡介于24～83歲之間，平均年齡（51.45±4.76）歲，納入研究的71例患者均經(jīng)病理檢查明確診斷，其中鼻咽癌19例，肺癌14例，顱腦腫瘤11例，宮頸癌5例，食管癌7例，結(jié)腸癌6例，直腸癌9例。

Soliworks是一套機械設(shè)計自動化軟件，采用用戶熟悉的Windows圖形界面，操作方便、簡便易學、容易掌握，廣泛應用于機械、汽車和航空等領(lǐng)域。在Soliworks軟件中共有三大模塊，分別是零件、裝配和工程圖，其中“零件”模塊包括草圖設(shè)計、零件設(shè)計、曲面設(shè)計、鈑金設(shè)計以及模具設(shè)計等。

從對落實基礎(chǔ)知識調(diào)查的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，有24.78%的學生需要老師對基礎(chǔ)知識講的更詳細，這部分學生基礎(chǔ)知識落實較差，需要另外采取措施去落實和鞏固，不然沒有扎實的基礎(chǔ)知識的學生談何提升能力，談何培養(yǎng)學生的地理核心素養(yǎng)。針對學生反映的課前預習效果偏低的問題，可從教師和學生兩方面共同解決。教師采取課堂檢查和督促課后鞏固相結(jié)合。

眼前的畫面雖然壯觀，但由于光比過大，對于相機的寬容度是個非常艱巨的考驗。松下G9相機采用了2030萬像素的數(shù)字傳感器，由于無低通濾鏡的設(shè)計，讓其可以提供清晰的圖像品質(zhì)和超高的動態(tài)范圍。在保證高光光束不溢出的情況下，榕樹下暗部細節(jié)得以完整保留，讓整個畫面看起來層次豐富，即便放大仔細品味細節(jié)依然值得回味。

我們認識王維，多是通過他頗富禪意的詩句：“遠看山有色，近聽水無聲。春去花還在，人來鳥不驚。”在遠處，我們好像可以看見山川青翠的顏色，走近看，卻聽不到流水的聲音。春天已經(jīng)過去，花兒還在那兒開著，人來了，鳥兒卻絲毫沒有受到驚嚇。讀他的《畫》，便如同畫在眼前，怪不得蘇軾稱贊他說：“味摩詰之詩，詩中有畫；觀摩詰之畫，畫中有詩。”

接著，我們在Soliworks軟件進行定位軸的三維建模。其建模過程步驟如下：第一步，旋轉(zhuǎn)。繪制左端的半球體的草圖，四分之一的圓弧繞中心軸線旋轉(zhuǎn)；第二步，拉伸基體。根據(jù)尺寸創(chuàng)建階梯軸的截面草圖，輸入第一節(jié)拉伸長度，用同樣的方法拉伸另外五節(jié)不同直徑的軸長；第三步，在軸的右端面倒角。完成結(jié)果如圖5定位軸Soliworks三維圖所示。

孔。一般工業(yè)制造中，軸與孔的配合有三種方式，分別為間隙配合，過渡配合和過盈配合。在30打印中由于可用工具較少(一般有尖嘴鉗，砂紙和銼刀)，再加上打印材料本身存在熱脹冷縮，所以一般選用間隙配合的方式。軸與孔在建模時會留出0.1～0.4mm 的間隙，具體根據(jù)模型大小進行調(diào)整。

3 基于Soliworks軟件的定位器的設(shè)計

采用快速成型技術(shù)進行產(chǎn)品或模型的加工與制作，首先需要準備好前端的三維 CAD 數(shù)據(jù)模型。即目前幾乎所有的快速成型的加工制造方法，都是借助三維CAD數(shù)據(jù)模型，經(jīng)過恰當?shù)那衅幚砗笾苯域?qū)動快速成型設(shè)備進行快速加工與制作。與此同時，三維CAD數(shù)據(jù)模型資料領(lǐng)處理成快速成型系統(tǒng)所能接受的、特定的數(shù)據(jù)格式才能進人快速成型系統(tǒng)進行特定的切片處理工作。

1979年春，一場由法國服裝設(shè)計師皮爾·卡丹組織的模特時裝秀，在北京民族文化宮上演，在當時滿大街的“藍綠灰”服飾中，投射下一抹艷麗的色彩。

在本次任務中，我們使用Soliworks軟件進行定位器的設(shè)計。定位器由七種零部件組成，主要包括：支架、定位軸、套筒、蓋和把手等。根據(jù)各零件的工程圖進行零件設(shè)計，在設(shè)計過程中兼顧除了強度、精度、時間以外還需要進行零件之間的公差配合要求。圖3是定位器的裝配立體圖和示意圖。根據(jù)主要零部件的工程圖的設(shè)計要求，在Soliworks軟件上進行零件設(shè)計，得到圖4支架Soliworks三維圖、圖5定位軸Soliworks三維圖、圖6套筒Soliworks三維圖、圖7蓋Soliworks三維圖、圖8把手Soliworks三維圖。為了能適應FDM技術(shù)打印機的使用要求，我們把三維圖保存成“*.STL”格式，直接輸入其相配套的軟件，進行打印的相關(guān)參數(shù)設(shè)計。

將打印機運用到現(xiàn)實生活中除了需要考慮強度、精度、時間以外還需要進行組件之間的公差配合，需要充分考慮打印材料的熱脹冷縮以及打印精度對成品零件的影響。這使得整個打印過程中的任何一個環(huán)節(jié)對最后的結(jié)構(gòu)都起著決定性的作用，必須將各個影響因素進行考慮。下面將以定位器各零部件打印過程為例進行講解。

Soliworks提供了非常強大的裝配功能，其優(yōu)點如下：在Soliworks的裝配環(huán)境中，可以方便地設(shè)計及修改零部件。Soliworks可以動態(tài)地觀察整個裝配體中的所有運動，并且可以對運動的零部件進行動態(tài)的千涉檢查及間隙檢測。對于由上千個零部件組成的大型裝配體，Soliworks的功能也可以得到充分發(fā)擇。鏡像零部件是Soliworks技術(shù)的一個巨大突破，通過鏡像零部件，用戶可以由現(xiàn)有的對稱設(shè)計創(chuàng)建出新的零部件及裝配體。在Soliworks中，可以用捕捉配合的智能化裝配技術(shù)進行快速的總體裝配。智能化裝配技術(shù)可以自動地捕捉并定義裝配關(guān)系。使用智能零件技術(shù)可以自動完成重復的裝配設(shè)計。

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，在機械類3D打印三維設(shè)計時常被使用，能根據(jù)設(shè)計要求進行建模，以保證加工或者裝配要求。基于Soliworks的優(yōu)點和功能，Soliworks作為保證快速成型技術(shù)前期處理精度的三維優(yōu)選軟件。

套筒的建模步驟如下：第一步，旋轉(zhuǎn)。繪制套筒的軸向截面圖，繞中心軸線旋轉(zhuǎn)即可得到套筒輪廓；第二步，在套筒右端內(nèi)圓柱面加上裝飾螺紋即可。完成結(jié)果如圖6套筒Soliworks三維圖所示。

蓋的建模步驟如下：第一步，旋轉(zhuǎn)。繪制蓋的軸向截面圖，繞中心軸線旋轉(zhuǎn)即可得到蓋輪廓；第二步，在蓋左端外圓柱面加上裝飾螺紋即可；第三步，倒角。完成結(jié)果如圖7蓋Soliworks三維圖所示。

Soliworks 提供了十分強大的、基于特征的實體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描特征、放樣特征、特征的陣列以及打孔等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計；通過對特征和草圖的動態(tài)修改，用拖曳的方式實現(xiàn)實時的設(shè)計修改；Soliworks提供了三維草圖功能，該功能可為掃描、放樣等特征生成三維草圖路徑，或為管道、電纜線和管線生成路徑。

最后，把手的建模步驟如下：第一步，旋轉(zhuǎn)。繪制蓋的軸向截面圖，繞中心軸線旋轉(zhuǎn)即可得到把手輪廓；第二步，在把手小端插入暗銷孔；第三步，旋轉(zhuǎn)切除。在左端外圓柱面旋轉(zhuǎn)切除得到光孔，加上裝飾螺紋即可。完成結(jié)果圖8把手Soliworks三維圖所示。

4 FDM技術(shù)的3D打印

首先，我們在Soliworks軟件進行支架的三維建模。其建模過程步驟如下：第一步，拉伸基體。為支架底板創(chuàng)建草圖，然后通過拉伸命令輸入拉伸高度即可完成；第二步，拉伸切除。在支架底板上表面繪制兩孔草圖，在拉伸切除選項板面，選擇“完全貫穿”的切除方式即可完成；第三步，立板的拉伸。在支架底板的左側(cè)面，繪制立板草圖，輸入拉伸高度；第四步，插入“簡單孔”，輸入孔徑尺寸即可；第五步，通過“異形孔向?qū)А?，設(shè)置孔規(guī)格，確定孔的正確位置，即可創(chuàng)建成功；還有倒圓角等各種細節(jié)完善。最后結(jié)果如圖4支架Soliworks三維圖所示。

4.1 3D打印中的常用連接方式

我們通過運用三維設(shè)計軟件Soliworks對機械類定位器的各零部件設(shè)計，使用FDM技術(shù)進行3D打印，達到3D打印裝配精度要求。

第一，同行競爭加劇。2017年共享單車在全國各地打響正面競爭，激烈競爭帶來高推廣成本。每當一家公司開通一座城市時，就會有少則數(shù)萬輛多則數(shù)十萬輛的單車投入。同時要跟進單車轉(zhuǎn)運團隊，單車運營團隊和當?shù)剡\營推廣團隊，再加上單車的成本費用和線上線下的推廣運營的費用，使部分企業(yè)無額外的資金回收維修廢料共享單車。第二，用戶忠誠度難培養(yǎng)。共享單車是工具類產(chǎn)品，依靠用戶。在贏取用戶信任前，大部分用戶會進行產(chǎn)品體驗，互相借鑒。部分企業(yè)難以保證能贏得用戶的青睞。第三，部分企業(yè)管理能力有限。部分企業(yè)缺少相關(guān)的專門管理機制，內(nèi)部維修人員有限，維修人員維修能力不強。

螺紋。螺紋配合在比賽中運用較多，在3D打印中螺紋的設(shè)計與打印可以考查建模能力、應變能力(需要選擇合適牙型、螺旋距和牙型截面的大小)以及對打印參數(shù)的設(shè)定。在實際建模過程中需要考慮打印機成形特點、成形精度和材料特性，這就要求在建模時考慮配合公差，一般會留出 0.1～0.2mm 的間隙。

其他連接方式。3D打印中除了孔和螺紋，一般還會用到楔連接、銷連接、鍵連接、花鍵連接、彈性環(huán)連接、鉚接和膠接等，也需要在建模時考慮公差的配合。

4.2 3D打印步驟

步驟一：導入定位器的支架、定位軸、套筒、蓋和把手零件模型文件至FDM 技術(shù)的3D打印機設(shè)備配套的加工軟件中，進行產(chǎn)品零件的3D打印參數(shù)設(shè)計，完成定位器零件的3D打印制作。

步驟二：后處理 剛打印完成的零件第一步是去除支撐，這里就需要細心地將每一部分的支撐去除，是免劃傷模型。支撐去除后我們可以看到在支撐去除的地方成形并不是太好，就算沒有支撐的地方有時也會有毛刺，這時就需要我們進行后處理。

由于剛脫離打印系統(tǒng)的打印件比較粗糙，所以需要用到銼刀、尖嘴鉗等工具經(jīng)過二次處理才可以使得表面更加光滑、適用性更強。

步驟三：完成3D打印工藝卡。通過工藝卡的填寫與記錄，可以根據(jù)裝配精度要求，在打印過程中通過對工藝參數(shù)的對比，得出最優(yōu)化參數(shù)，為后續(xù)打印提供有利參考。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，以及越來越被廣泛使用，讓使用者對它的打印精度要求越來越高。我們在使用Soliworks軟件快速完成機械零件的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計要求和裝配要求，在FDM技術(shù)打印機上完成3D打印，經(jīng)過簡單后處理得到符合裝配精度要求的成品。經(jīng)過不斷的優(yōu)化參數(shù)設(shè)計，滿足越來越復雜零部件的各精度要求，解決實際生產(chǎn)的需要。

[1]陳吉祥，王基維.快速制造(3D打印)項目應用[M].北京，機械工業(yè)出版社.2021.01：1-78.

[2]韓霞，楊恩源.快速成型技術(shù)應用[M].北京，機械工業(yè)出版社.2012.03：127.

[3]鐘興華等. 基于FDM的3D打印賽車方向盤設(shè)計[J]. 汽車實用技術(shù),2019.07：165-168.