宋　科，楊邦成

(昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500)

?

3D打印技術的實例應用研究*

宋科，楊邦成

(昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500)

摘要：3D打印技術作為21世紀最為前沿和最具潛力的技術，是目前先進制造技術的重要發(fā)展方向。作為第三次工業(yè)革命的領跑者，3D打印技術正在快速改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式。采用Maya軟件根據(jù)素材圖片進行高精建模，將模型以STL格式導出后，采用打印機自帶的處理軟件進行模型切片處理，并對模型大小等參數(shù)進行調(diào)整，最后采用3D打印機進行增材制造。根據(jù)產(chǎn)品的實物模型，可對其外觀造型和結(jié)構(gòu)進行改進和調(diào)整，提高了產(chǎn)品的設計效率，實現(xiàn)了模型外觀造型和結(jié)構(gòu)一體化設計流程。充分展示了3D打印技術在個性化設計制造方面的應用優(yōu)勢，并且列舉了其在教育、醫(yī)療等行業(yè)中不可估量的應用前景，這必將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響和推動作用。

關鍵詞：3D打印；Maya；增材制造；設計；應用前景

3D打印技術作為一種新型的快速成型技術，被英國著名雜志《經(jīng)濟學人》稱為“第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具”。3D 打印的未來發(fā)展將使大規(guī)模的個性化制作與生產(chǎn)成為可能，在工業(yè)設計、建筑、航空航天、醫(yī)學和教育等領域具有廣闊的應用空間[1]。近年來，3D打印在全世界范圍內(nèi)引起廣泛關注。發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以提升我國工業(yè)領域的產(chǎn)品開發(fā)水平，提高工業(yè)設計能力；可以生產(chǎn)復雜、特殊和個性化的產(chǎn)品，有助于攻克技術難關[2]。

3D打印技術，學名為快速成型技術(Rapid Prototype)，也稱為增材制造技術，它是一種以三維數(shù)字模型為基礎，運用粉末狀金屬、塑料或者其他合成材料等作為原材料，通過打印機連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術。最早的3D打印機出現(xiàn)在20世紀80年代，是一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制使原材料一層一層的疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D 打印無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本[3]。目前，3D打印技術主要應用于產(chǎn)品原型、模具制造、藝術創(chuàng)作和珠寶制作等領域，替代這些領域傳統(tǒng)的精細加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度[4]。為了更好地探究3D打印技術的實際應用，筆者應用Maya軟件對素材進行高精建模，并對模型進行了實體打印，實現(xiàn)了模型外觀造型和結(jié)構(gòu)一體化設計流程，并展望了3D打印技術的未來發(fā)展及應用前景。

1三維建模

本文選取了電影《星球大戰(zhàn)》中某動物圖片素材作為本文的實例(見圖1)。應用Maya軟件對素材進行了高精度建模，后期使用ZBrush軟件進行模型微調(diào)來保證模型的精度。三維建模是制作實體模型的基礎，其好壞直接影響3D打印的效果。本文采用多邊形(Polygon)進行建模，這種建模方式相對于其他建模方式是比較容易的，且它的拓撲結(jié)構(gòu)沒有嚴格的限制，即使是在創(chuàng)建非常復雜的表面細節(jié)部分時，也可以任意加線、減線，以達到造型的目的。

建模時，首先分析建模的步驟，以確定先做素材哪個部位及每個部位的細節(jié)；然后進行分部位建模；最后再將模型拼接到一起，此階段可將不同部位命名后，以便后續(xù)的操作更為便捷。同時，還應注意模型單元的細節(jié)處理，盡量保證模型表面的基礎單元都為四邊形面，不應出現(xiàn)三角形面。建好的三維模型如圖2所示。

圖1　素材圖片

圖2　Maya模型

2增材制造

將處理完畢的三維模型導出為STL(Stereo Lithography)格式，STL是快速成型設備所支持的通用模型文件格式，也是快速成型系統(tǒng)的標準輸入文件之一。STL將實體表面數(shù)位化，以三角網(wǎng)格面代替原有模型的四邊形面來補綴構(gòu)成實體表面模型，從而表現(xiàn)三維模型，其中曲率變化大的模型需要較多的三角形，轉(zhuǎn)換精度設置越高，三角面的數(shù)量越多，所形成的多邊形模型也就越精確[5]。之后將STL輸入3D打印機自帶的模型處理軟件進行模型切片處理，調(diào)整模型的打印尺寸(模型高度設置為5 cm)，打印精度設定為0.1 mm，打印形式設置為非實心打印(模型內(nèi)部不是實心的)。設定完畢后開始打印，整個模型打印耗時大約5 h。打印機實物圖如圖3所示。

圖3　打印機實物圖

本文所選的3D打印機采用的是熔融堆積成形技術，它是一種不依靠激光作為成形能源，將各種絲材(本文所選材料為PLA)加熱熔化進而堆積成形的方法，簡稱FDM[6]。其技術原理如圖4所示，將STL數(shù)據(jù)導入到3D打印機的控制軟件中，對其處理后自動生成支承材料和加熱噴頭路徑，熱塑性絲狀材料由供給機構(gòu)送至加熱噴頭，加熱噴頭會在計算機的控制下根據(jù)三維造型的截面輪廓信息做平面運動，熱塑性絲狀材料由供絲機構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中以>230 ℃的溫度加熱，并熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層薄片輪廓。一層截面成形完成后，工作臺下降一定高度，繼續(xù)下一層的熔覆，用熱熔的材質(zhì)一層層堆積出截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。

圖4　熔融堆積成形技術原理圖

打印過程(見圖5)分3個階段：1)打印機開始打印后，打印出模型底座作為整個模型的支承結(jié)構(gòu)(見圖5a)；2)打印工作進行到一半(見圖5b)；3)打印快完成階段(見圖5c)。打印完成后的模型成品如圖6所示，取出后去除支承材料，用小銼刀加以修飾，最后得到和三維模型一樣的成品，后期還可根據(jù)要求和條件對其進行上色處理，使其效果更為逼真。

圖5　打印過程

圖6　成品圖

3應用前景及展望

3D打印技術的出現(xiàn)為現(xiàn)代社會提供了一種有效的手段和創(chuàng)意平臺，解決了產(chǎn)品開發(fā)階段中需快速得到三維概念模型的核心問題。設計人員在制作過程中能直觀了解真實的材料和結(jié)構(gòu)，及時對設計尺寸、形態(tài)和工藝進行改進和完善，從而少了不必要的更改循環(huán)過程。與傳統(tǒng)制造技術相比，該技術具有十分明顯的優(yōu)勢：1)用戶可以通過任意三維建模軟件設計所需產(chǎn)品，進行個性化設計，快速打印出傳統(tǒng)制造技術無法制造的成品，滿足廣大設計者的需求；2)3D打印技術能極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過模具的設計、模具的制作、制作模型和修整等工序，制作周期長，而3D打印則去除了模具的制作等過程，使得模型的生產(chǎn)時間大大縮短；3)通過對便捷的成品原料進行有效的利用，可以提高材料的使用率，減少浪費。3D打印技術由于摒棄生產(chǎn)線而降低了成本，大大減少了材料浪費，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，可以進行原材料的高效利用。

在教育、醫(yī)療、電器、船舶、汽車、通信技術、航空航天和軍工等領域，3D打印技術被越來越多地應用到實際應用和研發(fā)生產(chǎn)中。在醫(yī)療領域，國內(nèi)一些高水平的醫(yī)院使用3D打印技術，通過掃描，為患者提供B超胎兒3D模型或者病變組織模型，極大地提高了醫(yī)療的診斷能力。同時，通過3D打印可為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物以及具有仿生性能的體內(nèi)植入物。近年來，3D打印技術已在骨骼、血管、肝臟和乳房構(gòu)建等方面取得了長足的進展[7]。試想不久的將來，可以完全實現(xiàn)人體器官的打印，替代病變、癌變組織，實現(xiàn)復雜器官的功能。在教育領域，我國有很多高校和一些中小學已經(jīng)引進了3D打印設備，開展了多個學科的教學和研究工作。利用3D打印技術，對學生的學習起到了推動作用，大大提高了學生的創(chuàng)造力和動手能力。與傳統(tǒng)教學相比，3D打印技術的引進更能鍛煉學生的空間思維，并能營造良好的學習體驗，同時也可幫助教師創(chuàng)造新穎的教學內(nèi)容，實現(xiàn)教學方法的改善[8]。在汽車、船舶、航空航天和軍工制造等裝備制造業(yè)中，由于使用的零部件種類多、要求高，往往需要進行反復測試。3D打印技術的應用可以大大提高產(chǎn)品研發(fā)速度，直接加工出特殊、復雜的形狀，簡化裝備的結(jié)構(gòu)設計，化解技術難題，實現(xiàn)關鍵性能的突破。

4結(jié)語

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

1)通過對3D打印技術應用實例的深入分析，詳細研究了打印過程中的細節(jié)問題，并展示了模型素材外觀造型和結(jié)構(gòu)一體化設計流程，充分體現(xiàn)了3D打印技術在個性化設計制造方面的應用優(yōu)勢。

2)近年來，隨著3D打印技術在各行各業(yè)不斷的發(fā)展，尤其是應用技術和商業(yè)發(fā)展的結(jié)合造就了大批量的個性化定制商業(yè)生產(chǎn)方式。3D打印技術的發(fā)展將帶來全新的“概念→設計→管理→制造”模式，促進產(chǎn)業(yè)更快地響應市場的供需，使生產(chǎn)模式、商業(yè)模式等多個方面發(fā)生根本性的變化，將在教育、醫(yī)療、電器、船舶、汽車、通信技術、航空航天和軍工等眾多領域發(fā)揮舉足輕重的作用。

3)隨著3D打印技術及其附屬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新的電子技術、成形控制技術和先進材料制造技術等將被廣泛地應用到各行各業(yè)，3D打印技術也將被推向更高的發(fā)展層面。不久的將來，3D打印技術將實現(xiàn)精密化、智能化、通用化以及便捷化等多元一體的概念，這必將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響和推動作用。

參考文獻

[1] 王萍. 3D打印及其教育應用初探[J]. 中國遠程教育, 2013(8):83-87.

[2] 王忠宏, 李揚帆, 張曼茵. 中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]. 經(jīng)濟縱橫, 2013(1):90-93.

[3] 童宇陽. 3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J]. 現(xiàn)代教育技術, 2013,23(12):16-19.

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

[5] 韓二豹. 自頂向下設計與快速成形技術的應用研究[J]. 新技術新工藝, 2015(1):96-100.

[6] 趙舒迪, 劉冠軍, 李學勝, 等. 三維打印技術淺析與應用于新產(chǎn)品開發(fā)的探索[J]. 機械制造, 2014, 52(12):54-57.

[7] 王鎵垠, 柴磊, 劉利彪, 等. 人體器官3D 打印的最新進展[J]. 機械工程學報, 2014, 50(23):119-126.

[8] 卜娟娟, 肖瑞雪, 麻娟, 等. 3D打印技術在中小學教育中的應用研究[J]. 軟件導刊, 2014(12):94-95.

* 國家自然科學基金項目(E090801)

責任編輯彭光宇

The Study on the Application of 3D Printing Technology

SONG Ke，YANG Bangcheng

(Faculty of Civil Engineering and mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract：3D printing technology，as the most advanced and potential technology in the 21st century，presents the most important direction of modern advanced manufacturing technologies. As the third industrial revolution leader, 3D printing technology is rapidly changing our traditional production mode and life style. Maya software is used to construct the high precision mode of source material. After exporting STL format, the software with the printer is used to model slicing processing and adjust the size of the model parameters. Finally, 3D printer is used for additive manufacturing. According to the physical model of the product, appearance and structure of the product can be adjusted and reinforced. This will improve the efficiency of product design and realize the model of appearance and structure design process, which has fully demonstrated the 3D printing technology application advantages in personalized design. And list the application prospects immeasurable in education and medical industry, which will have a deep impact and promoting role on the development of the society.

Key words:3D printing technology， Maya， additive manufacturing， design， application prospect

收稿日期：2015-05-27

作者簡介：宋科(1989-)，男，碩士研究生，主要從事材料加工及其力學行為等方面的研究。

中圖分類號：TB 21；TF 306

文獻標志碼:B