劉艷申（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西咸陽,712000）

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工藝亭子三維造型與3D打印

劉艷申
（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西咸陽,712000）

摘要：3D打印是最近幾年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。被認(rèn)為推動(dòng)了第三次工業(yè)革命進(jìn)程的3D打印技術(shù)，涉及信息技術(shù)、材料科學(xué)、精密機(jī)械等多個(gè)方面。投入民用工業(yè)是近年來的事，多用于大型制造業(yè)。本文以工藝亭子為載體，介紹3D打印技術(shù)，并通過UP打印機(jī)完成工藝亭子的3D打印。通過3D打印過程分析得出目前3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足。

關(guān)鍵詞：3D打印;CAXA制造工程師;UP打印機(jī)

0　前言

工藝亭子為一個(gè)設(shè)計(jì)形狀簡(jiǎn)單、但構(gòu)思巧妙，工藝簡(jiǎn)單、但加工過程復(fù)雜，其加工需利用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床才能完成，同時(shí)也離不開CAD/CAM軟件完成零件的造型和編程。3D打印是最近幾年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體，可以大大簡(jiǎn)化其加工過程。本文以工藝亭子為載體重點(diǎn)介紹3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

1　3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印的技術(shù)主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工藝，下面我們簡(jiǎn)單介紹三種主流技術(shù)：

（1）立體光刻造型技術(shù)(SLA)：先由軟件把3D的數(shù)字模型，“切”成若干個(gè)平面，這就形成了很多個(gè)剖面，在工作的時(shí)候，有一個(gè)可以舉升的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)周圍有一個(gè)液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體，紫外線激光會(huì)從底層做起，固化最底層的，然后平臺(tái)下移，固化下一層，如此往復(fù)，直到最終成型。

（2）熔融沉積成型技術(shù)，同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。熔融沉積成型技術(shù)，就是把材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出一個(gè)個(gè)很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后立即固化，通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實(shí)物。這種技術(shù)成型精度更高、成型實(shí)物強(qiáng)度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。

（3）選擇性激光燒結(jié)(簡(jiǎn)稱SLS)不同材料的粉末為原料SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié)。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的，將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。

1.2 3D打印的過程

三維打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。分步驟描述如下：

1.2.1三維建模

通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的 DIY掃描設(shè)備獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成二維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

1.2.2分層切割

由于描述方式的差異，3D打印機(jī)并不能直接操作3D模型。當(dāng)3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機(jī)配備的專業(yè)軟件來進(jìn)一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的規(guī)格決定。

1.2.3打印噴涂

由打印機(jī)將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到二維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種實(shí)現(xiàn)方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)；或是通過高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成模型。整個(gè)過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝耗時(shí)幾分鐘到數(shù)天不等。

1.2.4后期處理

模型打印完成后一般都會(huì)有毛刺或是粗糙的截面。這時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。

1.3 3D打印材料

在3D打印領(lǐng)域，材料是技術(shù)的核心之一，可以使用多種材料，如陶瓷、鋼化玻璃、石膏、無機(jī)粉料、ABS塑料、PLA、玻璃填充聚胺、光固化材料、銀、鈦、鋼、蠟、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出來的材料以ABS（熱塑料）和樹脂為主，材質(zhì)在機(jī)器內(nèi) “熔化”，通過不同比例的材料混合，可以產(chǎn)生出將近120種軟硬不同的新材料。

2　基于CAXA制造工程師的工藝亭子的三維設(shè)計(jì)

CAXA制造工程師是北航海爾軟件有限公司研制開發(fā)的全中文、面向數(shù)控銑床和加工中心的三維CAD/CAM軟件。CAXA制造工程師基于微機(jī)平臺(tái)，采用原創(chuàng)Windows菜單和交互方式，全中文界面，便于輕松學(xué)習(xí)和操作。

2.1 底座建模

2.2 中間部分建模

圖1　底部造型

圖2　中間部分造型

通過一些拉伸增料和拉伸除料得出底座和中間部分的特征形狀，由于這些特征都是均布在零件上的，因此只需要做出一個(gè)其余通過陣列方式完成造型。結(jié)果如圖3所示。

2.3 頂部建模

圖3　底部側(cè)面完成圖

圖4　最終實(shí)體模型

3　亭子的打印過程

3D打印設(shè)備為UP打印機(jī)，該設(shè)備采用熔融沉積成型技術(shù)，操作簡(jiǎn)單。

3.1 UP打印機(jī)參數(shù)設(shè)置

（1）3D打印機(jī)軟件操作

將畫好的三維圖，保存為STL格式后，導(dǎo)入U(xiǎn)P打印機(jī)配套的軟件中，通過用圖5所示的圖標(biāo)調(diào)整將模型放置在虛擬3D打印機(jī)合適的位置，結(jié)果如圖6所示。

圖5　設(shè)置模型在3D打印機(jī)上的位置

圖6　模型在3D打印機(jī)上的位置設(shè)置完畢

（2）設(shè)置3D打印機(jī)

打開3D打印機(jī)先初始化，使打印機(jī)的噴頭和打印平臺(tái)回到打印機(jī)的初始位置，類似于數(shù)控機(jī)床的開機(jī)回零操作；校準(zhǔn)噴頭位置、設(shè)置參數(shù)（主要包含層片厚度和填充密度）、完成后打印。

圖7　設(shè)備初始化

圖8　校準(zhǔn)

圖9　層厚度及密度設(shè)置

圖10　打印

3.2 亭子3D打印效果圖

打印結(jié)束支撐材料的去除有時(shí)是一個(gè)很繁瑣的過程，且有些支撐材料在工件內(nèi)部小空間的地方更難以去除，需要操作者小心謹(jǐn)慎的清理，以免破壞打印好的模型。

圖10　工藝亭子最終打印結(jié)果

3.3 對(duì)工藝亭子3D打印結(jié)果分析

整個(gè)過程工藝處理簡(jiǎn)單，操作者輕松完成整個(gè)過程，完美的體現(xiàn)出了3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)省材料，不用去除邊角料，提高了材料利用率；②能做到很高的復(fù)雜程度，可以完成數(shù)控機(jī)床完成不了的工作；③不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件；④它可以自動(dòng)、快速、直接和精確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。雖然說優(yōu)點(diǎn)很突出，但3D打印過程中缺點(diǎn)問題也同樣突出：①精度問題，其精度還達(dá)不到機(jī)床加工的精度；②材料的局限性，一種3D打印機(jī)一般只能用特定材質(zhì)的材料進(jìn)行打印，不像機(jī)床一樣可以適應(yīng)各種材質(zhì)的零件進(jìn)行加工。

4　結(jié)語

以工藝亭子為載體，利用CAXA制造工程師完成零件的造型，存儲(chǔ)為UP打印機(jī)識(shí)別的STL格式的文件，最終通過UP打印機(jī)就可完成工藝亭子的成型過程。但打印結(jié)果反映出模型精度和表面質(zhì)量較差，但3D打印技術(shù)已經(jīng)來到我們的身邊，在很多領(lǐng)域都已經(jīng)取得了豐碩的成果。因此充分利用3D打印的優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)其缺點(diǎn)，使其能真正一次性做出一個(gè)質(zhì)量好、精度高的產(chǎn)品，對(duì)于3D打印技術(shù)人員來說是重中之重。

參考文獻(xiàn)

[1]柳建，雷爭(zhēng)軍，顧海清，李林岐。3D打印行業(yè)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。制造技術(shù)與機(jī)床，2015（03）。

[2]孫亮，石鑫。3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（06）。

[3]張希平，蘇健強(qiáng)，高健。3D打印技術(shù)及我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀。信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（06）。

[4]王聰聰，詹儀。3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景。出版與印刷，2014（12）。

劉艷申，男，1981年6月出生于河南省漯河市，講師，現(xiàn)在陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院主要從事數(shù)控技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)專業(yè)的教學(xué)研究。

The Art Pavilion 's 3D modeling and 3D printing

Liu Yanshen
（Shaanxi PolytechnicInstitute，Xianyang，712000，China）

Abstract：3D printing is a rapid prototyping technology in recent years.It is based on the digital model file.3D printing technology is considered to promote the third industrial revolution process,involving information technology, materials science,precision machinery and other aspects.Put into the civil industry is a matter of recent years,more for large-scale manufacturing industry.This paper introduces the pavilion as the carrier,3D printing technology,and complete the pavilion 3D by a UP printer.The advantages and disadvantages of the 3D printing technology are obtained by the 3D printing process analysis.

Keywords：3D printing;CAXA manufacturing engineer;UP printer

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A