傅祖發(fā)

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平353000）

近來(lái)年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印機(jī)與材料成本的降低，在工業(yè)產(chǎn)品過(guò)程中，3D打印的作用也越來(lái)越大[1]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)師以基于實(shí)物工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，開發(fā)平臺(tái)為實(shí)物，設(shè)計(jì)完成所有的零件以后，試裝配出手工樣品進(jìn)行調(diào)試，繁瑣工作方式，歷時(shí)漫長(zhǎng)，每一微小的變動(dòng)都需進(jìn)行開模處理，設(shè)計(jì)研發(fā)成本高[2]。根據(jù)國(guó)際快速制造行業(yè)報(bào)告結(jié)果，國(guó)外利用3D打印產(chǎn)品的開發(fā)年均增長(zhǎng)速度非?？?，越來(lái)越多國(guó)家利用3D打印進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)。國(guó)內(nèi)近年來(lái)隨著國(guó)家提高智能制造、新的技術(shù)、材料技術(shù)、成型技術(shù)等不斷應(yīng)用到制造領(lǐng)域，同時(shí)自主研發(fā)的3D打印機(jī)、成型精度也相對(duì)成熟。因此，3D打印技術(shù)也將向不同的領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)3D打印機(jī)具有體積小，操作相對(duì)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，更加適合于生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造的一體化的需求[3]。

本文以手壓充電筒為例，研究基于3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。通過(guò)三維軟件造型出產(chǎn)品的外觀與結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機(jī)，快速成型出樣品，讓設(shè)計(jì)師更加直接有效創(chuàng)新實(shí)際物品，極大地縮小了費(fèi)用與設(shè)計(jì)周期，給企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)過(guò)程流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)流程圖

1 產(chǎn)品創(chuàng)意草圖繪制

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員通過(guò)創(chuàng)意草圖來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案表達(dá)，同時(shí)達(dá)到與客戶交流的目的。設(shè)計(jì)師空間想象方案與構(gòu)思有效轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)圖形，同時(shí)正確的設(shè)計(jì)草圖、完整表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)思與創(chuàng)意，能讓客戶更加滿意。當(dāng)設(shè)計(jì)師拿到新產(chǎn)品或需改進(jìn)產(chǎn)品時(shí)，首先，要學(xué)會(huì)分析，聯(lián)想到生活中有關(guān)聯(lián)產(chǎn)品，要以技術(shù)眼光去關(guān)注生活，關(guān)注產(chǎn)品的外觀與具體結(jié)構(gòu)，多方面積累各種產(chǎn)品的樣式與素材。這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠第一時(shí)間想到產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)外觀，達(dá)到其借鑒和遷移。其次，設(shè)計(jì)要考慮人、物、環(huán)境三大因素分析，如：手動(dòng)式環(huán)保充電筒，適合群體在于年青人，在原有基礎(chǔ)上增加一些特殊功能。最終當(dāng)客戶滿意手繪草圖，模型設(shè)計(jì)師在相關(guān)設(shè)計(jì)人員的幫助下根據(jù)手繪草圖制作出充電筒的油泥模型，如圖2.

圖2 產(chǎn)品的手繪草圖

2 三維CAD模型制作

2.1 三維數(shù)據(jù)的掃描與處理

設(shè)計(jì)人員根據(jù)模型設(shè)計(jì)師的油泥模型即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的階段，本文利用ATOS光學(xué)掃描儀對(duì)模型進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，掃描數(shù)據(jù)由兩個(gè)部分組成：第一步是依靠設(shè)計(jì)人員做出的油泥模型，完成前進(jìn)行粗略的預(yù)掃描，然后通過(guò)掃描儀自帶軟件模擬模型和充電蓋等功能件結(jié)構(gòu)的裝配性[4]，并且根據(jù)充電筒布局發(fā)現(xiàn)干涉，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)的可能性，為避免曲面已經(jīng)重構(gòu)之后才才發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，可再反饋到模型并修改和完善。第二步是依據(jù)設(shè)計(jì)人員最后制作油泥模型進(jìn)行正式掃描，本次需要將模型細(xì)節(jié)盡量地掃描完整，并成為曲面重新構(gòu)建的基礎(chǔ)依據(jù)。掃描完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于直接掃描出的數(shù)據(jù)是大批的點(diǎn)數(shù)據(jù)，在曲面重構(gòu)前還必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成必要的整理，包括：刪除雜點(diǎn)、補(bǔ)充點(diǎn)、過(guò)濾多余點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從中獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，減少點(diǎn)云對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用，方便提取點(diǎn)云特征。為突出細(xì)節(jié)特征，進(jìn)行多視點(diǎn)云的拼合，在掃描過(guò)程將對(duì)局部點(diǎn)數(shù)據(jù)和點(diǎn)云的拼合、對(duì)齊等進(jìn)行單獨(dú)的細(xì)節(jié)掃描。點(diǎn)云的分塊，主要根據(jù)充電筒的表面覆蓋件的不同零件來(lái)進(jìn)行分塊，可以分為上蓋點(diǎn)云和下蓋點(diǎn)云、內(nèi)部結(jié)構(gòu)點(diǎn)云等。坐標(biāo)系的對(duì)正，即把點(diǎn)云數(shù)據(jù)和充電筒的布局坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一。同時(shí)通過(guò)三維CAD軟件將前面掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并編輯點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如STL、ASC、IES等通用格式。

2.2 產(chǎn)品的曲面重構(gòu)與質(zhì)量分析過(guò)程

運(yùn)用逆向工程軟件對(duì)模型重構(gòu)建和檢驗(yàn)裝配，同時(shí)進(jìn)行有關(guān)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整，在創(chuàng)建零件曲面模型數(shù)字化重新構(gòu)建當(dāng)中，特別是在基礎(chǔ)曲面構(gòu)建時(shí)，需要對(duì)某個(gè)特定的曲面精度與光順進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以保證掃描的曲面模型的滿足構(gòu)建的零件的表面質(zhì)量，這是掃描過(guò)程中對(duì)各個(gè)面是否達(dá)到要求進(jìn)行的控制手段，因?yàn)橐陨线^(guò)程分析往往針對(duì)基礎(chǔ)曲面，對(duì)于少量過(guò)渡和連接曲面的構(gòu)建過(guò)程中有些特殊要求，分析通常較少涉及，因此當(dāng)一個(gè)零件的曲面模型結(jié)束后，還需要從模型的實(shí)際情況總體的評(píng)估檢測(cè)曲面的光順程度，表面精確程度、曲面過(guò)渡性等，以滿足客戶外觀要求。光順?lè)治鰧?shí)際中主要應(yīng)用反射線法分析和截面曲率分析來(lái)檢測(cè)其光順性和曲面之間過(guò)渡的連續(xù)性要求，整體模型的反射線法分析效果圖，如圖3所示。分析的過(guò)程往往可以轉(zhuǎn)動(dòng)一些方向，轉(zhuǎn)換多個(gè)角度觀察掃描曲面的破損情況，并且也能從圖中看到曲面是否滿足光順要求，同時(shí)分析曲面模型的截面曲率，可以看到變化均勻的基礎(chǔ)面曲率。用三維軟件查看曲率、外觀是否達(dá)到相切連貫的要需求。用構(gòu)建的CAD模型三維數(shù)據(jù)曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行做分析比較，可以看出曲面的精度滿足要求，同時(shí)對(duì)三維曲面模型的質(zhì)量做評(píng)價(jià)，看誤差大小是否在可以滿足的范圍內(nèi)。使用專門的誤差檢測(cè)分析軟件來(lái)對(duì)模型進(jìn)行精度的分析。

圖3 整體模型效果圖

不同的三維數(shù)字化零件曲面要根據(jù)實(shí)際情況作出具體的判斷，然后采用最為合理、快速、精準(zhǔn)的曲面構(gòu)建方法去完成曲面模型的構(gòu)建。對(duì)于簡(jiǎn)單的零件，直接采取正向建模，對(duì)于復(fù)雜的曲面采用逆向建模，其它相關(guān)零件的曲面模型和構(gòu)建也可以按照這樣的過(guò)程進(jìn)行。各個(gè)外觀曲面模型以下蓋為基準(zhǔn)進(jìn)行匯總，裝配，模型效果如圖4，按以上流程完成后需要最終得到的充電筒的整個(gè)曲面。最終形成完整數(shù)字化裝配模型。

圖4 數(shù)字化裝配模型

3 模型STL文件的轉(zhuǎn)換

很多種型號(hào)的3D打印設(shè)備都能識(shí)別STL文件方式，同時(shí)也已成為快速成型領(lǐng)域的準(zhǔn)接入格式。從目前來(lái)看，STL是三維模型離散分層處理前廣泛使用的數(shù)據(jù)格式文件，STL文件就是對(duì)實(shí)體模型或曲面模型進(jìn)行表面三角網(wǎng)格化，用小三角形面片去逼近自由曲面。模型的曲面是通過(guò)多種空間三角形進(jìn)行擬合面片，通過(guò)三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格化處理后得到的STL文件，以曲面轉(zhuǎn)化三角形的弦高差來(lái)控制模型的精度，同時(shí)反映STL文件擬合的模型的程度，如果三角網(wǎng)格在擬合誤差越大，所需的三角形面片數(shù)量越少[5]。如果三角網(wǎng)格的面片越多所組成的實(shí)體曲面精度就更高，就能更加接近于理想模型的的形狀，但隨之STL文件更大，面片分層也會(huì)帶來(lái)的切片的時(shí)間明顯增多，有時(shí)曲面的部分輪廓會(huì)生成很小的直線段，掃描輪廓的運(yùn)動(dòng)不利于斷續(xù)進(jìn)行，致使表面不光順且成型效率是低下，因此從三維造型軟件輸出的標(biāo)準(zhǔn)的STL文件格式時(shí)，需要根據(jù)客戶的需求和產(chǎn)品綜合考慮并結(jié)合CAD模型的復(fù)雜程度選取的切片的精度參數(shù)和控制指標(biāo)[6]。

STL文件的完整性、特殊性對(duì)快速成型的工藝表面質(zhì)量有著重要作用，特別是要STL模型無(wú)裂縫、空洞，如果不修改這部分的缺陷，會(huì)造成成型過(guò)程后出現(xiàn)不完整的環(huán)和表面質(zhì)量不高的現(xiàn)象。CAD模型中存在一些問(wèn)題就會(huì)在轉(zhuǎn)化成STL文件過(guò)程中出現(xiàn)，對(duì)于一些較小的空洞和破損可以使用快速成型的自動(dòng)修復(fù)曲面功能，不要重新切片，增大工作效率，對(duì)于打開STL曲面文件發(fā)現(xiàn)有較大的漏洞情況下，最好再到模型三維軟件中進(jìn)行修改再重新轉(zhuǎn)化模型。

4 產(chǎn)品3D打印制作

首先將三維STL模型導(dǎo)入到打印機(jī)中，打印前，將自帶八個(gè)彈簧固平臺(tái)固定放好，才能保證模型穩(wěn)固，不至于在打印過(guò)程中，發(fā)生偏移。同時(shí)將三維打印機(jī)進(jìn)行回零處理，當(dāng)發(fā)出蜂鳴聲時(shí)表示打印機(jī)噴頭和水平臺(tái)回到了零點(diǎn)位置，當(dāng)歸零完成后會(huì)更新發(fā)出蜂鳴聲。

其次在正確校準(zhǔn)噴嘴高度前，借助水平校準(zhǔn)器進(jìn)行平臺(tái)的水平校準(zhǔn)，目的是確保打印平臺(tái)四個(gè)角在同一高度中。把設(shè)備配置的水平校準(zhǔn)儀固定在噴頭處，用3D打印機(jī)配制好的雙頭線連接水平校準(zhǔn)器和機(jī)器后方插頭，通過(guò)電腦軟件自帶的自動(dòng)水平校準(zhǔn)功能，水平校準(zhǔn)器將會(huì)順序?qū)ζ脚_(tái)的進(jìn)行九點(diǎn)式校準(zhǔn)，并采集各點(diǎn)的參數(shù)[7]。為保證模型與打印正常黏結(jié)，同時(shí)又要防止噴頭在工作臺(tái)磨損，使噴頭變大，精度變小，需要在打印前，用一張A4紙的厚度來(lái)調(diào)整噴嘴高度。測(cè)試前，將水平校準(zhǔn)器噴頭取下，將噴嘴換洗干凈以便測(cè)量準(zhǔn)確，將平臺(tái)緩慢上移，在接近噴嘴時(shí)，調(diào)整為進(jìn)給小量上升，這樣移動(dòng)速度會(huì)變得更加慢速，并來(lái)回的抽動(dòng)A4紙張，若A4恰好卡住，測(cè)試即完成，表示噴頭與平臺(tái)正好，軟件將會(huì)顯示目前噴嘴的所在高度[8]。

最后將模型導(dǎo)入軟件進(jìn)行分層切片參數(shù)設(shè)置。選擇高質(zhì)量模式，打印精度為0.1 mm，填充密度為20%，增加底座，不需要結(jié)構(gòu)支撐，然后導(dǎo)出打印文件到U盤中，不需要結(jié)構(gòu)支撐。消耗約132gPLA材料，打印時(shí)間6 h，回到機(jī)器內(nèi)存界面，選中要打印的文件，按下按鍵開始打印，主界面開始顯示打印準(zhǔn)備參數(shù)，進(jìn)行該零件的3D打印制作，最終完成三維制作模型如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品打印效果圖

模型打印完成后，打開門，取出水平托盤，用小鏟刀從模型四周慢慢撬開取下模型，用小鏟刀或稍微用力點(diǎn)的將充電筒支撐底座掰下來(lái)，要注意用力均勻慢慢用力，鏟起過(guò)程中不可將模型弄壞，同時(shí)觀察充電筒模型外觀是否滿足打印完整，細(xì)節(jié)是否清晰，光面手感是否光順，注意觀察是否有塌陷的結(jié)構(gòu)，或出現(xiàn)材料抽絲的現(xiàn)象。如果出現(xiàn)少許的抽絲結(jié)塊現(xiàn)象，一般是正常的。同時(shí)將表面進(jìn)行光順處理，用砂紙將模型進(jìn)行輕輕，使外觀達(dá)到客戶需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

手壓充電筒在日常生活必備的應(yīng)用工具，基于3D打印技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)系列新的機(jī)電產(chǎn)品，不僅大大降低了研發(fā)成本，而且能夠有效提高機(jī)電產(chǎn)品的研發(fā)效率，在外觀和使用性能上大大提高，并使得機(jī)電產(chǎn)品在虛擬數(shù)字樣機(jī)快速轉(zhuǎn)化3D實(shí)物樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)的實(shí)物制造，裝配檢驗(yàn)和功能驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)電新產(chǎn)品的快速開發(fā)。

總之，3D打印在各領(lǐng)域使用非常多，并隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，設(shè)備和材料使用性也不斷提高。各類3D打印產(chǎn)品將進(jìn)入市場(chǎng)，同時(shí)將滿足各類需求。

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