基于3D打印技術(shù)的橡膠材料CAD建模的應(yīng)用

邢珂

摘要：3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。本文基于3D打印技術(shù)原理，詳細(xì)介紹3D打印技術(shù)在橡膠材料CAD建模中的應(yīng)用方法，為3D技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有價(jià)值的技術(shù)資料。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；橡膠材料；CAD建模

隨著市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，制造業(yè)的生產(chǎn)時(shí)間不斷縮短，成本也隨之不斷降低，傳統(tǒng)制造模式亟待轉(zhuǎn)型發(fā)展，以適應(yīng)瞬息萬變的市場(chǎng)形勢(shì)。3D打印技術(shù)在工件建模生產(chǎn)中的應(yīng)用，恰恰是傳統(tǒng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的有效路徑。最近幾年，3D打印技術(shù)以高精度、低成本等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自問世以來在全球科技領(lǐng)域備受矚目。它不同于“去除法”等傳統(tǒng)切削工藝，而是按照三維立體模型用特定的材料逐層堆疊成所需的實(shí)物，因此被成為“3D打印技術(shù)”。形象的講，我們可將3D打印的實(shí)物視作若干個(gè)2D打印平面堆疊而成的物體。具體操作工法是：先在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中構(gòu)建三維模型， 再借助3D打印機(jī)將模型打印出來，將其轉(zhuǎn)換成實(shí)物。目前3D打印技術(shù)已在工業(yè)制造領(lǐng)域逐漸普及應(yīng)用，只需簡(jiǎn)單的三維設(shè)計(jì)和操作工藝即可快速制造出理想的工件。本文結(jié)合3D打印技術(shù)基本原理，以橡膠工件實(shí)物制造為例，具體介紹CAD建模和3D打印技術(shù)在橡膠工件生產(chǎn)制造中的應(yīng)用方法，在方法和技術(shù)方面為3D技術(shù)在生產(chǎn)制造行業(yè)的普及應(yīng)用提供參考資料。

1 3D打印技術(shù)原理綜述

3D打印系一種基于數(shù)字模型的快速成型技術(shù)。它通過塑料、粉末狀金屬等具有粘合性質(zhì)的材料對(duì)照三維模型逐層將其打印成實(shí)物。所以我們可以說3D打印是基于數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，在生產(chǎn)制造領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。它能夠按照消費(fèi)者的意愿制造實(shí)物，給用戶帶來革命性的體驗(yàn)。嚴(yán)格來講，3D打印技術(shù)的問世及應(yīng)用，其根本目的是充分發(fā)揮自身“快、精、準(zhǔn)”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在材料和制造柔性等方面彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造工藝的不足，使傳統(tǒng)制造業(yè)盡快實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，而并并非與之一較高下或?qū)⑵淙〈?/p>

2 3D建模技術(shù)在橡膠材料生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

以橡膠口哨的制造為例，對(duì)CAD建模和3D打印技術(shù)的制造工藝進(jìn)行如下分析：口哨的3D打印必須借助專業(yè)的CAD制圖軟件構(gòu)建口哨的三維模型，再通過3D打印機(jī)將三維模型轉(zhuǎn)換成實(shí)物。另外，也可以通過靈活使用打印材料，可以創(chuàng)造具備傳導(dǎo)型、韌性、內(nèi)嵌數(shù)據(jù)和半透明特性的3D打印物體。目前制造行業(yè)通用的三維設(shè)計(jì)軟件主要有中望3D 、Solidworks，NX等。中望3D設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)自國(guó)內(nèi)，它支持自由曲面建模功能，能夠根據(jù)企業(yè)需求進(jìn)行曲面建模，而且相對(duì)于由國(guó)外引進(jìn)的Solidworks，NX等軟件來說，國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)軟件更容易上手操作，而且功能更靈活輕便，在2013版本中，可將三維模型直接輸出到3D打印機(jī)中打印實(shí)物，除了滿足快速打印的要求，用戶與打印機(jī)之間的交互更直觀。本文就選擇中望3D進(jìn)行橡膠材料三維建模和3D打印方面的研究。 首先根據(jù)《三維CAD設(shè)計(jì)在塑膠產(chǎn)品行業(yè)的應(yīng)用》設(shè)計(jì)出橡膠材料的口哨的三維模型。

鑒于3D打印機(jī)只能識(shí)別STL文件，在三維設(shè)計(jì)中，需要在中望3D軟件將口哨三維模型轉(zhuǎn)換成STL文件，再在3D打印機(jī)（Print3D）中輸入該文件，使三維設(shè)計(jì)軟件與3D打印機(jī)的作業(yè)流程無縫銜接，最后在3D打印軟件的操作界面上自動(dòng)編程。

在3D打印操作界面中點(diǎn)擊“文件”輸出STL文檔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將STL文檔輸入到3D打印機(jī)中進(jìn)行打印前的技術(shù)處理，一切妥當(dāng)后即可開始打印。相對(duì)來說，其它廠商的3D打印軟件，在輸入STL文檔時(shí)需要手動(dòng)操作，而中望3D軟件是自動(dòng)完成。

Stratasys公司的dimension elite是操作3D打印流程的系統(tǒng)，由CatalystEX軟件控制。將StL模型倒入到CatalystEX軟件。如果采用默認(rèn)的產(chǎn)品定向打印，底部需要生成較多的支撐材料。出于減少支撐材料，我們調(diào)整下產(chǎn)品定向。將產(chǎn)品繞著Y軸旋轉(zhuǎn)180度，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)后即可生成模型包。從模型包信息可以很方便的看出，打印“哨子”需要模型材料0.7cm3，支撐材料0.92cm3，最終形成橡膠材料的口哨產(chǎn)品。

口哨的制作工藝看似簡(jiǎn)單，若按傳統(tǒng)制造工藝，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)，到注塑參數(shù)調(diào)試，再到最后形成的實(shí)物，是一個(gè)相當(dāng)費(fèi)工費(fèi)時(shí)的過程。采用CAD模型設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)后，傳統(tǒng)生產(chǎn)過程只需一兩天即可得到實(shí)物。CAD建模系統(tǒng)與3D打印機(jī)具可靈活組合，易上手操作，可針對(duì)各類曲面進(jìn)行三維建模，在節(jié)省工件制造時(shí)間和降低制造成本的同時(shí)，能夠保證工件的精度。這是目前許多注塑制造企業(yè)紛紛更新機(jī)床設(shè)備，積極應(yīng)用3D打印工藝的主要原因。

3 3D打印常見問題及解決方式

3.1 3D模型打印出現(xiàn)層錯(cuò)位

3D模型打印出現(xiàn)層錯(cuò)位的原因是：切片模型錯(cuò)誤；.噴頭移動(dòng)太快；.打印中途噴嘴被強(qiáng)行阻止路徑；電壓不穩(wěn)；機(jī)械問題；.主板問題。工控過程中只需要針對(duì)問題的表象快速鎖定問題的類型，進(jìn)而采取調(diào)校措施即可。

3.2 大象腳

當(dāng)模型的最底層向外微微凸出，這種現(xiàn)象則稱為“象腳”。解決措施：平衡打印平臺(tái)溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；打印平臺(tái)調(diào)平；檢查噴嘴高度；倒角的模型設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

從三維設(shè)計(jì)到3D打印機(jī)參數(shù)配置，再到最后形成實(shí)物，在未來發(fā)展階段要將3D打印技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)制造領(lǐng)域，還需要相關(guān)企業(yè)在技術(shù)應(yīng)用方面傾力合作，除了打印層錯(cuò)位、大象腳等常見技術(shù)問題，還需要需要解決更多技術(shù)問題，但是3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景已得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，這為其在各行各業(yè)中的推廣應(yīng)用奠定了良好的根基。

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