常規幾何造型與3D打印實物制作

胡曉旭+陳威+曹向陽

摘 要：3D打印（3D printing），是快速成形技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造實際物體的技術。此次打印先進行模型結構設計，然后再通過UG進行三維模型構造，之后利用Click和ReplicatorG進行數據處理，最后使用普及型3D打印機3D-YUNDL-24打印模型。此次3D打印的結構設計分為簡單的結構設計、復雜曲面的設計、典型的零件設計和減速器裝配。其目的是向人們證明3D打印技術巨大的潛力，在制造領域將人們的注意力轉移到3D打印上，從而促進3D打印技術的發展。

關鍵詞：3D打印 結構設計 模型打印

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0096-02

3D打?。?-Dimensional Printing）學名是增材制造（Material additive manufacturing），是指將打印材料一次性熔聚成型的快速制造技術，是一種與傳統去除加工方法相反、基于“三維數字模型”使用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，運用逐層制造方式將材料結合起來的加工技術，是由大批量、模范化制造模式向個性化制造模式發展的引領技術[1]。3D打印過程分為結構設計、切片處理和完成打印。3D打印的設計過程是：先通過計算機建模，再利用數據處理軟件將建成的三維模型劃分成逐層的截面，就是切片，進而指導打印機來進行逐層打印[3]。

該文基于3D打印技術，進行了不同類型的幾何造型設計，并通過3D打印機實現了實物制作。

1 所用軟件及3D打印設備

利用UG軟件進行三維建模，建模時在“草圖”上繪制草圖，之后運用“拉伸”或“旋轉”來構造模型。模型建好后運用“文件”里面的“導出”，選擇“STL”格式，之后就可以進行數據處理。所使用的3D打印機用來處理打印數據的軟件是Click和ReplicatorG，而為了運行ReplicatorG，還需安裝Java和Python。

此次打印使用的是普及型3D打印機3D-YUNDL-24，屬于擠壓成型。此次打印使用的材料是聚乳酸也稱為聚丙交酯（Polylactide），屬于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等為原料，是理想的綠色高分子材料。

2 典型的結構設計

就普及型3D打印機3D-YUNDL-24而言，對模型有2個要求。

一是模型尺寸不能太大。受到打印機尺寸和打印速度的限制，模型尺寸不能太大。打印的模型尺寸若是太大，則打印時間就會太久。模型構造時應考慮尺寸大小，同時在數據處理時，在軟件ReplicatorG里可以查看打印時間。

二是打印的模型形狀不能是中空的。在構造模型時可以出現懸空的部分，但不能出現中空的結構。在3D打印機打印時對于模型懸空的部分可以通過打印支撐來解決，打印時，打印機通過打印支撐可以將懸空的結構打印在支撐上，雖然存在可以將支撐打印在已打印好的模型結構上，但是就普及型3D打印機3D-YUNDL-24的支撐不可以打印在已打印好的結構上，故不能出現中空結構。

繪制模型的初始階段構造了簡單的大部分由直線和平面組成的結構設計，包括匕首、短劍以及鞘。在用UG繪制過程中，主要用到了“拉伸”和“掃略”功能。對于匕首的設計采用的是現代匕首樣式（見圖1），單刃曲線結構，設有退血槽、剪切孔和倒刺；護手采用一大一小兩個刀環的結構，全長114 mm，其中刀柄長42 mm，刀刃長72 mm；刀刃和刀柄部分高度都是14 mm；刀刃部分最寬的部分寬度是3.5 mm。

復雜曲面設計選擇的是機器貓的設計（見圖2），其特點是多曲線，難點是細節上的修飾。對于機器貓的形狀和比例選擇，先是在網上查找機器貓的手辦；經過大量觀察機器貓手辦，最終確定其形狀尺寸和建模方法。其結構為：頭部設計為直徑30 mm的球；身體為多曲線的形狀，其高度是10 mm，長21.8 mm，寬15 mm；之后是腳，同樣為多曲線，高度是2.5 mm，長24 mm，寬22.5 mm；其余便是一些細節上的處理，胸前的口袋選半徑是5 mm的下半圓，尾巴為直徑8 mm的球，鼻子是直徑4 mm的球，手取直徑7 mm的球；胡須、嘴和眼睛選擇畫出輪廓之后拉伸求差，使其向下凹下去來表示；瞳孔選擇畫出輪廓后拉伸求和，使其向外突出0.5 mm；而手臂也是通過旋轉來完成的，先在草圖上繪制出一平行四邊形，以其中一長邊為中心線旋轉，就可得到手臂結構。

零件的設計中設計了經典的齒輪、軸、軸套和鍵，并且創造性的將軸和鍵設計成一個整體加工（見圖3）。其中，軸套要求內圓直徑是11 mm，外圓直徑是15 mm，數量是4個；而軸的直徑和長度則是要根據與其配合的齒輪來計算，但設計的理想軸徑是10 mm，數量為3根，長度分別為55 mm、45 mm、55 mm。

對于外壁的裝配機構，選擇將左、右兩側壁設計為有向內凹陷的2 mm槽，其余四壁設計為方向外凸出的1 mm厚薄板與兩側壁配合。各壁厚為5 mm，前、后壁與軸Ⅱ配合的位置向壁內內凹2.5 mm來進行軸向和徑向定位；與軸Ⅰ和軸Ⅲ接觸的位置則設計為有槽孔的通孔。同時由于減速器的減速效果不明顯，故另設計一示意輪兩個和撥動示意輪旋轉的軸Ⅳ。同時將減速器上壁設計安放示意輪和軸Ⅳ的內凹結構。

3 實物制作

在打印之前需將用UG建好的模型輸出為STL格式，之后再用Click和ReplicatorG軟件進行數據處理，轉換成3D打印機能識別打印的xj3dp格式文件。實際打印前需要將模型轉換成3D打印機能夠識別的xj3dp格式文件，之后利用3D打印機打印模型。通常情況下，首先打印支撐，之后是外層結構，設置為兩層外壁；外壁打印完后則會在壁內打印支撐，最后仍是外壁。模型的填充率是10%，也就是說打印的模型只有10%的填充物。

打印過程中需要時刻在3D打印機前觀察打印機工作狀況，檢驗3D打印機是否正常打印、有無堵絲等情況發生。打印時會出現基板不粘絲和打印頭堵絲的問題?；宀徽辰z原因是工作臺基板不平或者是打印材料質量不合格。若打印材料質量不合格則只需換另外的材料就可；倘若是基板不平則需要調平。打印頭堵絲原因一是換絲時操作不當；原因二是材料質量不好。打印效果如圖4和圖5所示。

4 結語

該文介紹了3D打印技術的歷史、原理、發展現狀、應用領域，對打印機和打印材料類型進行說明，進行簡單結構設計、復雜曲面設計和典型零件設計，并使用使用普及型3D打印機3D-YUNDL-24和PLA打印材料，進行實體3D打印，將模型實際打印出來。其目的是通過對3D打印技術的介紹，并結合實際打印過程，向人們證明3D打印技術巨大的潛力，在制造領域將人們的注意力轉移到3D打印上，從而促進3D打印技術的發展。

參考文獻

[1] 王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012（26）：3-5.

[2] 劉星.工業設計在三維打印時代面臨的發展變化[J].包裝工程，2011，32（12）：104-107.