創新創業背景下三維打印技術的應用*

□ 武志鵬

武漢技師學院 機電工程系 武漢 430051

1 三維打印技術對產品開發的影響

一個產品從創意到實物,需要經歷概念構思、設計制圖、制造安裝和調試優化等階段,不同階段需要不同的知識結構與硬件設施來支撐。即便是擁有相關知識結構的專業人員，也很少具備整套工藝裝備,而多方協作會增加產品開發的成本，延長產品開發的周期,最終會消磨人們對于產品創新的激情。如今,借助三維打印技術,人們能夠簡單快捷地將大腦中的設計思想轉換為現實中具有特定功能的產品原型或零件,這是一種高效、低成本的實現手段。如將三維打印技術與計算機輔助設計技術、藍牙通信技術和單片機技術相結合,開發出智能家居產品,則可以極大提升人們創新創業的熱情與效率,并改善人們的生活質量[1-2]。

1.1 設計階段

設計軟件功能強大,可以繪圖、建模、裝配,甚至可以根據材料參數進行運動仿真分析結構特性,但是需要設計人員具有專業的背景知識,并不利于“萬眾創新”。而且,在計算機中進行操作，始終沒有現實物體能讓人產生感性認識。

圖1所示為某智能家居系列產品中的無線遙控開關,這一裝置通過藍牙通信，內置5 V鋰電池供電，采用罩扣式安裝,能夠在不破壞原有墻面、不改動原有布線的前提下,將傳統家用開關面板與移動智能終端聯網,進而擴展功能,如無線遙控、定時開關等。藍牙通信模塊、電池均為成熟技術,直接采購使用。應用三維設計軟件完成曲柄滑塊機構、外殼及基座的設計與建模,然后采用三維打印技術完成裝置的原型制作及功能驗證。

▲圖1 無線遙控開關

設計零件時，必須要考慮零件的可制造性。裝置的外殼采用塑料材質,若通過三維打印技術制造,則外殼可以為整體零件。相比之下,傳統機械切削制造方法需要將外殼設計為鑲拼結構,零件數將是三維打印的5～10倍；若采用模具制作，則原型制作成本更高。采用三維打印外殼,可以將曲柄滑塊機構的機架、電池倉等集成在外殼殼體上，而不需要考慮深徑比和最小圓角,從而有效提高裝置的可靠性,減輕裝置的整體質量,這是傳統機械制造背景下開展零件設計無法達到的。

1.2 制造階段

無線遙控開關的外殼及內部結構零件需要定制加工,傳統上,根據零件結構和材質的不同,可以選擇機械切削加工或者模具成形加工。傳統機械切削加工技術屬于減材制造,制訂加工工藝時需要著重考慮零件的材質和結構,還要考慮所用的刀具及其裝夾方式、剛性、排屑等因素。傳統的機械制造根據不同的被加工零件結構特征,往往需要不同的專業人員操作不同的專用設備,產品改型、工藝流程改變對生產活動的影響較大。模具成形工藝需要先制作模具,還需要配套的壓力機或注塑機,當產品改變后，模具也要修改,生產成本高。

三維打印技術屬于增材制造,按成形工藝不同,有激光燒結法、熔融堆積法、光聚合法等。低成本的家用型三維打印機多采用熔融堆積法,原料一般為現狀卷料,材質是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料或聚乳酸(PLA)塑料。三維打印從底面層層堆積而成,對產品的結構特征并無太多要求,一套工藝裝備可以生產出形狀各異的零部件,極大提高設備的通用性。即使某些部位存在倒錐,也可以通過添加支撐,待打印完成后再去除支撐的工藝方法來解決。筆者設計的外殼零件采用PLA塑料熔融堆積法低成本家用型三維打印機制作,支撐工藝如圖2所示。

▲圖2 外殼零件支撐工藝

值得注意的是,雖然相對于傳統機械切削加工,三維打印產品精度不高，打印速度慢,表面質量差,但是對于整體結構復雜程度高的零件,可以簡化打印過程。此外,家用型三維打印機單機價格逐步降低,設備自動化程度高,操作簡單,打印工藝受產品結構影響不大,無論是圓孔、方孔、錐孔,還是圓柱、方臺、棱臺、錐臺、曲面,都可以用一臺打印機完成,而且不需要專人看護,可以白天工作時完成產品的設計優化,晚上睡眠時完成打印制造。

2 三維打印工藝流程

三維打印工藝流程如下：采用Cura切片軟件,根據設定的層高參數將三維數模沿Z軸方向層層切割,得到一系列不同層高上的零件二維截面輪廓圖；根據設定的填充密度、壁厚等參數計算填充截面所需的軌跡長度,進而得出打印時間和耗材用量；基于以上數據生成G代碼，傳輸至三維打印機中運行；打印完成后需要對打印件的外觀進行處理,如除支撐、除毛刺、拋光、噴漆、上色等。三維打印工藝流程如圖3所示。

▲圖3 三維打印工藝流程

2.1 數模輸出

采用熔融堆積法三維打印工藝時,為了保證打印過程的穩定性與產品的平整度,零件與工作臺應緊密粘附,這會導致打印完成后零件難以剝離,而且零件飛邊、毛刺難以處理。一個可行的方法是在零件底邊四周添加半徑為1～2 mm的圓角特征,這樣有助于零件打印完成后進行剝離,也更容易去除飛邊、毛刺。

確定三維打印能夠滿足零件制造工藝要求后,需要進行數模輸出。通常情況下,可以采用CATIA、SolidWorks、NX等計算機輔助設計與制造軟件將數模轉換為三維打印所需要的.STL格式文件,然后應用Cura等軟件進行切片處理。

需要注意的是,應用計算機輔助設計軟件進行.STL格式轉換時，所設置的誤差值會對三維打印工藝產生影響。以筆者設計的外殼零件為例,采用NX軟件設定六組不同的三角誤差和鄰接誤差輸出.STL格式文件,在Cura軟件中設定相同的打印參數,相關數據見表1[3-4]。

由表1可知,不同的誤差值決定了.SIL格式文件大小、打印時間與耗材用量,較小誤差值時，需要較長的打印時間。同時也能看出,誤差值處于0.1～0.001 mm時才會對.STL格式文件大小、打印時間與耗材用量產生影響。

表1 外殼零件三維打印數據

2.2 切片

切片時主要考慮兩個方面的問題,分別是設備的硬件配置及性能參數、零件的外部形狀及內部結構[3]。

常見的三維打印機，機械結構有并聯臂結構和正交軸結構兩種,行程范圍和運動特性各有不同,應根據實際情況在Cura軟件中進行相應預設置。移動物體的質量越大,移動時所產生的運動慣量也越大,為了確保設備的穩定性及打印精度,需要確定設備是近程出絲還是遠程出絲,零件移動還是擠出頭移動。由于遠程出絲的送絲機是固定不動的,噴嘴質量輕,運動慣量相比近程出絲小,因此筆者采用正交軸結構近程出絲三維打印機,如圖4所示。

▲圖4 正交軸結構近程出絲三維打印機

噴嘴的直徑對打印工藝也有較大影響,大直徑噴嘴打印效率高,但不適用于結構復雜的小型零件。需要注意的是,切片的層高應小于噴嘴直徑,一般取噴嘴直徑的50%作為層高。切片層高小時,零件表面質量好,層間接合性好,但是打印時間長。切片層高大時,零件打印時間短,但是打印質量差。還應考慮打印設備是否配備加熱臺,因為經噴嘴噴出的塑料直接冷卻至室溫時會產生較大的內應力,可能導致零件翹曲變形，尤其是在采用ABS塑料材質的原料時。使用加熱板作為工作臺，可以有效避免或減輕上述問題。在工作臺上貼一層美紋紙，也能增大打印零件與工作臺之間的附著力。打印完成后,美紋紙還有助于從工作臺上剝離打印零件[5]。

由于擠出機構的工作效率遠低于直線軸的移動速度,因此設置較快的打印速度會使零件表面質量急劇降低,合理的打印速度是坐標軸移動速度和噴嘴出絲速度的線性組合。

溫度是熔融堆積法三維打印工藝中的一個重要指標,不同材質的線材需要不同的熔融溫度。為了提升打印效率及質量,擠出并堆積的零件需要快速冷卻定形。同時,零件的整體結構又需要保持一定的溫度，以避免快速冷卻造成的翹曲變形等缺陷。溫度參數由三個分量組成:加熱溫度、散熱效率和熱臺溫度。

零件外形決定了數模的切片姿態,以大面或零件工作面作為基面開始切片，能保證打印過程的穩定性和零件工作面的平面度。由于支撐工藝會對零件表面質量造成不利影響,因此對于需要添加支撐的打印場合,支撐應布置在零件內部結構面上。對于孔軸類零件,應盡量使軸線垂直于工作臺面，以避免層層堆積所產生的誤差積累對圓柱度的影響[6]。

對于大型零件,尤其是由體素特征組合而成的零件,直接整體打印會超出設備行程范圍,層層堆疊時懸空處需要添加支撐,而且低成本家用型三維打印機一般不具備斷點繼續功能,平均無故障時間指標低,設備故障或電源故障會導致前功盡棄。一個解決方法是先將數模拆分為多個零件打印,然后通過粘接、過盈、卡扣或螺釘等方法拼裝起來[7]。

2.3 外觀處理

目前,低成本家用型三維打印機使用的打印材料主要有ABS塑料和PLA塑料,這兩種耗材具有價格低、對設備要求低、工程性能好等優點,能夠以較低成本顯著提高設計、制造效率,但是打印零件的結構性缺陷、表面粗糙和塑料感是難以避免的缺點,需要外觀處理形成零件成品。

按不同工藝裝備,打印零件外觀處理工藝可以分為三個階段。第一階段是打印完成后使用美工刀、什錦銼或砂紙等工具對打印零件進行去支撐、去毛刺處理,優點是工具簡單、操作方便,缺點是勞動強度較大、細節角落不好處理、表面質量提升不大。第二階段是采用熱風機軟化打印零件，然后用手工或工具平整外觀,或采用丙酮蒸汽腐蝕塑料件表面，進而達到提高表面質量的目的,優點是勞動強度小、可以處理細節部位,缺點是熱風機的溫度過高會導致零件熔融變形,而且丙酮蒸汽易燃易爆,具有危險性。第三階段是表面噴漆處理,采用金屬漆可以使塑料件具有金屬質感,若條件允許還可以采用塑料電鍍工藝,但是這類工藝對環境污染較大[8-10]。圖5所示為經過第一、第二階段處理后的打印零件。

3 技術展望

需要注意的是，三維打印技術適用于單件小批量生產,尤其適用于改革創新階段的產品制造。由于低成本家用型三維打印機精度低,打印零件難以與標準件配合,因此不能替代模具量產。另一方面,受材質的限制,三維打印可以生產的產品種類也較少,一摔就碎是三維打印產品的一個重大缺點。對此，三維打印技術經濟化的一個重要途徑是研發耗材。目前,家用型三維打印機的耗材除ABS塑料和PLA塑料外,還有木質耗材、柔性橡膠、導電材質耗材等。

▲圖5 第一、第二階段處理后打印零件

隨著耗材種類的增加,三維打印機需要在不同耗材之間進行切換,因而設備附件標準化是三維打印機發展的一個重要趨勢。可以將不同材質、不同顏色的耗材配合不同噴嘴直徑，集成為一個工藝包。設備系統柔性化程度的要求也進一步提高,如耗材任務包能由程序控制自動切換,控制系統應具備斷點繼續功能,這樣可以有效避免因為停電等原因而造成的零件報廢。同時,三維打印技術也不應僅限于從無到有的生產模式,在已有的基體上進行添加性打印也是一種降低創新成本的方式。

當然,成本再低的創新創業活動也會不可避免地產生污染、浪費,耗材加熱過程中會向外界釋放有毒氣體,懸浮在空氣中的塑料粉塵顆粒會對人體造成傷害,導電材質耗材可能會對設備造成損壞,密閉的設備空間同樣不利于打印零件的散熱。對此，三維打印機可以配備空氣過濾、靜電除塵功能。另一方面,產品原型制作應首先選擇可降解材料及熱塑性材料,進而提高創新創業過程中的環境友好性。

4 結束語

三維打印技術可以快速、低成本地將設計方案轉化為現實物品,使設計理念和原型制作有機結合,對產品開發過程中的模型設計、制造工藝具有較大影響。這項技術大大縮短了新產品的研制周期,降低了新產品的研發成本,能夠實現產品訂制,滿足人們對個性化產品的需求。三維打印技術能夠充分發揮人們的想象力和創造力,也可以幫助人們結合實物模型進行優化設計,快速制作出實物產品,加速設計構思的迭代,有助于激發大眾的創新意識與創業熱情[10-15]。

筆者基于三維打印技術設計并制作了無線遙控開關,采用過盈配合安裝至開關面板。裝置整體質量輕,具有一定彈性,拆裝過程中不會劃傷原有面板。這一無線遙控開關作為筆者學院機電系作品參加第一屆湖北省技工院校創業創新大賽，獲得第一名。