空間薄壁結構成型3D打印工藝實驗研究
——以紅船模型打印為例

陳天義，王 聰，張雨婷，杜訓柏

(江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170)

0 引言

在3D打印空間薄壁結構模型過程中，因豎向結構以及大跨度板結構來不及固化，易彎曲變形和坍塌，導致成型控制是其3D打印的一個難點[1]。為慶祝建黨一百周年，江蘇省舉辦“中國共產黨在江蘇”主題展活動，受江蘇省委宣傳部委托，江蘇海事職業技術學院承擔2∶1縮小比例紅船模型制作任務。紅船模型上層建造跨度大、豎向支撐少，在模型縮小后，其尺度存在不協調、不美觀的問題，為此，采用3D打印紅船模型，確定各主要尺度。

1 實驗方法

基于江蘇省委宣傳部提供的紅船模型原始圖紙，并采用3D掃描儀掃描紅船模型，獲得紅船基礎數據，采用Solidworks軟件完成紅船模型的建模(見圖1)，并研究縮小尺度比例，使縮小后的紅船模型長、寬、高以及內部尺度比例協調。為驗證模型尺度，采用3D打印法打印紅船模型。

圖1 3D掃描并建模

本項目研究路徑為：一是要找到便捷的方式來獲取紅船的各項精確數據，對于舷側板、扶強材等復雜結構需要后期進行數據比對以及優化；二是在數據采集完畢后，需要用與之相匹配的建模軟件來對紅船進行三維立體建模，使數據貼合模型；三是在打印過程中采用不同的材料以期獲得最圓潤的PLA模型；四是為了整個項目的效率以及提高打印模型的容錯率，需要建立預測性模型并通過調整數據和設計模板達到預期效果，核心問題即是把數據準確轉化為模型[2]。

實驗在極光爾沃品牌G3型號的實驗機上進行，設備具有5.8英寸彩色觸摸屏，UV平行光源，打印精度高，表面光滑度高，能打印各種復雜模型。設備打印速度快，有助于快速完成模型打印。實驗設置參照組對比模型(見圖2)和9個對比工況(見表1)。

表1 實驗工況

圖2 切片模型

采用3D掃描儀掃描紅船模型，使用Copy CAD來進行數據處理，在數據采集測量后，編輯數字化數據。數據處理采用u、w向差值計算。在三維重構中，首先將甲板、舷側肋骨、船底縱桁、內底縱骨、船底板等數據輸入Copy CAD中，然后再對照修正有誤數據，最后輸出紅船的三維模型，通過在Copy CAD設定較小公差控制自動產生多塊曲面精度，同時確保紅船各連接曲面之間正切的連續性。通過Copy CAD對紅船曲面進行錯誤檢查，比較曲面與數字化點數據，報告最大限、中間值和標準值的背離以及錯誤圖形形象地顯示變化。例如紅船舷側板曲面與數字化點數據不符，經過比較就可以得到曲面的錯誤所在。在三維重構準備完成后，就可以輸出STL文件，成為3D打印機可讀取的文件[3]。接著通過計算機軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。繪制紅船各基準面的視圖，如圖3所示。

圖3 紅船模型及各向視

由于3D打印機的打印空間有限，需要把紅船模型縮小10倍，才能達到打印要求。微小模型的高精度打印工作就是本項目中的重點、難點。考慮所用的切片軟件的適配度，也就是上述所說的建立預測性模型并通過Cura切片來預覽打印模型及時糾正打印數據的錯誤，通過預測性模型不斷模擬并更正打印模型。在切片工程中，對紅船的層高、邊緣寬度、填充度進行合理適配。同時也對打印材料進行適配度調查，選擇PLA材料可以很好地支撐紅船的打印模型。經過大量實驗，打印出多個模型以期得到外形美觀的紅船模型。

在實驗中，通過對走線寬度、支撐模型、支撐結構等進行過反復實驗，得到光滑、精確的外表面。而對于紅船的結構脆弱問題，通過對比實驗，現填充度過低會導致船體本身脆弱，從而導致船體軟塌。填充度在60%～70%，紅船模型可以很好地支撐船體，但是整體仍然缺乏精密性。填充度在80%～100%之間既很好地使船身精密性很強，又能夠托住船體。后期再經過砂紙打磨，使船體更加光滑，美觀度有所上升。在得到PLA紅船模型的基礎上，又實驗打印了樹脂模型，在樹脂中打印有很好的隔絕效果，在樹脂中打印需要快速冷卻和干燥，可用吹風機冷卻、冷風、熱風等方法來冷卻[4]。探索樹脂3D打印更加柔和且易于后期再操作。通過3D打印得到了多個整體美觀，結構強度好的紅船模型。使用樹脂打印的模型(見圖4)要比使用PLA打印的模型(見圖5)要好得多，其細節更加的細膩。

圖4 采用樹脂打印的模型

圖5 采用傳統PLA方法打印的模型

2 實驗結果與分析

(1)在各對照組實驗中發現當底層速度達到65 mm/min，回程速度140 mm/min時效果最佳，參照組的60 mm/min和70 mm/min都出現成型難的問題。

(2)結構尺度過大直接導致船模上層跨度大，豎向支撐少，尺度不協調的問題突出。而結構尺寸過小又導致整體模型無法細致結構。最終以1 660×330×420 mm的結構尺度打印出精細的模型。

(3)同時在打印過程中切片大小、打印速度、堆砌厚度都影響著最終的成型效果。其中不同的凝固方法也是重要的一環。

根據紅船實物實測數據和3D打印論證的數據，學校邀請國家級木船制作大師參與和指導木質紅船模型的制作，在江蘇省慶祝建黨百年“中國共產黨在江蘇”歷史展中展出。

圖6 制作的紅船模型

3 結語

空間薄壁結構在3D打印中，因存在熱效應，成型難控制的問題，本文結合紅船模型的制作任務，通過打印紅船模型，來論證紅船縮比尺度。通過實驗發現填充度過低會導致船體本身脆弱，從而導致船體軟塌。填充度在60%～70%，紅船模型可以很好地支撐船體，但是整體仍然缺乏精密性。填充度在80%～100%之間既很好地使船身精密性很強。在得到打印模型后，再通過精細化打磨得到了外觀完整，強度較大的紅船模型，為實物制作提供了數據支持。