3D打印技術(shù)在零件再造上的應(yīng)用

龍有強(qiáng)

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西北海 536000）

0 引言

本文采用的是HORI 3DPrinter進(jìn)行材料的打印。這一款3D打印機(jī)是一款桌面級打印機(jī)，打印的原理為熔融堆積的方式，具體參數(shù)如表1所示。打印的材質(zhì)為一般情況下，非金屬零件主要以注塑成型為主，而對于注塑成型工藝來說，需要用到模具，零件成型要經(jīng)過填充—保壓—冷卻—脫模4個階段。對于常規(guī)的注塑成型工藝方法而言，它的弊端是周期長、表面質(zhì)量不高、加工精度低、材料浪費較多等問題[1]。因此，3D打印技術(shù)的應(yīng)用在周期和成本上都大大得到改善。本文以某設(shè)備箱蓋修復(fù)更換為例，探討3D打印技術(shù)的實際應(yīng)用情況。

噴頭直徑：0.4mm（0.2、0.4mm可選） 噴頭數(shù)：1個平臺溫度：110℃ 成型尺寸：240x190x255mm機(jī)器尺寸：400*358x518mm 打印耗材：PLA.ABS.TPU.PP.PE額定功率：350W PETG.生物亞克力.柔性PLA噴嘴度：常溫-260’C 打印速度：10-150mm/秒平臺材質(zhì)：玻璃 層高精度：0.05 0.4mm

1 方法步驟

桌面級3D打印機(jī)要把三維實體模型打印出來必須做好四步驟。

第一步驟是通過AutoCAD圖形在三維軟件中建立數(shù)字模型。生成數(shù)字模型是桌面級3D打印過程的第一步,就是用UG軟件建立從動軸三維實體模型。

第二步驟也就是使用UG來對軟件的STL文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換和刪除操作。與其他傳統(tǒng)的三維模型打印制作方法不同,三維模型打印的一個關(guān)鍵步驟主要是將一個數(shù)字模型打印文件通過轉(zhuǎn)換放大為STL(立體刻和光刻)模型文件。STL通常使用一個三角形(多邊形)符號來精確描述一個對象的立體性和參數(shù)信息。生成STL圖片文件后,將STL圖片文件直接導(dǎo)入到相機(jī)切片處理軟件中即可進(jìn)行切片處理。

第三步驟是HORI 3DprinterSoftware打印軟件進(jìn)行切片,也是重要的步驟。主要是把STL文件導(dǎo)入到HORI 3DprinterSoftware打印軟件,然后通過打印軟件分析STL文件進(jìn)行切片,在導(dǎo)出GCODE格式文件到桌面級3D打印機(jī)。

第四步驟是3D打印過程。在這個階段,打印材料也被加載到桌面級3D打印機(jī)中。開始自動打印后,無需擔(dān)心監(jiān)視桌面級3D模式打印機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。桌面級3D系列打印機(jī)將繼續(xù)遵循一種自動化錯誤管理工作流程,通常僅在打印機(jī)器人使用完了原材料或系統(tǒng)軟件或者企業(yè)業(yè)務(wù)出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤時才可能會不斷每次出現(xiàn)一個錯誤報警。

2 草圖繪制

本文以3噸的內(nèi)燃式叉車的油箱蓋作為案例進(jìn)行設(shè)計，由于該油箱蓋在使用的過程中不注意導(dǎo)致內(nèi)螺紋磨損，無法很好地對箱體進(jìn)行密封。重新去采購時間周期比較長，因此考慮通過3D打印的方法先對原有油箱蓋進(jìn)行再造，臨時替換使用。從故障現(xiàn)場，對箱蓋進(jìn)行測量，并且在現(xiàn)場繪制對應(yīng)草圖，畢竟在使用現(xiàn)場的條件不會太好，草圖的要求即使能把箱蓋的關(guān)鍵性尺寸標(biāo)注清楚，讓后期打印的替換件可以實現(xiàn)互換即可，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 損壞的箱蓋

圖 2 損壞的箱蓋側(cè)面

圖3 箱蓋草圖

3 三維模型建立

對于三維模型的建立，可供選擇的軟件很多，比如UG、Solidworks，Pro-E等三維軟件都可以，本文采用了UG12.0進(jìn)行模型的繪制。UG三維設(shè)計軟件是SIEMENS公司為用戶產(chǎn)品設(shè)計及加工制定的產(chǎn)品工程解決方案[2]，通過運用電腦軟件對產(chǎn)品的設(shè)計，并且考慮工藝加工的因素，從而對產(chǎn)品建模驗證，隨著現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展，使UG這一類的三維設(shè)計軟件在工業(yè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的運用。

經(jīng)過了前期的箱蓋測量獲取原始數(shù)據(jù)，采用UG三維繪圖軟件對零件進(jìn)行建模，模型如圖4、圖5所示。

圖4 箱蓋的 UG 三維建模

圖5 箱蓋的 UG 三維建模切

4 箱蓋打印

桌面級3D打印機(jī)是在一個工作平臺上進(jìn)行打印的，因為要打印的物體是從無到有制造出來，在打印的時候要考慮到會額外增加一些支撐構(gòu)件進(jìn)行支撐，以達(dá)到防止倒塌的效果，因此會在耗材的使用上、空間的利用上都會比原來設(shè)計的圖形有所增加。涉及到多出來的支撐作用的構(gòu)件，需要在打印完成后，對該支撐構(gòu)件進(jìn)行手動剝離，然后再對剝離的接觸面進(jìn)打磨及拋光處理。此外，桌面級3D打印機(jī)剛開機(jī)是先要把里面平臺清理干凈，如果平臺清潔不到位，會影響打印物體的準(zhǔn)確度，甚至可能會導(dǎo)致打印失敗。調(diào)平打印平臺也是打印前關(guān)鍵一步,然后再打印平臺上涂一層薄的固體膠。必須要保證充夠的ABS線材塑料耗材,然后先進(jìn)行噴嘴預(yù)熱階段,再進(jìn)行噴頭是否吐絲。桌面級3D打印機(jī)一起正常就開始根據(jù)GCODE格式文件進(jìn)行規(guī)定的軌跡運動。

本文使用ABS線材進(jìn)行打印油箱蓋實體模型的打印,材料一般放在桌面級3D打印機(jī)后面固定桿。ABS系列線材塑料是目前最先被應(yīng)用在3D系列打印機(jī)的新型塑料中一種,因為它的ABS系列線材本身就是具有一種價格低廉和優(yōu)良的塑料機(jī)械傳動性能,呈現(xiàn)打印出來很好的機(jī)械韌性和具有抗沖擊力的性能,使得十分歡迎,ABS線材也是在3D打印機(jī)耗材中可選之一。

在3D打印環(huán)節(jié)，需要考慮的重點是打印機(jī)的精度，精度等級是否滿足條件，決定這打印出來的零件是否可以達(dá)到替換使用的功能。另外，注意桌面級3D打印機(jī)在工作狀態(tài)中和剛剛停止工作后記得不要觸摸噴嘴,因為在打印時噴頭需要加熱融化ABS線材,這就是噴嘴的溫度變得極高,一旦觸摸就可能造成燙傷。在繪制了三維模型后，以STL文件格式導(dǎo)出，設(shè)置如圖6所示，在輸出類型選擇二進(jìn)制，三角公差和相鄰公差都是選擇默認(rèn)的模式，然后點擊確定，然后進(jìn)行導(dǎo)出文件的類選擇，彈出對話框后單擊選擇所繪制的三維圖形（圖7所示），其他選項按照默認(rèn)選項即可。

圖6 STL 導(dǎo)出設(shè)置

圖7 STL 導(dǎo)出對象選擇

在STL文件導(dǎo)出后，再將該文件導(dǎo)入3D打印機(jī)切片軟件，因為該3D打印機(jī)有自帶切片軟件，只需要開啟該軟件，從“切片及打印”選項中選取加載模型，然后點擊“分層切片”通過切片軟件的導(dǎo)入和運行模擬分層切片，軟件便自動對該模型進(jìn)行分層切片，如圖8所示。3D打印機(jī)的噴頭直徑選擇0.4mm，層高精度也為0.4mm，由于打印的是ABS線材，這種材料的推薦溫度為210℃至230℃，打印之前還需要對3D打印機(jī)的平臺進(jìn)行水平校準(zhǔn)，平臺預(yù)熱，ABS材料的熱床溫度在90℃到110℃之間，因為如果溫度太低，可能會導(dǎo)致耗材的黏性不夠，粘結(jié)不緊實，甚至出現(xiàn)翹邊等現(xiàn)象。然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，最終把箱蓋打印出來，如圖9所示。

圖8 箱蓋切片過程圖

圖9 箱蓋打印實物

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸走入人們的工作生產(chǎn)及生活當(dāng)中，尤其是在工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的應(yīng)用更是越發(fā)廣泛。在3D打印的整個過程中，零件的草繪以及建模是3D打印進(jìn)行零件再造關(guān)鍵核心部分，起著主導(dǎo)作用，只有進(jìn)行了3D建模，才可以運用3D打印機(jī)將建模的數(shù)據(jù)打印成實物。另外，草繪測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否，以及建模水平的高低直接影響到零件成型的質(zhì)量。如果這兩個環(huán)節(jié)做得不到位，那么打印出來的替換件肯定也無法達(dá)到零件再造的目的，也就無法使用了。