工艺亭子三维造型与3D打印

刘艳申（陕西工业职业技术学院,陕西咸阳,712000）



工艺亭子三维造型与3D打印

刘艳申
（陕西工业职业技术学院,陕西咸阳,712000）

摘要：3D打印是最近几年开始流行的一种快速成形技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。被认为推动了第三次工业革命进程的3D打印技术，涉及信息技术、材料科学、精密机械等多个方面。投入民用工业是近年来的事，多用于大型制造业。本文以工艺亭子为载体，介绍3D打印技术，并通过UP打印机完成工艺亭子的3D打印。通过3D打印过程分析得出目前3D打印技术的优势和不足。

关键词：3D打印;CAXA制造工程师;UP打印机

0　前言

工艺亭子为一个设计形状简单、但构思巧妙，工艺简单、但加工过程复杂，其加工需利用五轴联动数控机床才能完成，同时也离不开CAD/CAM软件完成零件的造型和编程。3D打印是最近几年开始流行的一种快速成形技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体，可以大大简化其加工过程。本文以工艺亭子为载体重点介绍3D打印技术的应用。

1　3D打印技术

1.1 3D打印技术

3D打印的技术主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工艺，下面我们简单介绍三种主流技术：

（1）立体光刻造型技术(SLA)：先由软件把3D的数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。

（2）熔融沉积成型技术，同样是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一样。熔融沉积成型技术，就是把材料用高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后立即固化，通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。

（3）选择性激光烧结(简称SLS)不同材料的粉末为原料SLS工艺又称为选择性激光烧结。SLS工艺是利用粉末状材料成形的，将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

1.2 3D打印的过程

三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。分步骤描述如下：

1.2.1三维建模

通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的 DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成二维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

1.2.2分层切割

由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。

1.2.3打印喷涂

由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。

1.2.4后期处理

模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。

1.3 3D打印材料

在3D打印领域，材料是技术的核心之一，可以使用多种材料，如陶瓷、钢化玻璃、石膏、无机粉料、ABS塑料、PLA、玻璃填充聚胺、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出来的材料以ABS（热塑料）和树脂为主，材质在机器内 “熔化”，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120种软硬不同的新材料。

2　基于CAXA制造工程师的工艺亭子的三维设计

CAXA制造工程师是北航海尔软件有限公司研制开发的全中文、面向数控铣床和加工中心的三维CAD/CAM软件。CAXA制造工程师基于微机平台，采用原创Windows菜单和交互方式，全中文界面，便于轻松学习和操作。

2.1 底座建模

2.2 中间部分建模

图1　底部造型

图2　中间部分造型

通过一些拉伸增料和拉伸除料得出底座和中间部分的特征形状，由于这些特征都是均布在零件上的，因此只需要做出一个其余通过阵列方式完成造型。结果如图3所示。

2.3 顶部建模

图3　底部侧面完成图

图4　最终实体模型

3　亭子的打印过程

3D打印设备为UP打印机，该设备采用熔融沉积成型技术，操作简单。

3.1 UP打印机参数设置

（1）3D打印机软件操作

将画好的三维图，保存为STL格式后，导入UP打印机配套的软件中，通过用图5所示的图标调整将模型放置在虚拟3D打印机合适的位置，结果如图6所示。

图5　设置模型在3D打印机上的位置

图6　模型在3D打印机上的位置设置完毕

（2）设置3D打印机

打开3D打印机先初始化，使打印机的喷头和打印平台回到打印机的初始位置，类似于数控机床的开机回零操作；校准喷头位置、设置参数（主要包含层片厚度和填充密度）、完成后打印。

图7　设备初始化

图8　校准

图9　层厚度及密度设置

图10　打印

3.2 亭子3D打印效果图

打印结束支撑材料的去除有时是一个很繁琐的过程，且有些支撑材料在工件内部小空间的地方更难以去除，需要操作者小心谨慎的清理，以免破坏打印好的模型。

图10　工艺亭子最终打印结果

3.3 对工艺亭子3D打印结果分析

整个过程工艺处理简单，操作者轻松完成整个过程，完美的体现出了3D打印技术的优点：①节省材料，不用去除边角料，提高了材料利用率；②能做到很高的复杂程度，可以完成数控机床完成不了的工作；③不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；④它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期。虽然说优点很突出，但3D打印过程中缺点问题也同样突出：①精度问题，其精度还达不到机床加工的精度；②材料的局限性，一种3D打印机一般只能用特定材质的材料进行打印，不像机床一样可以适应各种材质的零件进行加工。

4　结语

以工艺亭子为载体，利用CAXA制造工程师完成零件的造型，存储为UP打印机识别的STL格式的文件，最终通过UP打印机就可完成工艺亭子的成型过程。但打印结果反映出模型精度和表面质量较差，但3D打印技术已经来到我们的身边，在很多领域都已经取得了丰硕的成果。因此充分利用3D打印的优势，改进其缺点，使其能真正一次性做出一个质量好、精度高的产品，对于3D打印技术人员来说是重中之重。

参考文献

[1]柳建，雷争军，顾海清，李林岐。3D打印行业国内发展现状。制造技术与机床，2015（03）。

[2]孙亮，石鑫。3D打印技术的应用与发展。浙江水利水电学院学报，2015（06）。

[3]张希平，苏健强，高健。3D打印技术及我国的发展现状。信息技术与标准化，2015（06）。

[4]王聪聪，詹仪。3D打印技术的应用与发展前景。出版与印刷，2014（12）。

刘艳申，男，1981年6月出生于河南省漯河市，讲师，现在陕西工业职业技术学院主要从事数控技术以及数控技术专业的教学研究。

The Art Pavilion 's 3D modeling and 3D printing

Liu Yanshen
（Shaanxi PolytechnicInstitute，Xianyang，712000，China）

Abstract：3D printing is a rapid prototyping technology in recent years.It is based on the digital model file.3D printing technology is considered to promote the third industrial revolution process,involving information technology, materials science,precision machinery and other aspects.Put into the civil industry is a matter of recent years,more for large-scale manufacturing industry.This paper introduces the pavilion as the carrier,3D printing technology,and complete the pavilion 3D by a UP printer.The advantages and disadvantages of the 3D printing technology are obtained by the 3D printing process analysis.

Keywords：3D printing;CAXA manufacturing engineer;UP printer

作者简介

中图分类号：TH164

文献标志码：A