基于Rhino的計算機輔助設計軟件的3D打印應用

李慶君

摘 要： 傳統(tǒng)的3D打印存在兼容性差的問題，在打印精細工件、彈性工件時存在一定的磨損缺陷。為了優(yōu)化3D打印性能提出并設計基于Rhino的計算機輔助設計軟件。根據計算機輔助設計軟件的用途，設計Rhino插件基本參數，通過Rhino插件多點添加數據，將Rhino技術插件導入計算機輔助設計軟件，優(yōu)化其渲染功能，完成計算機輔助軟件的設計。實驗數據表明，設計的基于Rhino的計算機輔助設計軟件能夠對高精度工件、彈性工件進行高精度3D打印，可優(yōu)化3D打印效果，具有一定的實用性。

關鍵詞： Rhino技術； 計算機輔助設計軟件； 軟件設計； 3D打?。?插件； 參數設置

中圖分類號： TN402?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0109?04

Abstract： The traditional 3D printing has the problem of poor compatibility， and some wear defects exist when fine workpiece and elastic workpiece are printed. To optimize the performance of 3D printing， a computer aided design software based on Rhino is proposed and designed. According to the application of computer aided design software， the basic parameters of Rhino plug?in are designed. By using the Rhino plug?in for data multi?point addition， the Rhino technology plug?in is imported to the computer aided design software to optimize its rendering function and complete the design of computer aided software. The experimental data shows that the designed Rhino based computer?aided design software can perform high?precision 3D printing for high?precision workpiece and elastic workpiece， optimize the 3D printing effect， and has a certain practicality.

Keywords： Rhino technology； computer aided design software； software design； 3D printing； plug?in； parameter setting

0 引 言

在工業(yè)產品的造型設計上，使用3D打印代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造工藝，能夠對工件進行精細的刻畫，并且對工件的尺寸以及形狀進行精準的把控[1]。但是3D打印，在面對制作工藝要求精細的工件上及帶有彈性的工件時，由于技術特點的限制，加上傳統(tǒng)打印方法識別模式有限，很難進行高精度的彈性工件的打印[2]。提出并設計基于Rhino的計算機輔助設計軟件，提升3D打印性能。實驗結果表明，設計的基于Rhino的計算機輔助設計軟件，能夠對高精度工件、彈性工件進行高精度3D打印，可優(yōu)化3D打印效果，具有一定的實用性。

1 Rhino技術插件導入

本文導入的Rhino技術插件需要先安裝Microsoft Visual StudioRhino4DotNetWizards.zip的數據包[3]，保證SDK數據能夠導入2005版本以上的3D打印技術上，導入Rhino技術插件將會改變3D打印的識別方式。Rhino技術插件中的Dot NET .d .I 動態(tài)鏈接庫文件涵蓋了Rhino技術插件中的打印識別數據[4]。當文件在安裝完成后，Rhino技術插件會自動識別本地計算機中數據連接方式，Rhino插件會圍繞3D打印技術進行相關識別。

Rhino技術插件對計算機環(huán)境配置具有一定的要求。每當新建項目時，會自動彈出一個Rhino Plug?In數據向導面板，使用數據向導面板能夠對打印程序框架進行修訂[5]。大部分數據由程序框架識別輸出，為此對于Rhino技術插件可以通過參數的把控實現功能的設置。在Rhino Plug?In數據向導面板上對執(zhí)行打印數據設置完成后，打印方案會自動生成多個源代碼文件進行打印路徑設計。安裝的My Plug In 1 PlugInAttributes.cs文件中已經定義了打印過程的My Plug In 1 PlugInAttributes數據類別，數據類別確立了Rhino插件中工件打印程序起始節(jié)點、終止節(jié)點等打印數據信息[6]。安裝的My Plug In lPlug In.cs文件包含My Plug In 1 PlugIn打印形式數據以及PlugInMenu打印模型類別。Rhino技術插件能夠實現PlugInMenu類別菜單的設置，能夠根據打印需求進行個性化設置[7]。Rhino技術插件以Run Command控件為主體，對打印起始、終止、過程、方式、數據連接等都可以實現個性化的設置。

2 基本參數設置

上述導入的Rhino技術插件，通過Rhino軟件的配置功能能夠確定輔助軟件的具體實施方式，但是需要對Rhino插件基本參數進行導入才能夠實現對上述方式的控制。Rhino插件基本參數分為幾個方面，其中包括：3D打印數據、數據傳輸協議、鏈路的多維方式等[8]。數據的使用需要對基本參數進行設置。其中設置數據放置在控制單元內[9]。傳輸協議的限令是實現設計與成品的重要連接。為了能夠進行多層次的傳輸形式，本文將傳輸協議進行擴充，實現數據化的多項式傳輸。多維方式的計算數據設置通過編程得以實現，編輯過程如下：

使用Rhino插件基本參數進行硬件配備，硬件設備中多功能的實現都需要Rhino插件基本參數與硬件數據的有效連接。Rhino插件基本參數直接參與3D打印過程，但是對基礎數據、過程數據、多種方式都有所影響。

3 Rhino插件多點添加數據設置

本文對Rhino插件多點添加數據進行設計，通過多點添加數據能夠對打印功能進行快速多范圍、多檔位、多位置的打印，在工件三維模型的效果中經常會出現孔洞、凹槽、突起等效果的制作。

多點添加數據的設計，能夠確認每層中加工位置，通過點位數據實現加工數據的重新排布，在使用多點添加數據功能時，直接選擇空位數據與實施數據進行交換，利用輸入數據的執(zhí)行方式，對打印過程硬件設備進行控制，如圖1、圖2所示。圖1 是對單層的數據進行確認過程，圖2是完成三維多點添加數據結果。

通過對多點添加數據的設計能夠實現3D打印的多功能。

4 改進計算機輔助軟件的實現

本文以一件帶有凹槽曲面物體為例，Rhino技術下的 3D打印技術，通過造型工具構造工件的基本體面；利用Surfice Analy工具中折線繪畫屬性Gaussian進行調配， Zebra Stripe控件能夠實現工件表面的紋飾設計，Curvature Circle能夠計算出多層次的連接點以及頓點數據。根據需要進行曲面控制點個數的調整，將曲面中的第一接觸點設置為參照物[10]，如圖3所示設置長方體中間位置為第一參照物，接下來以參照物為中心進行分層打印，圖3所示的輪廓線是最后確立的點，也是打印終止點。最終的結構如圖4b）所示，需對凹槽進行提前數據分配，分配過程也是打印數據生成過程。凹槽曲線可利用數據搭配也可利用手動繪制完成，由多條的數據線形成一個完整的打印面，層面的疊加過程中，基準面平面是最先打印的實體，基準面的打印方式是兩側雙向打印，不需要過程修飾。最后利用鏡像功能對雙向體進行復制。

本文采用Rhino進行三維建模就是工件執(zhí)行打印流程，進行工件的打印加工時，可以先設計模型的三視圖。通過三視圖能夠調整透視圖的角度以及入手點的位置，得到最佳切入角。選擇Dinension單元中的Make2DD rawing調用命令，調整生成的三視圖的實體，實體數據會顯示在2DD rawing Options的命令對話框中，方便關聯數據的使用。在工件布局的設置上，選擇多頻道View布局格式，在多種布局格式的選擇下，三視圖與制圖標準數據必須相接近，視圖的位置可以有所不同，方式必須嚴格按照規(guī)定進行設置。

基礎的三維模型確立后，需要對工件表面進行精細度的渲染。本文利用Rhino技術將不同材質、不同精細度、不同加工精度、不同視覺效果進行區(qū)分，塑造出的工件能夠真實還原工業(yè)產品的原樣。Rhino技術具有極強的渲染功能，能夠將工件的三維模型導入進行初級的 “一健渲染”。對輔助軟件的控制通過loft口令、 sweep限令、blend執(zhí)行命令等執(zhí)行控件命令進行精度控制。Rhino技術的一個重要特點是數據連接與數據的實現，本文只需要調節(jié)數據層面間距的連續(xù)性就可以實現對輔助軟件的設計。執(zhí)行命令按照改進的渲染模型程序以及參數的配置特性，進行多角度的數據執(zhí)行，完成輔助軟件對3D打印過程輔助作用。

5 仿真試驗

5.1 試驗數據設置

試驗過程中在線條控制的設計上，改進設計計算機輔助軟件能夠進行自動數據點生成，為了試驗的快捷以及精準，對傳統(tǒng)3D軟件的Debam屬性進行適當的調節(jié)，方便試驗過程的對比，設計過程中的數據主要有編程的設置。試驗在選擇繪制圖形時，方便傳統(tǒng)3D軟件的實現，對基本數據進行設置如表1所示。

5.2 試驗結果分析

本文分別從彈性工件打印程度上以及精密工件的打印上進行對比，使用傳統(tǒng)輔助軟件與本文計算機輔助軟件為對比進行比較，對不同工件進行3D打印，分別記錄GTY成型率以及在三種打印方式下試驗結果，見圖5、表2。

通過表2數據可以看出，本設計基于Rhino的計算機輔助設計軟件的3D打印方法，能夠看出不管打印什么類型的工件，基本打印數據沒有發(fā)生過變化，并且在打印彈性工件時保持在6 000 t以上，足以說明本文設計的方法能夠適用多種工件的3D打印，并且改變了傳統(tǒng)方法的不足。圖5是兩種方法的GTY成型率的對比，能夠從圖像中看出，本文設計的方法GTY成型率高于傳統(tǒng)方法，GTY成型率是衡量A++產品的最有效的指標，因此，本文設計的3D打印方法能夠打印更加優(yōu)質的工件。

6 結 語

本文設計的基于Rhino的計算機輔助設計軟件的3D打印方法，導入Rhino技術，對Rhino技術基本參數進行設置，對多點添加數據進行優(yōu)化，通過Rhino技術建立三維數據模型，實現工件的高精度3D打印。希望通過本文的研究能夠提升3D打印技術。

參考文獻

[1] 王建吉，楊龍，李靖，等.基于3D打印技術股骨頭減壓聯合骨髓間充質干細胞移植專用移植器的研制及應用[J].中國組織工程研究，2016，20（44）：6636?6642.

WANG Jianji， YANG Long， LI Jing， et al. Development and application of special?purpose grafter by femoral head decompression combined with bone marrow mesenchymal stem cells transplantation based on three?dimensional printing technology [J]. Chinese journal of tissue engineering research， 2016， 20（44）： 6636?6642.

[2] 陳宣煌，許衛(wèi)紅，黃文華，等.基于3D打印的腰椎椎弓根螺釘數字化置入及臨床應用[J].中國組織工程研究，2015，19（17）：2752?2757.

CHEN Xuanhuang， XU Weihong， HUANG Wenhua， et al. Digital placement and clinical application of lumbar pedicle screws based on 3D printing [J]. Chinese journal of tissue engineering research， 2015， 19（17）： 2752?2757.

[3] 鄔培慧，劉志濤，張英琪，等.自主研發(fā)的計算機輔助設計軟件/快速成型/髖臼定位器系統(tǒng)模擬臼杯假體精準植入的實驗研究[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2017，19（4）：323?328.

WU Peihui， LIU Zhitao， ZHANG Yingqi， et al. Pre?clinical application of self?developed computer assisted design/rapid prototyping and guidance system to assist precise acetabular component placement： a pilot study [J]. Chinese journal of orthopaedic trauma， 2017， 19（4）： 323?328.

[4] 邱冰，唐本森，鄧必勇，等.基于三維反求技術和計算機輔助技術的3D打印導板在全膝關節(jié)置換術中的初步應用[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2016，18（1）：35?41.

QIU Bing， TANG Bensen， DENG Biyong， et al. Intelligentized surgery based on 3D printing technology for personalized total knee arthroplasty [J]. Chinese journal of orthopaedic trauma， 2016， 18（1）： 35?41.

[5] 王坤，馮海全，王東，等.3D打印左心室磁懸浮輔助泵的應用與研究[J].機械設計與制造，2017，9（5）：216?218.

WANG Kun， FENG Haiquan， WANG Dong， et al. Application and research of 3D printing left ventricular maglev assist pump [J]. Machinery design &； manufacture， 2017， 9（5）： 216?218.

[6] JUNG J W， LEE J S， CHO D W. Computer?aided multiple?head 3D printing system for printing of heterogeneous organ/tissue constructs [J]. Scientific reports， 2016， 6： 21685.

[7] HOANG L N， THOMPSON G A， CHO S H， et al. Die spacer thickness reproduction for central incisor crown fabrication with combined computer?aided design and 3D printing technology： an in vitro study [J]. Journal of prosthetic dentistry， 2015， 113（5）： 398?404.

[8] KATSIO?LOUDIS P， JONES M. Using computer?aided design software and 3D printers to improve spatial visualization [J]. Technology &； engineering teacher， 2015， 74（8）： 14?20.

[9] LAI Y， LIU L， ZHANG Y J， et al. Rhino 3D to Abaqus： a T?spline based isogeometric analysis software framework [M]. Switzerland： Springer International Publishing， 2016.

[10] NG O L. Exploring the use of 3D computer?aided design and 3D printing for STEAM learning in mathematics [J]. Digital experiences in mathematics education， 2017， 3（3）： 257?263.