3D打印抓斗造型探索

摘? 要：3D打印是一種新興的增材制造技術(shù)。本文結(jié)合天津港第四港埠有限公司引進(jìn)的天津博諾智創(chuàng)3D打印機(jī)，主要探討了使用其進(jìn)行抓斗造型的具體步驟和關(guān)鍵問(wèn)題，提出了用膠水粘貼方法代替零件連接得到抓斗模型，該模型能簡(jiǎn)單模擬抓斗作業(yè)過(guò)程。文章通過(guò)反復(fù)思考分析，根據(jù)造型中的失敗情況，總結(jié)了本次3D抓斗造型打印的最優(yōu)參數(shù)，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)提出了下次造型的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：3D打印;抓斗;支撐;PLA材料

中圖分類號(hào)：TH122;TP391.73? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0187-03

Abstract：3D printing is a new manufacturing technology of augmented materials. Combining with Tianjin Bono Zhichuang 3D printer introduced by Tianjin Harbour Fourth Stevedoring Co.，Ltd.，this paper mainly discusses the concrete steps and key problems of grab modeling by using it，and puts forward a grab model which can simply simulate the grab operation process by using glue pasting instead of connecting parts. This paper summarizes the optimum parameters of 3D grab model printing based on repeated thinking and analysis，and puts forward suggestions for improvement of the next model according to its own experience.

Keywords;3D printing;grab;support;PLA materials

1? 研究背景

天津港第四港埠有限公司為普及知識(shí)，引導(dǎo)青年科技人才理解3D技術(shù)，響應(yīng)集團(tuán)“提質(zhì)增效”要求和國(guó)家“雙創(chuàng)”方針，采購(gòu)了天津博諾智創(chuàng)3D打印機(jī)，搭建了3D眾創(chuàng)空間平臺(tái)。

3D打印技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期開始逐漸興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)，它是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等數(shù)據(jù)，通過(guò)材料的精確3D堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀3D物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。3D打印技術(shù)的基本制造過(guò)程是按照“分層制造、逐層疊加”的原理，可以根據(jù)CT等成像數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)3D建模轉(zhuǎn)換后，再以STL格式文件輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并分層成二維切片數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的3D打印系統(tǒng)進(jìn)行逐層打印，疊加后最終獲得三維產(chǎn)品。

天津博諾智創(chuàng)3D打印機(jī)采用熔融沉積打?。‵DM）方式進(jìn)行打印，打印機(jī)內(nèi)側(cè)頂端有一個(gè)熱熔噴頭，塑性纖維材料經(jīng)融化后從噴頭內(nèi)擠壓而出，并趁機(jī)在配置的玻璃板上進(jìn)行固化成型。這種方式是目前最常見的3D打印技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟度高，成本較低，便于新手操作和了解3D打印技術(shù)，成型方式類似擠牙膏，生成難度相對(duì)較小，便于3D打印的初學(xué)者進(jìn)行使用;缺點(diǎn)是成型件的表面有明顯的條紋，產(chǎn)品層間的結(jié)合強(qiáng)度低，打印速度慢，打印出來(lái)的產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不高。

2? 3D打印抓斗造型

本人作為3D眾創(chuàng)空間的一員，在2017年3-4月進(jìn)行了抓斗3D造型，探索了技術(shù)應(yīng)用過(guò)程。

2.1? 3D打印抓斗造型步驟

首先結(jié)合抓斗實(shí)體和圖紙，了解抓斗基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)查找工程圖紙和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪掌握抓斗尺寸，然后使用SolidWorks軟件繪制抓斗三維零件圖，把文件轉(zhuǎn)換為STL格式，使用Cube Pro軟件進(jìn)行切割，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的天津博諾智創(chuàng)3D打印機(jī)進(jìn)行打印并獲得3D模型。打印機(jī)操作的步驟是：首先在打印機(jī)支撐板上涂滿膠水，確保膠水涂抹均勻、厚度達(dá)標(biāo)，其次是機(jī)器開始預(yù)熱支撐板，預(yù)熱完成之后融化塑性材料（PLA材料或ABS材料）進(jìn)行打印，最終獲得打印件。

2.2? 3D打印抓斗造型的關(guān)鍵問(wèn)題

3D打印系統(tǒng)工作原理是進(jìn)行材料的逐層打印，疊加后最終獲得三維產(chǎn)品，打印過(guò)程與堆疊蛋糕相似，從最底層開始，由下向上打印，下層面積最大且不能懸空。對(duì)于由SolidWorks軟件工程圖進(jìn)行拉伸和拉伸切除獲得的簡(jiǎn)單造型的零件來(lái)說(shuō)，可以直接把最大面作為支撐進(jìn)行3D打印，打印件的成型效果理想。多次嘗試之后，對(duì)于六瓣抓斗這樣的對(duì)稱零件，筆者使用SolidWorks軟件進(jìn)行三維造型時(shí)采取多次鏡像拉伸后單次批量打印的方法，節(jié)約打印時(shí)間，打印效率高。筆者在3D打印抓斗零件時(shí)遇到的主要困難是特殊零件無(wú)法找到水平支撐面。

由SolidWorks二維工程圖旋轉(zhuǎn)拉伸60度生成的抓斗斗瓣（如圖1所示），屬于復(fù)雜零件，沒有水平面作為打印支撐面，是整個(gè)抓斗3D造型的難點(diǎn)，筆者思考了三種方法嘗試打印。

方法一：把抓斗的六個(gè)斗瓣當(dāng)作一個(gè)整體，打印出一個(gè)類似碗狀造型的打印件再切割為六等份。為測(cè)試可行性，先造型打印了一個(gè)小碗狀零件，經(jīng)過(guò)幾次測(cè)試后發(fā)現(xiàn)抓斗的六個(gè)斗瓣拼接而成的碗型邊緣實(shí)際是向內(nèi)凹的形狀，進(jìn)行3D打印有困難，且切割存在一定困難。

方法二：在Crue Pro軟件中調(diào)整角度，把斗瓣造型的基準(zhǔn)面作為支撐面，Crue Pro軟件自帶輔助支撐功能可以添加支撐，自動(dòng)劃分零件后進(jìn)行3D打印，打印后發(fā)現(xiàn)輔助支撐除去簡(jiǎn)單，打印件整體效果較好，只在60攝氏度內(nèi)凹邊緣有一定磨損。

方法三：針對(duì)支撐強(qiáng)度不足點(diǎn)，筆者在SolidWorks軟件造型中抓斗斗瓣自行添加柱狀造型作為支撐，試打印后發(fā)現(xiàn)使用工具去除支撐困難。

經(jīng)過(guò)多次不斷嘗試和對(duì)比，本文選擇第二種方法進(jìn)行打印。

在整體造型中，受打印范圍限制，抓斗模型不能做到一體成型，需要拆分成小零件分別打印之后，依靠膠水粘貼而成。主要方法是單獨(dú)造型各個(gè)零件再把各個(gè)部分用502膠水鏈接起來(lái)，對(duì)于爪形板等實(shí)際生產(chǎn)中使用螺栓螺母連接的零件，在造型使用無(wú)螺紋圓柱進(jìn)行連接，

連接效果如圖1所示。

2.3? 3D打印抓斗造型出現(xiàn)問(wèn)題探究

在3D打印抓斗造型的過(guò)程中，多次遇到造型不成功的情況，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，歸納為三點(diǎn)問(wèn)題。

2.3.1? 設(shè)計(jì)考慮不全

3D打印的抓斗模型是依照實(shí)體繪制SolidWorks零件，但由于3D打印機(jī)打印范圍的限制，抓斗模型以1：40比例等比例縮小，這就涉及到零件縮小的問(wèn)題，以爪型板為例：40mm厚度零件等比例縮小后為1.2mm，但經(jīng)3D打印后發(fā)現(xiàn)厚度過(guò)小，無(wú)法起件，打印不成功。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)零件厚度應(yīng)在4mm以上。因此，零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮打印厚度的問(wèn)題。

2.3.2? 軟件不足

筆者在使用Cube Pro在進(jìn)行零件切割時(shí)，出現(xiàn)了幾次由于切割引起的打印失敗情況。一是零件在切割后打印生成了沒有厚度的薄片;二是Cube Pro切割后，零件通孔消失;三是軟件自行增加的易除去的低密度輔助支撐變成了與零件同等密度的實(shí)體。經(jīng)研究，在SolidWorks軟件抓換為STL格式在Cube Pro中切割時(shí)，有一些設(shè)計(jì)不兼容的情況發(fā)生，以至于打印效果與最初設(shè)計(jì)有很大差距。

為了加快打印速度，節(jié)約每次打印預(yù)熱和冷卻時(shí)間，通常使用SolidWorks軟件中的鏡像功能，一次性打印多個(gè)相同零件，之后觀察零件打印效果，打印效果不同，經(jīng)研究分析是由于零件分割的問(wèn)題，Cube Pro是一個(gè)閉環(huán)軟件，無(wú)法調(diào)節(jié)切合參數(shù)，致使打印效果不理想。

2.3.3? 天津博諾智創(chuàng)3D打印機(jī)缺陷

單頭打印限制，只能進(jìn)行單色打印，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙噴頭的多色打印，也不能使用一個(gè)噴頭增料的同時(shí)用另一個(gè)噴頭去料打印。

3D打印的粗糙度極大，僅能在垂直打印噴頭的坐標(biāo)上保證一定的精度，這是因?yàn)?D打印的原理是熔融工程塑料，塑料的冷卻后不能保證相應(yīng)的精度。工程塑料本身的剛度較差，不能像金屬材料一樣保證生產(chǎn)作業(yè)要求。

3D打印中，螺栓螺母等聯(lián)接件無(wú)法體現(xiàn)，需在造型時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化。打印大小的限制，成比例縮小后體現(xiàn)的只是整體外形，模型能做簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)機(jī)械作業(yè)過(guò)程，銷鍵等零件，定位限位功能無(wú)法體現(xiàn)。打印出的模型與實(shí)際情況有一定差距。

在抓斗造型期間，多次遇到因打印機(jī)斷料造成打印失敗的情況，有時(shí)是不能形成造型，經(jīng)研究分析，這與快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料性質(zhì)有關(guān)，ABS材料和PLA材料的打印溫度不同，ABS打印溫度為210-240攝氏度，加熱板溫度為80攝氏度，PLA打印溫度為180-200攝氏度，加熱板溫度為60攝氏度，融化后容易附著和延展，會(huì)堵塞熱源致使打印失敗。

3? 3D打印抓斗造型結(jié)論與展望

筆者試著對(duì)3D打印抓斗造型中出現(xiàn)的問(wèn)題提出解決方案。

3.1? 抓斗打印最佳參數(shù)

筆者總結(jié)抓斗打印過(guò)程，發(fā)現(xiàn)抓斗打印采用白色ABS材料成型較好，需要保證打印零件厚度超過(guò)4mm，打印時(shí)間在100分鐘以內(nèi)為佳，打印多個(gè)相同零件時(shí)一次性打印不超過(guò)4件，打印不規(guī)則零件時(shí)尋找支撐面，在制作模型時(shí)建議直接簡(jiǎn)化小型聯(lián)接件，使用Cube Pro軟件切片時(shí)應(yīng)多運(yùn)用旋轉(zhuǎn)功能調(diào)整角度，找尋最佳打印效果。

3.2? 抓斗打印展望

筆者總結(jié)3D打印抓斗造型過(guò)程，對(duì)今后造型提出改進(jìn)意見。

3.2.1? 全面考慮設(shè)計(jì)用途

筆者在設(shè)計(jì)抓斗打印方案時(shí)，作為機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生，最初使用3D打印機(jī)進(jìn)行抓斗造型時(shí)主要考慮機(jī)械原理的展現(xiàn)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的表達(dá)，但對(duì)于1：40的抓斗模型來(lái)說(shuō)，很多內(nèi)部零件的連接可以簡(jiǎn)化。

筆者認(rèn)為，除了學(xué)習(xí)掌握零件原理效果和打印尺寸的要求外，還需要綜合考慮探究3D打印的意義。3D打印模型可以將抽象的不易描繪的和想象的港口裝卸機(jī)械打印出來(lái)，利用更加逼真的形象的結(jié)構(gòu)物引起員工的學(xué)習(xí)興趣，可動(dòng)的模型能夠提高新員工的理解能力，達(dá)到良好的入場(chǎng)教育效果。此外，3D打印技術(shù)可以輔助生產(chǎn)機(jī)械的創(chuàng)新。實(shí)體機(jī)械的制造時(shí)間長(zhǎng)，工序復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，3D打印件可以從模擬仿真角度幫助技術(shù)革新，例如：部分結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，機(jī)械自由度的分析等。

3.2.2? 優(yōu)化切片軟件

3D打印切片軟件有數(shù)十種之多，本文用到的Cube Pro軟件是3D打印機(jī)廠家出廠時(shí)限定軟件，建議下次打印時(shí)切片可以選用MeshLab和Blender等更專業(yè)的軟件，也可以使用Slic 3r等開源代碼的3D切片軟件。

3.2.3? 改進(jìn)打印機(jī)功能

本次筆者使用的3D打印機(jī)功能簡(jiǎn)單，為單一噴頭，處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件困難。繼續(xù)探究時(shí)，建議選擇雙噴頭、大尺寸、功能豐富的打印機(jī)，以筆者在網(wǎng)上找到的Raise3D打印機(jī)Pro2 Plus為例，雙噴頭零件既可支撐打印機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件同時(shí)又可以使用不同耗材，提高零件的精度;打印尺寸范圍為305mm×605mm，速度精度均優(yōu)于筆者使用的博諾智創(chuàng)打印機(jī)，能夠有效提高打印速度;該打印機(jī)可以支持除了PLA、ABS以外的HIPS（抗沖擊性聚苯乙烯）尼龍、木屑等多種材料，降低打印成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì) [J].自動(dòng)化儀表，2014，35（1）：1-5.

[2] 張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù) [J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[3] 洪騰蛟，丁鳳娟，孟凡盛，等.多頭熔融沉積成型3D打印機(jī)設(shè)計(jì) [J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，30（6）：94-98.

作者簡(jiǎn)介：杜美茜（1992.03-），女，漢族，天津人，碩士，研究方向：機(jī)械工程。