創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下三維打印技術(shù)的應(yīng)用*

□ 武志鵬

武漢技師學(xué)院 機(jī)電工程系 武漢 430051

1 三維打印技術(shù)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的影響

一個(gè)產(chǎn)品從創(chuàng)意到實(shí)物,需要經(jīng)歷概念構(gòu)思、設(shè)計(jì)制圖、制造安裝和調(diào)試優(yōu)化等階段,不同階段需要不同的知識(shí)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)施來(lái)支撐。即便是擁有相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)的專(zhuān)業(yè)人員，也很少具備整套工藝裝備,而多方協(xié)作會(huì)增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，延長(zhǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期,最終會(huì)消磨人們對(duì)于產(chǎn)品創(chuàng)新的激情。如今,借助三維打印技術(shù),人們能夠簡(jiǎn)單快捷地將大腦中的設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)中具有特定功能的產(chǎn)品原型或零件,這是一種高效、低成本的實(shí)現(xiàn)手段。如將三維打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合,開(kāi)發(fā)出智能家居產(chǎn)品,則可以極大提升人們創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的熱情與效率,并改善人們的生活質(zhì)量[1-2]。

1.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)軟件功能強(qiáng)大,可以繪圖、建模、裝配,甚至可以根據(jù)材料參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)構(gòu)特性,但是需要設(shè)計(jì)人員具有專(zhuān)業(yè)的背景知識(shí),并不利于“萬(wàn)眾創(chuàng)新”。而且,在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行操作，始終沒(méi)有現(xiàn)實(shí)物體能讓人產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。

圖1所示為某智能家居系列產(chǎn)品中的無(wú)線遙控開(kāi)關(guān),這一裝置通過(guò)藍(lán)牙通信，內(nèi)置5 V鋰電池供電，采用罩扣式安裝,能夠在不破壞原有墻面、不改動(dòng)原有布線的前提下,將傳統(tǒng)家用開(kāi)關(guān)面板與移動(dòng)智能終端聯(lián)網(wǎng),進(jìn)而擴(kuò)展功能,如無(wú)線遙控、定時(shí)開(kāi)關(guān)等。藍(lán)牙通信模塊、電池均為成熟技術(shù),直接采購(gòu)使用。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、外殼及基座的設(shè)計(jì)與建模,然后采用三維打印技術(shù)完成裝置的原型制作及功能驗(yàn)證。

▲圖1 無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)

設(shè)計(jì)零件時(shí)，必須要考慮零件的可制造性。裝置的外殼采用塑料材質(zhì),若通過(guò)三維打印技術(shù)制造,則外殼可以為整體零件。相比之下,傳統(tǒng)機(jī)械切削制造方法需要將外殼設(shè)計(jì)為鑲拼結(jié)構(gòu),零件數(shù)將是三維打印的5～10倍；若采用模具制作，則原型制作成本更高。采用三維打印外殼,可以將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)架、電池倉(cāng)等集成在外殼殼體上，而不需要考慮深徑比和最小圓角,從而有效提高裝置的可靠性,減輕裝置的整體質(zhì)量,這是傳統(tǒng)機(jī)械制造背景下開(kāi)展零件設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到的。

1.2 制造階段

無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的外殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件需要定制加工,傳統(tǒng)上,根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的不同,可以選擇機(jī)械切削加工或者模具成形加工。傳統(tǒng)機(jī)械切削加工技術(shù)屬于減材制造,制訂加工工藝時(shí)需要著重考慮零件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu),還要考慮所用的刀具及其裝夾方式、剛性、排屑等因素。傳統(tǒng)的機(jī)械制造根據(jù)不同的被加工零件結(jié)構(gòu)特征,往往需要不同的專(zhuān)業(yè)人員操作不同的專(zhuān)用設(shè)備,產(chǎn)品改型、工藝流程改變對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的影響較大。模具成形工藝需要先制作模具,還需要配套的壓力機(jī)或注塑機(jī),當(dāng)產(chǎn)品改變后，模具也要修改,生產(chǎn)成本高。

三維打印技術(shù)屬于增材制造,按成形工藝不同,有激光燒結(jié)法、熔融堆積法、光聚合法等。低成本的家用型三維打印機(jī)多采用熔融堆積法,原料一般為現(xiàn)狀卷料,材質(zhì)是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料或聚乳酸(PLA)塑料。三維打印從底面層層堆積而成,對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征并無(wú)太多要求,一套工藝裝備可以生產(chǎn)出形狀各異的零部件,極大提高設(shè)備的通用性。即使某些部位存在倒錐,也可以通過(guò)添加支撐,待打印完成后再去除支撐的工藝方法來(lái)解決。筆者設(shè)計(jì)的外殼零件采用PLA塑料熔融堆積法低成本家用型三維打印機(jī)制作,支撐工藝如圖2所示。

▲圖2 外殼零件支撐工藝

值得注意的是,雖然相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械切削加工,三維打印產(chǎn)品精度不高，打印速度慢,表面質(zhì)量差,但是對(duì)于整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高的零件,可以簡(jiǎn)化打印過(guò)程。此外,家用型三維打印機(jī)單機(jī)價(jià)格逐步降低,設(shè)備自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)單,打印工藝受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響不大,無(wú)論是圓孔、方孔、錐孔,還是圓柱、方臺(tái)、棱臺(tái)、錐臺(tái)、曲面,都可以用一臺(tái)打印機(jī)完成,而且不需要專(zhuān)人看護(hù),可以白天工作時(shí)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化,晚上睡眠時(shí)完成打印制造。

2 三維打印工藝流程

三維打印工藝流程如下：采用Cura切片軟件,根據(jù)設(shè)定的層高參數(shù)將三維數(shù)模沿Z軸方向?qū)訉忧懈?得到一系列不同層高上的零件二維截面輪廓圖；根據(jù)設(shè)定的填充密度、壁厚等參數(shù)計(jì)算填充截面所需的軌跡長(zhǎng)度,進(jìn)而得出打印時(shí)間和耗材用量；基于以上數(shù)據(jù)生成G代碼，傳輸至三維打印機(jī)中運(yùn)行；打印完成后需要對(duì)打印件的外觀進(jìn)行處理,如除支撐、除毛刺、拋光、噴漆、上色等。三維打印工藝流程如圖3所示。

▲圖3 三維打印工藝流程

2.1 數(shù)模輸出

采用熔融堆積法三維打印工藝時(shí),為了保證打印過(guò)程的穩(wěn)定性與產(chǎn)品的平整度,零件與工作臺(tái)應(yīng)緊密粘附,這會(huì)導(dǎo)致打印完成后零件難以剝離,而且零件飛邊、毛刺難以處理。一個(gè)可行的方法是在零件底邊四周添加半徑為1～2 mm的圓角特征,這樣有助于零件打印完成后進(jìn)行剝離,也更容易去除飛邊、毛刺。

確定三維打印能夠滿足零件制造工藝要求后,需要進(jìn)行數(shù)模輸出。通常情況下,可以采用CATIA、SolidWorks、NX等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造軟件將數(shù)模轉(zhuǎn)換為三維打印所需要的.STL格式文件,然后應(yīng)用Cura等軟件進(jìn)行切片處理。

需要注意的是,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行.STL格式轉(zhuǎn)換時(shí)，所設(shè)置的誤差值會(huì)對(duì)三維打印工藝產(chǎn)生影響。以筆者設(shè)計(jì)的外殼零件為例,采用NX軟件設(shè)定六組不同的三角誤差和鄰接誤差輸出.STL格式文件,在Cura軟件中設(shè)定相同的打印參數(shù),相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[3-4]。

由表1可知,不同的誤差值決定了.SIL格式文件大小、打印時(shí)間與耗材用量,較小誤差值時(shí)，需要較長(zhǎng)的打印時(shí)間。同時(shí)也能看出,誤差值處于0.1～0.001 mm時(shí)才會(huì)對(duì).STL格式文件大小、打印時(shí)間與耗材用量產(chǎn)生影響。

表1 外殼零件三維打印數(shù)據(jù)

2.2 切片

切片時(shí)主要考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題,分別是設(shè)備的硬件配置及性能參數(shù)、零件的外部形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]。

常見(jiàn)的三維打印機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)有并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)和正交軸結(jié)構(gòu)兩種,行程范圍和運(yùn)動(dòng)特性各有不同,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在Cura軟件中進(jìn)行相應(yīng)預(yù)設(shè)置。移動(dòng)物體的質(zhì)量越大,移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣量也越大,為了確保設(shè)備的穩(wěn)定性及打印精度,需要確定設(shè)備是近程出絲還是遠(yuǎn)程出絲,零件移動(dòng)還是擠出頭移動(dòng)。由于遠(yuǎn)程出絲的送絲機(jī)是固定不動(dòng)的,噴嘴質(zhì)量輕,運(yùn)動(dòng)慣量相比近程出絲小,因此筆者采用正交軸結(jié)構(gòu)近程出絲三維打印機(jī),如圖4所示。

▲圖4 正交軸結(jié)構(gòu)近程出絲三維打印機(jī)

噴嘴的直徑對(duì)打印工藝也有較大影響,大直徑噴嘴打印效率高,但不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型零件。需要注意的是,切片的層高應(yīng)小于噴嘴直徑,一般取噴嘴直徑的50%作為層高。切片層高小時(shí),零件表面質(zhì)量好,層間接合性好,但是打印時(shí)間長(zhǎng)。切片層高大時(shí),零件打印時(shí)間短,但是打印質(zhì)量差。還應(yīng)考慮打印設(shè)備是否配備加熱臺(tái),因?yàn)榻?jīng)噴嘴噴出的塑料直接冷卻至室溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,可能導(dǎo)致零件翹曲變形，尤其是在采用ABS塑料材質(zhì)的原料時(shí)。使用加熱板作為工作臺(tái)，可以有效避免或減輕上述問(wèn)題。在工作臺(tái)上貼一層美紋紙，也能增大打印零件與工作臺(tái)之間的附著力。打印完成后,美紋紙還有助于從工作臺(tái)上剝離打印零件[5]。

由于擠出機(jī)構(gòu)的工作效率遠(yuǎn)低于直線軸的移動(dòng)速度,因此設(shè)置較快的打印速度會(huì)使零件表面質(zhì)量急劇降低,合理的打印速度是坐標(biāo)軸移動(dòng)速度和噴嘴出絲速度的線性組合。

溫度是熔融堆積法三維打印工藝中的一個(gè)重要指標(biāo),不同材質(zhì)的線材需要不同的熔融溫度。為了提升打印效率及質(zhì)量,擠出并堆積的零件需要快速冷卻定形。同時(shí),零件的整體結(jié)構(gòu)又需要保持一定的溫度，以避免快速冷卻造成的翹曲變形等缺陷。溫度參數(shù)由三個(gè)分量組成:加熱溫度、散熱效率和熱臺(tái)溫度。

零件外形決定了數(shù)模的切片姿態(tài),以大面或零件工作面作為基面開(kāi)始切片，能保證打印過(guò)程的穩(wěn)定性和零件工作面的平面度。由于支撐工藝會(huì)對(duì)零件表面質(zhì)量造成不利影響,因此對(duì)于需要添加支撐的打印場(chǎng)合,支撐應(yīng)布置在零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)面上。對(duì)于孔軸類(lèi)零件,應(yīng)盡量使軸線垂直于工作臺(tái)面，以避免層層堆積所產(chǎn)生的誤差積累對(duì)圓柱度的影響[6]。

對(duì)于大型零件,尤其是由體素特征組合而成的零件,直接整體打印會(huì)超出設(shè)備行程范圍,層層堆疊時(shí)懸空處需要添加支撐,而且低成本家用型三維打印機(jī)一般不具備斷點(diǎn)繼續(xù)功能,平均無(wú)故障時(shí)間指標(biāo)低,設(shè)備故障或電源故障會(huì)導(dǎo)致前功盡棄。一個(gè)解決方法是先將數(shù)模拆分為多個(gè)零件打印,然后通過(guò)粘接、過(guò)盈、卡扣或螺釘?shù)确椒ㄆ囱b起來(lái)[7]。

2.3 外觀處理

目前,低成本家用型三維打印機(jī)使用的打印材料主要有ABS塑料和PLA塑料,這兩種耗材具有價(jià)格低、對(duì)設(shè)備要求低、工程性能好等優(yōu)點(diǎn),能夠以較低成本顯著提高設(shè)計(jì)、制造效率,但是打印零件的結(jié)構(gòu)性缺陷、表面粗糙和塑料感是難以避免的缺點(diǎn),需要外觀處理形成零件成品。

按不同工藝裝備,打印零件外觀處理工藝可以分為三個(gè)階段。第一階段是打印完成后使用美工刀、什錦銼或砂紙等工具對(duì)打印零件進(jìn)行去支撐、去毛刺處理,優(yōu)點(diǎn)是工具簡(jiǎn)單、操作方便,缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度較大、細(xì)節(jié)角落不好處理、表面質(zhì)量提升不大。第二階段是采用熱風(fēng)機(jī)軟化打印零件，然后用手工或工具平整外觀,或采用丙酮蒸汽腐蝕塑料件表面，進(jìn)而達(dá)到提高表面質(zhì)量的目的,優(yōu)點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度小、可以處理細(xì)節(jié)部位,缺點(diǎn)是熱風(fēng)機(jī)的溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致零件熔融變形,而且丙酮蒸汽易燃易爆,具有危險(xiǎn)性。第三階段是表面噴漆處理,采用金屬漆可以使塑料件具有金屬質(zhì)感,若條件允許還可以采用塑料電鍍工藝,但是這類(lèi)工藝對(duì)環(huán)境污染較大[8-10]。圖5所示為經(jīng)過(guò)第一、第二階段處理后的打印零件。

3 技術(shù)展望

需要注意的是，三維打印技術(shù)適用于單件小批量生產(chǎn),尤其適用于改革創(chuàng)新階段的產(chǎn)品制造。由于低成本家用型三維打印機(jī)精度低,打印零件難以與標(biāo)準(zhǔn)件配合,因此不能替代模具量產(chǎn)。另一方面,受材質(zhì)的限制,三維打印可以生產(chǎn)的產(chǎn)品種類(lèi)也較少,一摔就碎是三維打印產(chǎn)品的一個(gè)重大缺點(diǎn)。對(duì)此，三維打印技術(shù)經(jīng)濟(jì)化的一個(gè)重要途徑是研發(fā)耗材。目前,家用型三維打印機(jī)的耗材除ABS塑料和PLA塑料外,還有木質(zhì)耗材、柔性橡膠、導(dǎo)電材質(zhì)耗材等。

▲圖5 第一、第二階段處理后打印零件

隨著耗材種類(lèi)的增加,三維打印機(jī)需要在不同耗材之間進(jìn)行切換,因而設(shè)備附件標(biāo)準(zhǔn)化是三維打印機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)?？梢詫⒉煌馁|(zhì)、不同顏色的耗材配合不同噴嘴直徑，集成為一個(gè)工藝包。設(shè)備系統(tǒng)柔性化程度的要求也進(jìn)一步提高,如耗材任務(wù)包能由程序控制自動(dòng)切換,控制系統(tǒng)應(yīng)具備斷點(diǎn)繼續(xù)功能,這樣可以有效避免因?yàn)橥ｋ姷仍蚨斐傻牧慵?bào)廢。同時(shí),三維打印技術(shù)也不應(yīng)僅限于從無(wú)到有的生產(chǎn)模式,在已有的基體上進(jìn)行添加性打印也是一種降低創(chuàng)新成本的方式。

當(dāng)然,成本再低的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)也會(huì)不可避免地產(chǎn)生污染、浪費(fèi),耗材加熱過(guò)程中會(huì)向外界釋放有毒氣體,懸浮在空氣中的塑料粉塵顆粒會(huì)對(duì)人體造成傷害,導(dǎo)電材質(zhì)耗材可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞,密閉的設(shè)備空間同樣不利于打印零件的散熱。對(duì)此，三維打印機(jī)可以配備空氣過(guò)濾、靜電除塵功能。另一方面,產(chǎn)品原型制作應(yīng)首先選擇可降解材料及熱塑性材料,進(jìn)而提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過(guò)程中的環(huán)境友好性。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維打印技術(shù)可以快速、低成本地將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)物品,使設(shè)計(jì)理念和原型制作有機(jī)結(jié)合,對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的模型設(shè)計(jì)、制造工藝具有較大影響。這項(xiàng)技術(shù)大大縮短了新產(chǎn)品的研制周期,降低了新產(chǎn)品的研發(fā)成本,能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品訂制,滿足人們對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的需求。三維打印技術(shù)能夠充分發(fā)揮人們的想象力和創(chuàng)造力,也可以幫助人們結(jié)合實(shí)物模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),快速制作出實(shí)物產(chǎn)品,加速設(shè)計(jì)構(gòu)思的迭代,有助于激發(fā)大眾的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)業(yè)熱情[10-15]。

筆者基于三維打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了無(wú)線遙控開(kāi)關(guān),采用過(guò)盈配合安裝至開(kāi)關(guān)面板。裝置整體質(zhì)量輕,具有一定彈性,拆裝過(guò)程中不會(huì)劃傷原有面板。這一無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)作為筆者學(xué)院機(jī)電系作品參加第一屆湖北省技工院校創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽，獲得第一名。