3D打印技術(shù)在塑料制件修復(fù)制造中的應(yīng)用研究進展

朱小明，韓 偉，劉楚生，段海峰

（華南理工大學 廣州學院，廣東省廣州市 510800）

3D打印技術(shù)作為發(fā)展迅猛的高新技術(shù)，近年來在修復(fù)制造領(lǐng)域（如考古文物修復(fù)、機械工程領(lǐng)域重要零部件和模具的修復(fù)、醫(yī)學生物領(lǐng)域人體組織的修復(fù)等［1-5］）的應(yīng)用研究日益增多。一般來說，應(yīng)用3D打印技術(shù)能取得更高效的修復(fù)制造效果。與傳統(tǒng)塑料成型工藝相比，3D打印技術(shù)能更快速實現(xiàn)單個或小批量塑料制件的制造，具有更大的優(yōu)勢，包括設(shè)計周期、成本、工藝操作等。借助逆向工程（RE）技術(shù)和計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)，3D打印可為塑料制件的修復(fù)制造提供一種有效的解決途徑。目前，3D打印技術(shù)已應(yīng)用于汽車、電子產(chǎn)品、玩具等領(lǐng)域的塑料配件修復(fù)制造中［6-9］。本文總結(jié)了3D打印修復(fù)制造的技術(shù)流程，分析了其應(yīng)用形式和應(yīng)用案例，介紹了目前3D打印工藝的情況和發(fā)展趨勢，旨在進一步推廣3D打印技術(shù)在塑料制件修復(fù)制造中的應(yīng)用。

1 3D打印修復(fù)制造的技術(shù)流程

修復(fù)打印前需獲取打印的3D數(shù)據(jù)模型，所有的3D打印技術(shù)都是由3D數(shù)據(jù)模型經(jīng)過切片處理來直接驅(qū)動的。通過RE技術(shù)和CAD建模技術(shù)，借助工程測量設(shè)備及相關(guān)軟件，獲取所需修復(fù)模型的3D數(shù)據(jù)，再采用合適的3D打印工藝完成修復(fù)打印。利用3D打印進行模型修復(fù)制造的技術(shù)流程見圖1。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical process

簡單破損零部件可通過手工測量后進行CAD建模，而傳統(tǒng)的測量繪制技術(shù)難以實現(xiàn)的復(fù)雜和不規(guī)則破損零部件測量則可采用3D掃描技術(shù)完成［10］。目前，3D掃描技術(shù)產(chǎn)品種類較多，發(fā)展成熟，對不同的應(yīng)用場合、測量精度、范圍、速度等各有側(cè)重。通過3D掃描獲取點云數(shù)據(jù)，再采用RE軟件進行預(yù)處理，最后重構(gòu)模型。以Geomagic Studio軟件為例，首先優(yōu)化處理點云數(shù)據(jù)，把無用點、噪點等刪除，可多個點云數(shù)據(jù)進行對齊、合并，優(yōu)化后的點云封裝轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅文Ｐ?；再對多邊形網(wǎng)格進行優(yōu)化，或?qū)Χ噙呅文Ｐ瓦M行拼接、分割等，最終生成3D打印所需的STL文件。多邊形網(wǎng)格模型也可擬合為NURBS曲面，并將其輸入到CAD軟件中進行再設(shè)計，求得最終修復(fù)打印的STL模型數(shù)據(jù)。

2 3D打印技術(shù)在塑料制件修復(fù)制造中的應(yīng)用形式

2.1 傳統(tǒng)塑料制件修復(fù)制造工藝

生活中塑料制件數(shù)量龐大，且較易產(chǎn)生破損件。塑料制件的破損主要表現(xiàn)為：老化碎裂，因外部沖擊力等用力不當所造成的變形、凹陷、斷裂及破碎，碎裂件或配件的缺失。塑料制件更換的成本普遍較低，所以目前塑料制件的破損以直接更換為主，修復(fù)為輔。塑料制件一般以注射、擠壓、壓制、澆注等方法制成，以大批量生產(chǎn)為主，且需要進行前期模具設(shè)計，而且定制單個塑料制件成本高、周期長。傳統(tǒng)的塑料制件修復(fù)工藝為手工修復(fù)，以黏結(jié)、熱矯正、填充修整為主，針對不同的破損形式會采取不同的修復(fù)方法，如塑料變形采取熱矯正修補方法。傳統(tǒng)修復(fù)制造方法存在許多不足，如無法低成本定制單個塑料制件、斷裂件黏結(jié)修復(fù)后難以再承受外力作用、較大尺寸的缺失部分無法進行填充修補等。

2.2 3D打印技術(shù)在塑料制件修復(fù)制造中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)修復(fù)制造工藝相比，對于單個塑料制件的定制生產(chǎn)，采用3D打印成型具有明顯的優(yōu)勢：制作快速、周期短、操作靈活。借助RE技術(shù)和CAD建模技術(shù)，3D打印技術(shù)在一定程度上彌補了目前塑料制件修復(fù)制造中的不足，解決了傳統(tǒng)方法難以修復(fù)的情況。從圖2可以看出：不同的修復(fù)形式對破損模型的測量和數(shù)據(jù)模型處理方式有所區(qū)別。對于斷裂件即因外力造成斷裂的塑料制件，如應(yīng)用于產(chǎn)品中的各類塑料旋鈕、連接軸、卡扣等斷裂，采用黏結(jié)方法修復(fù)后較難再承受外力作用，或使用壽命縮短，通常需直接更換新的零件。當斷裂件因不是標準配件，或產(chǎn)品型號不再生產(chǎn)等原因無法購買時，一般只能選擇其他不太合適的零件代替，但會影響產(chǎn)品使用效果或美觀性，甚至導(dǎo)致整個產(chǎn)品直接報廢。而采用3D打印技術(shù)能快速實現(xiàn)單個塑料零件的再制造，斷裂件打印模型數(shù)據(jù)的建立可通過以下兩種方式進行：簡單的斷裂件用手工測量方法測量后進行CAD建模；復(fù)雜、曲面的零件通過3D掃描后在RE軟件中將斷裂部分進行點云拼接求出完整零件模型數(shù)據(jù)。對于缺失件即碎裂件或產(chǎn)品中某塑料配件丟失等情況，如果碎裂件缺失部分較為細小，傳統(tǒng)的材料填充修整方法或許可以完成產(chǎn)品修復(fù)，但當缺失部分尺寸較大時則很難進行填充。產(chǎn)品丟失某配件，如汽車模型、卡通人物模型配件丟失后，一般很難單獨購買到相同的配件。采用3D打印技術(shù)可將缺失件打印后再進行黏結(jié)或裝配完成產(chǎn)品修復(fù)。簡單缺失件直接CAD建模，復(fù)雜的缺失件掃描與其相同的模型。碎裂件缺失通過以下三種方式獲得打印的模型數(shù)據(jù)：（1）掃描破損產(chǎn)品，求得點云數(shù)據(jù)后重構(gòu)曲面模型，再導(dǎo)入3D設(shè)計軟件中根據(jù)模型原始形狀的圖片等信息設(shè)計出缺失部分的模型；（2）若已具有完整產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)，則將其與掃描后的破損產(chǎn)品多邊形數(shù)據(jù)進行布爾運算，獲得缺失部分的模型數(shù)據(jù)；（3）分別3D掃描完整產(chǎn)品和破損產(chǎn)品，在RE軟件中將掃描后所得完整產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)與破損件點云數(shù)據(jù)進行對齊裝配，求出缺失件模型。

圖2 3D打印應(yīng)用形式及其模型數(shù)據(jù)的處理方法Fig.2 Application and processing method of model data by 3D printing

2.3 應(yīng)用案例分析

許多破損塑料產(chǎn)品都可采用3D打印技術(shù)進行修復(fù)制造，如因外力斷裂的置物架塑料夾片、折斷的遙控器電池蓋卡扣、局部碎裂缺失的剪刀把手、丟失蓋的U盤、丟失腰部佩劍等部分組合件的高達模型等。圖3為斷裂后丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）夾片的修復(fù)，通過手工測量完成CAD建模。

圖3 斷裂的置物架夾片的修復(fù)Fig.3 Broken shelf clip

圖4為出現(xiàn)局部碎裂缺失件的塑料喇叭的修復(fù)，采用手持式掃描儀獲取破損喇叭點云數(shù)據(jù)，通過Geomagic Studio在破損喇叭點云數(shù)據(jù)中提取出與缺失處形狀相同的部分完整點云，再將兩個點云數(shù)據(jù)對齊，求出遺失碎裂件的點云模型。

圖4 局部破裂的喇叭的修復(fù)Fig.4 Horn with broken pieces

圖5為丟失左腳組合件的高達模型的修復(fù)，因左右腳模型組件相同，直接使用3D掃描右腳組合件的點云數(shù)據(jù)進行3D重建，獲得左腳組合件的3D模型。

圖5 丟失左腳組件的高達模型的修復(fù)Fig.5 Repair of gundam missing left foot

3 塑料制件修復(fù)打印工藝

目前，3D打印技術(shù)主要適用于單件或小批量的加工，能打印塑料成品的較為成熟的工藝主要有FDM，SLA，SlS工藝。塑料為3D打印中最成熟、最常使用的材料，絕大多數(shù)的通用塑料都能在3D打印中使用，打印塑料日用品、工程產(chǎn)品和部分機械零部件等。適合于3D打印的塑料有工程塑料、熱固性塑料、高分子凝膠、光敏樹脂和生物塑料等［11］。

FDM工藝是絲狀材料的選擇性熔融沉積過程，其打印件具有足夠的堆積和黏結(jié)強度，一般可用作功能件，常用材料有ABS，聚酰胺（PA），聚乳酸（PLA），聚對苯二甲酸乙二酯-1,4-環(huán)己烷二甲酯、聚苯砜（PPSF）等。目前，F(xiàn)DM工藝在塑料材料的研究上已經(jīng)取得了一定發(fā)展，打印的部分塑料制件性能已達到或優(yōu)于傳統(tǒng)工程塑料。如美國Stratasys公司專為3D打印制造設(shè)計而研發(fā)了ABS-M30，其強度（包含了張力強度、撞擊強度以及彎曲強度）較標準ABS提高了約67%，采用FDM工藝制造的ABS-M30制品可以達到產(chǎn)品的性能要求；該公司還研發(fā)了支持FDM技術(shù)的聚碳酸酯（PC）工程塑料，用該材料生產(chǎn)的原型可達到并超過用ABS注塑成型的強度［12］。

SLA工藝是液態(tài)光敏樹脂的光固化成型過程，在三種工藝中打印精度最高。SLA技術(shù)專用光敏樹脂種類較多，性能各異，雖然總體性能低于常用的工程塑料，且進行機械加工時容易發(fā)生斷裂，但部分光敏樹脂固化后性能類似于工程塑料。美國DuPont公司研發(fā)的SOMOS系列中的Somos GP Plus是一種低黏度光敏聚合物，性能類似于工程塑料ABS和聚對苯二甲酸丁二酯［13］。

SLS工藝是粉末材料的選擇性燒結(jié)成型過程，熱固性塑料和熱塑性塑料都可作為SLS工藝的粉末材料。熱固性塑料（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等［11］）非常適用于粉末激光燒結(jié)過程中的打印成型。目前，用于SLS技術(shù)的熱塑性材料主要包括塑料及其與無機材料或金屬的復(fù)合材料，常用的有聚苯乙烯（PS），PA，PC，添加玻璃珠的PA等。SLS工藝中，采用PA粉末制造的制件可直接用作塑料功能件；采用PC，PS制造的制件經(jīng)過后處理，在一定程度上可作為塑料功能件。

3D打印用塑料以工程塑料中的ABS，PA，PC，PPSF，生物塑料的PLA，熱固性塑料中的環(huán)氧樹脂、液態(tài)光敏樹脂為主。從表1可以看出：三種工藝中，F(xiàn)DM工藝塑料制件雖然精度較低，但總體性能最佳，材料種類多，加工成本低，操作方便，是目前用于打印塑料制件最多的工藝。

表1 塑料制件3D打印工藝對比Tab.1 3D Printing processes for printing plastic part

4 3D打印塑料制件的不足與發(fā)展趨勢

4.1 材料方面

3D打印的塑料制品性能會受到塑料特性的限制［11］，由于塑料自身強度的問題，3D打印主要用于普通制品方面，特殊功能的制件非常少。目前，雖然對現(xiàn)有塑料不斷進行改性和完善，并研發(fā)了一些高性能的塑料，取得了一定的研究成果，但其性能仍難以滿足3D打印對塑料的各種要求，難以打印出功能齊全的塑料零件，從而限制了3D打印用塑料的工藝發(fā)展。因此，今后對3D打印用塑料的研究會側(cè)重在如何提高塑料的性能上，包括塑料耐熱溫度、強度等，不斷改善現(xiàn)有塑料的性能并合成新的熱塑性塑料［12］。

4.2 應(yīng)用推廣方面

由于塑料制件更換成本低，而塑料制件3D打印的成本普遍較高，不利于3D打印技術(shù)在塑料制件修復(fù)制造方面的應(yīng)用和推廣，所以如何進一步降低打印成本、提高打印效率成為今后塑料制件3D打印研究的問題。目前，3D打印技術(shù)普及程度較低，尤其在打印數(shù)據(jù)的建立方面具有一定難度，3D打印技術(shù)在塑料制件修復(fù)制造中的實際應(yīng)用較少。隨著3D打印技術(shù)的進一步發(fā)展和推廣，此局面會得到一定的改善。如低成本、易操作的FDM打印機將不斷進入到學校、家庭等場所，尤其是網(wǎng)上3D打印應(yīng)用商店的發(fā)展，使應(yīng)用3D打印的渠道更加便捷，且無需掌握3D打印技術(shù)就能享受到3D打印的服務(wù)。

5 結(jié)語

3D打印在塑料單件定制生產(chǎn)中具有快速、靈活等優(yōu)勢，并可借助RE技術(shù)和CAD建模技術(shù)獲取修復(fù)打印的模型數(shù)據(jù)，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)塑料制件修復(fù)制造工藝上的不足，提高其效率，具有實際應(yīng)用價值。隨著3D打印技術(shù)的進一步普及、成本降低以及3D打印塑料制件性能不斷完善，3D打印在塑料制件修復(fù)制造領(lǐng)域?qū)⒌玫礁嗟膽?yīng)用，尤其是在價值較高或具有紀念價值的塑料產(chǎn)品方面。