淺談3D打印技術(shù)應(yīng)用在軌道結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

王嬋

摘要：三維打印技術(shù)是一種利用金屬粉末或塑料等粘合材料逐層打印物體的技術(shù)，近年來在許多領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展。三維打印需要工件的表面信息。利用三線坐標(biāo)測量儀可以獲得外表面信息，從CT掃描中獲取內(nèi)表面信息。介紹了ICT技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用模式。CT系統(tǒng)對工件進(jìn)行掃描，生成一系列的CT圖像。圖像被加載到VGStudioMAX軟件中，以獲取內(nèi)部和外部表面信息。根據(jù)這些信息，工件將通過3D打印機(jī)打印。由于ICT系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，三維打印技術(shù)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);應(yīng)用;軌道結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

引言：

軌道結(jié)構(gòu)CT系統(tǒng)為產(chǎn)品提供了三維、高精度的掃描，形成了具有產(chǎn)品材料和結(jié)構(gòu)信息的高精度三維CT數(shù)據(jù)集。軌道結(jié)構(gòu)CT和3D打印技術(shù)是兩種互補(bǔ)的技術(shù)，在軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有很強(qiáng)的相關(guān)性。本文簡要介紹了三維打印技術(shù)的工作原理和應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了三維打印技術(shù)在軌道結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和發(fā)展中的優(yōu)勢。本文詳細(xì)介紹了軌道結(jié)構(gòu)CT和3D打印技術(shù)的綜合應(yīng)用，并介紹了ICT技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用模式。

1.3D打印技術(shù)

高精度軌道結(jié)構(gòu)CT和三維打印技術(shù)是世界上最先進(jìn)的三維掃描和三維制造技術(shù)。目前，三維打印的數(shù)字模型主要是由光學(xué)掃描提供的，通過可見光從掃描目標(biāo)周圍的360°角度拍攝圖像。三維表面結(jié)構(gòu)軟件計算、修改、生成數(shù)字三維物體表面圖像，并將數(shù)據(jù)傳送給3D打印機(jī)。3D打印機(jī)逐層形成固體。該方法僅能獲得物體的外部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并通過三維打印進(jìn)行構(gòu)造。對于復(fù)雜的物體，如具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的工件，很難處理。軌道結(jié)構(gòu)CT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體的高精度三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無需接觸和破壞物體，可以為三維打印提供高精度的數(shù)字信息。[1]

近年來，高精度軌道結(jié)構(gòu)CT和三維打印技術(shù)在各自的服務(wù)領(lǐng)域都得到了迅速的發(fā)展。在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造領(lǐng)域，這兩種技術(shù)還沒有得到有效的結(jié)合。但在技術(shù)上，軌道結(jié)構(gòu)CT和3D打印就像一對孿生技術(shù)，構(gòu)成了制造業(yè)的兩個發(fā)展方向。[2]

（1）高精度軌道結(jié)構(gòu)CT將產(chǎn)品分割成橫截面層，得到產(chǎn)品的三維數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模型。這是一個與真實(shí)物體的數(shù)字微分過程。

（2）三維打印技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，采用分層疊加技術(shù)制作產(chǎn)品。它是一個從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到真實(shí)對象的集成過程。[3]

軌道結(jié)構(gòu)CT和3D打印在設(shè)計和制造領(lǐng)域的結(jié)合，將完成“產(chǎn)品-軌道結(jié)構(gòu)CT掃描-三維數(shù)字模型-三維打印快速原型”的過程。該工藝綜合了軌道結(jié)構(gòu)CT和3D打印的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效、方便的新型設(shè)計和制造模式，提高了科研和制造設(shè)計領(lǐng)域的能力。[4]

2. 3D打印技術(shù)應(yīng)用在軌道結(jié)構(gòu)領(lǐng)域

在這篇論文中，我們提出了一種在稀疏的非重疊攝影機(jī)集合上追蹤和辨識軌道結(jié)構(gòu)的方法。通過非重疊視圖識別軌道結(jié)構(gòu)需要一種算法，該算法能夠處理由于姿態(tài)和照明變化而引起的觀察圖像的變化。我們建議使用軌道結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)來處理由于姿勢而引起的變化，而統(tǒng)計外觀模型則考慮到由于照明而產(chǎn)生的變化。我們?yōu)檐壍澜Y(jié)構(gòu)保留了一個指紋，包括三維結(jié)構(gòu)和外觀模型。提出了一種估計目標(biāo)三維存在性的算法。地平面約束為跟蹤提供了一個緊湊的狀態(tài)空間表示。結(jié)構(gòu)的在線恢復(fù)提供了明確處理相機(jī)姿態(tài)變化的能力。指紋在整個網(wǎng)絡(luò)中共享以生成一個觀察列表，當(dāng)新目標(biāo)進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域時，根據(jù)該列表對其進(jìn)行驗(yàn)證。以下是應(yīng)用軌道結(jié)構(gòu)CT掃描三維打印技術(shù)研究結(jié)構(gòu)的實(shí)例。

2.1打印3D在軌道交通鑄件開發(fā)和制造中的應(yīng)用

首先，像某些泵一樣的工件被高能X射線軌道結(jié)構(gòu)ctt系統(tǒng)掃描。通過錐束掃描和圖像重建，獲得了工件的一系列二維CT圖像. 傳統(tǒng)的三維打印CT圖像處理方法包括二值化、邊緣檢測、輪廓跟蹤等一系列過程。通過這些圖像處理，將CT圖像轉(zhuǎn)換成STL或CLI文件，通過切片程序進(jìn)行管理，最終轉(zhuǎn)化為機(jī)器讀取的掃描路徑。這種方法具有較大的精度失真，如何切割中間環(huán)節(jié)，提高打印精度一直是CT圖像和三維打印領(lǐng)域的主要問題。在對開源軟件CuraEngine進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，特別是它的一般思想和具體細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了直接將CT橫斷面圖像逐層打印到三維物體切片中的代碼，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法能正確生成gcode文件，對實(shí)體對象有較好的效果，但對空心文件仍存在一些問題。

采用 SLS 砂型打印技術(shù)、SLA 高分子剛性模具打印技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的組合模式，可以實(shí)現(xiàn)覆膜砂型（ 芯） 、蠟 模、模具的多品種小批量生產(chǎn)能力，常態(tài)服務(wù)于軌道交通鑄件的開發(fā)和生產(chǎn)中，并將砂型鏤空設(shè)計、自體支撐、梯度打印等專有技術(shù)進(jìn)一步深化，已拓展至汽車零部件等新產(chǎn)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域。

2.2金屬 3D 打印技術(shù)在軌道交通產(chǎn)品應(yīng)用的探索

金屬 3D 打印技術(shù)具備微區(qū)熔池的快速熔化 - 凝固特點(diǎn)，產(chǎn)品微觀晶粒細(xì)小均勻、溶質(zhì)偏析傾向小，輔助采用遠(yuǎn)離平衡態(tài)的溫場控制技術(shù)、支撐設(shè)計技術(shù)、合金化匹配技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)高性能金屬零部件的直接成型，產(chǎn)品精度、復(fù)雜程度、力學(xué)性能遠(yuǎn)高于鑄件產(chǎn)品。

結(jié)束語：

3D打印是一種快速發(fā)展的添加劑制造技術(shù)，它利用金屬或塑料等粉末材料來構(gòu)建基于數(shù)字模型文件的物體。3 Dprint是一種新興的高端制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)等領(lǐng)域。在過去的幾年里，這項(xiàng)技術(shù)悄然改變了制造業(yè)的格局。

參考文獻(xiàn)

[1]李業(yè)鵬.淺談3D打印技術(shù)在特戰(zhàn)裝備維修保障中的應(yīng)用[J].神州，2020，（22）：238，240.

[2]呂惠成，李斯琴.淺談3D打印技術(shù)在復(fù)雜創(chuàng)傷骨科教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2020，12（6）：18-20. DOI：10.3969/j.issn.1674-9308.2020.06.008.

[3]袁泉.淺談3D打印技術(shù)在復(fù)雜創(chuàng)傷骨科教學(xué)中的應(yīng)用[J].百科論壇電子雜志，2020，（6）：967-968.

[4]于羅欽.淺談3D打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造中的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2019，（13）：186-187. DOI：10.3969/j.issn.1671-0711.2019.13.099.