空間薄壁結(jié)構(gòu)成型3D打印工藝實(shí)驗(yàn)研究
——以紅船模型打印為例

陳天義，王 聰，張雨婷，杜訓(xùn)柏

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引言

在3D打印空間薄壁結(jié)構(gòu)模型過(guò)程中，因豎向結(jié)構(gòu)以及大跨度板結(jié)構(gòu)來(lái)不及固化，易彎曲變形和坍塌，導(dǎo)致成型控制是其3D打印的一個(gè)難點(diǎn)[1]。為慶祝建黨一百周年，江蘇省舉辦“中國(guó)共產(chǎn)黨在江蘇”主題展活動(dòng)，受江蘇省委宣傳部委托，江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院承擔(dān)2∶1縮小比例紅船模型制作任務(wù)。紅船模型上層建造跨度大、豎向支撐少，在模型縮小后，其尺度存在不協(xié)調(diào)、不美觀的問(wèn)題，為此，采用3D打印紅船模型，確定各主要尺度。

1 實(shí)驗(yàn)方法

基于江蘇省委宣傳部提供的紅船模型原始圖紙，并采用3D掃描儀掃描紅船模型，獲得紅船基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Solidworks軟件完成紅船模型的建模(見(jiàn)圖1)，并研究縮小尺度比例，使縮小后的紅船模型長(zhǎng)、寬、高以及內(nèi)部尺度比例協(xié)調(diào)。為驗(yàn)證模型尺度，采用3D打印法打印紅船模型。

圖1 3D掃描并建模

本項(xiàng)目研究路徑為：一是要找到便捷的方式來(lái)獲取紅船的各項(xiàng)精確數(shù)據(jù)，對(duì)于舷側(cè)板、扶強(qiáng)材等復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要后期進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)以及優(yōu)化；二是在數(shù)據(jù)采集完畢后，需要用與之相匹配的建模軟件來(lái)對(duì)紅船進(jìn)行三維立體建模，使數(shù)據(jù)貼合模型；三是在打印過(guò)程中采用不同的材料以期獲得最圓潤(rùn)的PLA模型；四是為了整個(gè)項(xiàng)目的效率以及提高打印模型的容錯(cuò)率，需要建立預(yù)測(cè)性模型并通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)模板達(dá)到預(yù)期效果，核心問(wèn)題即是把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為模型[2]。

實(shí)驗(yàn)在極光爾沃品牌G3型號(hào)的實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備具有5.8英寸彩色觸摸屏，UV平行光源，打印精度高，表面光滑度高，能打印各種復(fù)雜模型。設(shè)備打印速度快，有助于快速完成模型打印。實(shí)驗(yàn)設(shè)置參照組對(duì)比模型(見(jiàn)圖2)和9個(gè)對(duì)比工況(見(jiàn)表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

圖2 切片模型

采用3D掃描儀掃描紅船模型，使用Copy CAD來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)采集測(cè)量后，編輯數(shù)字化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用u、w向差值計(jì)算。在三維重構(gòu)中，首先將甲板、舷側(cè)肋骨、船底縱桁、內(nèi)底縱骨、船底板等數(shù)據(jù)輸入Copy CAD中，然后再對(duì)照修正有誤數(shù)據(jù)，最后輸出紅船的三維模型，通過(guò)在Copy CAD設(shè)定較小公差控制自動(dòng)產(chǎn)生多塊曲面精度，同時(shí)確保紅船各連接曲面之間正切的連續(xù)性。通過(guò)Copy CAD對(duì)紅船曲面進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，比較曲面與數(shù)字化點(diǎn)數(shù)據(jù)，報(bào)告最大限、中間值和標(biāo)準(zhǔn)值的背離以及錯(cuò)誤圖形形象地顯示變化。例如紅船舷側(cè)板曲面與數(shù)字化點(diǎn)數(shù)據(jù)不符，經(jīng)過(guò)比較就可以得到曲面的錯(cuò)誤所在。在三維重構(gòu)準(zhǔn)備完成后，就可以輸出STL文件，成為3D打印機(jī)可讀取的文件[3]。接著通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。繪制紅船各基準(zhǔn)面的視圖，如圖3所示。

圖3 紅船模型及各向視

由于3D打印機(jī)的打印空間有限，需要把紅船模型縮小10倍，才能達(dá)到打印要求。微小模型的高精度打印工作就是本項(xiàng)目中的重點(diǎn)、難點(diǎn)?？紤]所用的切片軟件的適配度，也就是上述所說(shuō)的建立預(yù)測(cè)性模型并通過(guò)Cura切片來(lái)預(yù)覽打印模型及時(shí)糾正打印數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，通過(guò)預(yù)測(cè)性模型不斷模擬并更正打印模型。在切片工程中，對(duì)紅船的層高、邊緣寬度、填充度進(jìn)行合理適配。同時(shí)也對(duì)打印材料進(jìn)行適配度調(diào)查，選擇PLA材料可以很好地支撐紅船的打印模型。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，打印出多個(gè)模型以期得到外形美觀的紅船模型。

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)走線寬度、支撐模型、支撐結(jié)構(gòu)等進(jìn)行過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到光滑、精確的外表面。而對(duì)于紅船的結(jié)構(gòu)脆弱問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)填充度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致船體本身脆弱，從而導(dǎo)致船體軟塌。填充度在60%～70%，紅船模型可以很好地支撐船體，但是整體仍然缺乏精密性。填充度在80%～100%之間既很好地使船身精密性很強(qiáng)，又能夠托住船體。后期再經(jīng)過(guò)砂紙打磨，使船體更加光滑，美觀度有所上升。在得到PLA紅船模型的基礎(chǔ)上，又實(shí)驗(yàn)打印了樹(shù)脂模型，在樹(shù)脂中打印有很好的隔絕效果，在樹(shù)脂中打印需要快速冷卻和干燥，可用吹風(fēng)機(jī)冷卻、冷風(fēng)、熱風(fēng)等方法來(lái)冷卻[4]。探索樹(shù)脂3D打印更加柔和且易于后期再操作。通過(guò)3D打印得到了多個(gè)整體美觀，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好的紅船模型。使用樹(shù)脂打印的模型(見(jiàn)圖4)要比使用PLA打印的模型(見(jiàn)圖5)要好得多，其細(xì)節(jié)更加的細(xì)膩。

圖4 采用樹(shù)脂打印的模型

圖5 采用傳統(tǒng)PLA方法打印的模型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)在各對(duì)照組實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)讓铀俣冗_(dá)到65 mm/min，回程速度140 mm/min時(shí)效果最佳，參照組的60 mm/min和70 mm/min都出現(xiàn)成型難的問(wèn)題。

(2)結(jié)構(gòu)尺度過(guò)大直接導(dǎo)致船模上層跨度大，豎向支撐少，尺度不協(xié)調(diào)的問(wèn)題突出。而結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)小又導(dǎo)致整體模型無(wú)法細(xì)致結(jié)構(gòu)。最終以1 660×330×420 mm的結(jié)構(gòu)尺度打印出精細(xì)的模型。

(3)同時(shí)在打印過(guò)程中切片大小、打印速度、堆砌厚度都影響著最終的成型效果。其中不同的凝固方法也是重要的一環(huán)。

根據(jù)紅船實(shí)物實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和3D打印論證的數(shù)據(jù)，學(xué)校邀請(qǐng)國(guó)家級(jí)木船制作大師參與和指導(dǎo)木質(zhì)紅船模型的制作，在江蘇省慶祝建黨百年“中國(guó)共產(chǎn)黨在江蘇”歷史展中展出。

圖6 制作的紅船模型

3 結(jié)語(yǔ)

空間薄壁結(jié)構(gòu)在3D打印中，因存在熱效應(yīng)，成型難控制的問(wèn)題，本文結(jié)合紅船模型的制作任務(wù)，通過(guò)打印紅船模型，來(lái)論證紅船縮比尺度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)填充度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致船體本身脆弱，從而導(dǎo)致船體軟塌。填充度在60%～70%，紅船模型可以很好地支撐船體，但是整體仍然缺乏精密性。填充度在80%～100%之間既很好地使船身精密性很強(qiáng)。在得到打印模型后，再通過(guò)精細(xì)化打磨得到了外觀完整，強(qiáng)度較大的紅船模型，為實(shí)物制作提供了數(shù)據(jù)支持。