3D打印技术的实例应用研究*

宋　科，杨邦成

(昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500)



3D打印技术的实例应用研究*

宋科，杨邦成

(昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500)

摘要：3D打印技术作为21世纪最为前沿和最具潜力的技术，是目前先进制造技术的重要发展方向。作为第三次工业革命的领跑者，3D打印技术正在快速改变着人们传统的生产方式和生活方式。采用Maya软件根据素材图片进行高精建模，将模型以STL格式导出后，采用打印机自带的处理软件进行模型切片处理，并对模型大小等参数进行调整，最后采用3D打印机进行增材制造。根据产品的实物模型，可对其外观造型和结构进行改进和调整，提高了产品的设计效率，实现了模型外观造型和结构一体化设计流程。充分展示了3D打印技术在个性化设计制造方面的应用优势，并且列举了其在教育、医疗等行业中不可估量的应用前景，这必将对社会的发展产生深刻的影响和推动作用。

关键词：3D打印；Maya；增材制造；设计；应用前景

3D打印技术作为一种新型的快速成型技术，被英国著名杂志《经济学人》称为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D 打印的未来发展将使大规模的个性化制作与生产成为可能，在工业设计、建筑、航空航天、医学和教育等领域具有广阔的应用空间[1]。近年来，3D打印在全世界范围内引起广泛关注。发展3D打印产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力；可以生产复杂、特殊和个性化的产品，有助于攻克技术难关[2]。

3D打印技术，学名为快速成型技术(Rapid Prototype)，也称为增材制造技术，它是一种以三维数字模型为基础，运用粉末状金属、塑料或者其他合成材料等作为原材料，通过打印机连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术。最早的3D打印机出现在20世纪80年代，是一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等打印材料，与电脑连接后，通过电脑控制使原材料一层一层的叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D 打印无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率，降低生产成本[3]。目前，3D打印技术主要应用于产品原型、模具制造、艺术创作和珠宝制作等领域，替代这些领域传统的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度[4]。为了更好地探究3D打印技术的实际应用，笔者应用Maya软件对素材进行高精建模，并对模型进行了实体打印，实现了模型外观造型和结构一体化设计流程，并展望了3D打印技术的未来发展及应用前景。

1三维建模

本文选取了电影《星球大战》中某动物图片素材作为本文的实例(见图1)。应用Maya软件对素材进行了高精度建模，后期使用ZBrush软件进行模型微调来保证模型的精度。三维建模是制作实体模型的基础，其好坏直接影响3D打印的效果。本文采用多边形(Polygon)进行建模，这种建模方式相对于其他建模方式是比较容易的，且它的拓扑结构没有严格的限制，即使是在创建非常复杂的表面细节部分时，也可以任意加线、减线，以达到造型的目的。

建模时，首先分析建模的步骤，以确定先做素材哪个部位及每个部位的细节；然后进行分部位建模；最后再将模型拼接到一起，此阶段可将不同部位命名后，以便后续的操作更为便捷。同时，还应注意模型单元的细节处理，尽量保证模型表面的基础单元都为四边形面，不应出现三角形面。建好的三维模型如图2所示。

图1　素材图片

图2　Maya模型

2增材制造

将处理完毕的三维模型导出为STL(Stereo Lithography)格式，STL是快速成型设备所支持的通用模型文件格式，也是快速成型系统的标准输入文件之一。STL将实体表面数位化，以三角网格面代替原有模型的四边形面来补缀构成实体表面模型，从而表现三维模型，其中曲率变化大的模型需要较多的三角形，转换精度设置越高，三角面的数量越多，所形成的多边形模型也就越精确[5]。之后将STL输入3D打印机自带的模型处理软件进行模型切片处理，调整模型的打印尺寸(模型高度设置为5 cm)，打印精度设定为0.1 mm，打印形式设置为非实心打印(模型内部不是实心的)。设定完毕后开始打印，整个模型打印耗时大约5 h。打印机实物图如图3所示。

图3　打印机实物图

本文所选的3D打印机采用的是熔融堆积成形技术，它是一种不依靠激光作为成形能源，将各种丝材(本文所选材料为PLA)加热熔化进而堆积成形的方法，简称FDM[6]。其技术原理如图4所示，将STL数据导入到3D打印机的控制软件中，对其处理后自动生成支承材料和加热喷头路径，热塑性丝状材料由供给机构送至加热喷头，加热喷头会在计算机的控制下根据三维造型的截面轮廓信息做平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中以>230 ℃的温度加热，并熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成形完成后，工作台下降一定高度，继续下一层的熔覆，用热熔的材质一层层堆积出截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

图4　熔融堆积成形技术原理图

打印过程(见图5)分3个阶段：1)打印机开始打印后，打印出模型底座作为整个模型的支承结构(见图5a)；2)打印工作进行到一半(见图5b)；3)打印快完成阶段(见图5c)。打印完成后的模型成品如图6所示，取出后去除支承材料，用小锉刀加以修饰，最后得到和三维模型一样的成品，后期还可根据要求和条件对其进行上色处理，使其效果更为逼真。

图5　打印过程

图6　成品图

3应用前景及展望

3D打印技术的出现为现代社会提供了一种有效的手段和创意平台，解决了产品开发阶段中需快速得到三维概念模型的核心问题。设计人员在制作过程中能直观了解真实的材料和结构，及时对设计尺寸、形态和工艺进行改进和完善，从而少了不必要的更改循环过程。与传统制造技术相比，该技术具有十分明显的优势：1)用户可以通过任意三维建模软件设计所需产品，进行个性化设计，快速打印出传统制造技术无法制造的成品，满足广大设计者的需求；2)3D打印技术能极大地缩短产品的研制周期，传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型和修整等工序，制作周期长，而3D打印则去除了模具的制作等过程，使得模型的生产时间大大缩短；3)通过对便捷的成品原料进行有效的利用，可以提高材料的使用率，减少浪费。3D打印技术由于摒弃生产线而降低了成本，大大减少了材料浪费，提高了生产率，降低了生产成本，可以进行原材料的高效利用。

在教育、医疗、电器、船舶、汽车、通信技术、航空航天和军工等领域，3D打印技术被越来越多地应用到实际应用和研发生产中。在医疗领域，国内一些高水平的医院使用3D打印技术，通过扫描，为患者提供B超胎儿3D模型或者病变组织模型，极大地提高了医疗的诊断能力。同时，通过3D打印可为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。近年来，3D打印技术已在骨骼、血管、肝脏和乳房构建等方面取得了长足的进展[7]。试想不久的将来，可以完全实现人体器官的打印，替代病变、癌变组织，实现复杂器官的功能。在教育领域，我国有很多高校和一些中小学已经引进了3D打印设备，开展了多个学科的教学和研究工作。利用3D打印技术，对学生的学习起到了推动作用，大大提高了学生的创造力和动手能力。与传统教学相比，3D打印技术的引进更能锻炼学生的空间思维，并能营造良好的学习体验，同时也可帮助教师创造新颖的教学内容，实现教学方法的改善[8]。在汽车、船舶、航空航天和军工制造等装备制造业中，由于使用的零部件种类多、要求高，往往需要进行反复测试。3D打印技术的应用可以大大提高产品研发速度，直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计，化解技术难题，实现关键性能的突破。

4结语

综上所述，可以得出如下结论。

1)通过对3D打印技术应用实例的深入分析，详细研究了打印过程中的细节问题，并展示了模型素材外观造型和结构一体化设计流程，充分体现了3D打印技术在个性化设计制造方面的应用优势。

2)近年来，随着3D打印技术在各行各业不断的发展，尤其是应用技术和商业发展的结合造就了大批量的个性化定制商业生产方式。3D打印技术的发展将带来全新的“概念→设计→管理→制造”模式，促进产业更快地响应市场的供需，使生产模式、商业模式等多个方面发生根本性的变化，将在教育、医疗、电器、船舶、汽车、通信技术、航空航天和军工等众多领域发挥举足轻重的作用。

3)随着3D打印技术及其附属产业的发展，新的电子技术、成形控制技术和先进材料制造技术等将被广泛地应用到各行各业，3D打印技术也将被推向更高的发展层面。不久的将来，3D打印技术将实现精密化、智能化、通用化以及便捷化等多元一体的概念，这必将对社会的发展产生深刻的影响和推动作用。

参考文献

[1] 王萍. 3D打印及其教育应用初探[J]. 中国远程教育, 2013(8):83-87.

[2] 王忠宏, 李扬帆, 张曼茵. 中国3D打印产业的现状及发展思路[J]. 经济纵横, 2013(1):90-93.

[3] 童宇阳. 3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J]. 现代教育技术, 2013,23(12):16-19.

[4] 王雪莹. 3D打印技术与产业的发展及前景分析[J]. 中国高新技术企业, 2012(26):3-5.

[5] 韩二豹. 自顶向下设计与快速成形技术的应用研究[J]. 新技术新工艺, 2015(1):96-100.

[6] 赵舒迪, 刘冠军, 李学胜, 等. 三维打印技术浅析与应用于新产品开发的探索[J]. 机械制造, 2014, 52(12):54-57.

[7] 王镓垠, 柴磊, 刘利彪, 等. 人体器官3D 打印的最新进展[J]. 机械工程学报, 2014, 50(23):119-126.

[8] 卜娟娟, 肖瑞雪, 麻娟, 等. 3D打印技术在中小学教育中的应用研究[J]. 软件导刊, 2014(12):94-95.

* 国家自然科学基金项目(E090801)

责任编辑彭光宇

The Study on the Application of 3D Printing Technology

SONG Ke，YANG Bangcheng

(Faculty of Civil Engineering and mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract：3D printing technology，as the most advanced and potential technology in the 21st century，presents the most important direction of modern advanced manufacturing technologies. As the third industrial revolution leader, 3D printing technology is rapidly changing our traditional production mode and life style. Maya software is used to construct the high precision mode of source material. After exporting STL format, the software with the printer is used to model slicing processing and adjust the size of the model parameters. Finally, 3D printer is used for additive manufacturing. According to the physical model of the product, appearance and structure of the product can be adjusted and reinforced. This will improve the efficiency of product design and realize the model of appearance and structure design process, which has fully demonstrated the 3D printing technology application advantages in personalized design. And list the application prospects immeasurable in education and medical industry, which will have a deep impact and promoting role on the development of the society.

Key words:3D printing technology， Maya， additive manufacturing， design， application prospect

收稿日期：2015-05-27

作者简介：宋科(1989-)，男，硕士研究生，主要从事材料加工及其力学行为等方面的研究。

中图分类号：TB 21；TF 306

文献标志码:B