基于3D打印技术的橡胶材料CAD建模的应用

邢珂

摘要：3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。本文基于3D打印技术原理，详细介绍3D打印技术在橡胶材料CAD建模中的应用方法，为3D技术在生产领域的广泛应用提供有价值的技术资料。

关键词：3D打印技术；橡胶材料；CAD建模

随着市场结构的调整，制造业的生产时间不断缩短，成本也随之不断降低，传统制造模式亟待转型发展，以适应瞬息万变的市场形势。3D打印技术在工件建模生产中的应用，恰恰是传统制造业实现转型发展的有效路径。最近几年，3D打印技术以高精度、低成本等技术优势，自问世以来在全球科技领域备受瞩目。它不同于“去除法”等传统切削工艺，而是按照三维立体模型用特定的材料逐层堆叠成所需的实物，因此被成为“3D打印技术”。形象的讲，我们可将3D打印的实物视作若干个2D打印平面堆叠而成的物体。具体操作工法是：先在计算机系统中构建三维模型， 再借助3D打印机将模型打印出来，将其转换成实物。目前3D打印技术已在工业制造领域逐渐普及应用，只需简单的三维设计和操作工艺即可快速制造出理想的工件。本文结合3D打印技术基本原理，以橡胶工件实物制造为例，具体介绍CAD建模和3D打印技术在橡胶工件生产制造中的应用方法，在方法和技术方面为3D技术在生产制造行业的普及应用提供参考资料。

1 3D打印技术原理综述

3D打印系一种基于数字模型的快速成型技术。它通过塑料、粉末状金属等具有粘合性质的材料对照三维模型逐层将其打印成实物。所以我们可以说3D打印是基于数字技术实现的，在生产制造领域有很好的发展前景。它能够按照消费者的意愿制造实物，给用户带来革命性的体验。严格来讲，3D打印技术的问世及应用，其根本目的是充分发挥自身“快、精、准”的技术优势，在材料和制造柔性等方面弥补传统制造工艺的不足，使传统制造业尽快实现转型升级，而并并非与之一较高下或将其取代。

2 3D建模技术在橡胶材料生产过程中的应用

以橡胶口哨的制造为例，对CAD建模和3D打印技术的制造工艺进行如下分析：口哨的3D打印必须借助专业的CAD制图软件构建口哨的三维模型，再通过3D打印机将三维模型转换成实物。另外，也可以通过灵活使用打印材料，可以创造具备传导型、韧性、内嵌数据和半透明特性的3D打印物体。目前制造行业通用的三维设计软件主要有中望3D 、Solidworks，NX等。中望3D设计软件产自国内，它支持自由曲面建模功能，能够根据企业需求进行曲面建模，而且相对于由国外引进的Solidworks，NX等软件来说，国内的设计软件更容易上手操作，而且功能更灵活轻便，在2013版本中，可将三维模型直接输出到3D打印机中打印实物，除了满足快速打印的要求，用户与打印机之间的交互更直观。本文就选择中望3D进行橡胶材料三维建模和3D打印方面的研究。 首先根据《三维CAD设计在塑胶产品行业的应用》设计出橡胶材料的口哨的三维模型。

鉴于3D打印机只能识别STL文件，在三维设计中，需要在中望3D软件将口哨三维模型转换成STL文件，再在3D打印机（Print3D）中输入该文件，使三维设计软件与3D打印机的作业流程无缝衔接，最后在3D打印软件的操作界面上自动编程。

在3D打印操作界面中点击“文件”输出STL文档，系统会自动将STL文档输入到3D打印機中进行打印前的技术处理，一切妥当后即可开始打印。相对来说，其它厂商的3D打印软件，在输入STL文档时需要手动操作，而中望3D软件是自动完成。

Stratasys公司的dimension elite是操作3D打印流程的系统，由CatalystEX软件控制。将StL模型倒入到CatalystEX软件。如果采用默认的产品定向打印，底部需要生成较多的支撑材料。出于减少支撑材料，我们调整下产品定向。将产品绕着Y轴旋转180度，调整设计参数后即可生成模型包。从模型包信息可以很方便的看出，打印“哨子”需要模型材料0.7cm3，支撑材料0.92cm3，最终形成橡胶材料的口哨产品。

口哨的制作工艺看似简单，若按传统制造工艺，从产品设计，到注塑参数调试，再到最后形成的实物，是一个相当费工费时的过程。采用CAD模型设计和3D打印技术后，传统生产过程只需一两天即可得到实物。CAD建模系统与3D打印机具可灵活组合，易上手操作，可针对各类曲面进行三维建模，在节省工件制造时间和降低制造成本的同时，能够保证工件的精度。这是目前许多注塑制造企业纷纷更新机床设备，积极应用3D打印工艺的主要原因。

3 3D打印常见问题及解决方式

3.1 3D模型打印出现层错位

3D模型打印出现层错位的原因是：切片模型错误；.喷头移动太快；.打印中途喷嘴被强行阻止路径；电压不稳；机械问题；.主板问题。工控过程中只需要针对问题的表象快速锁定问题的类型，进而采取调校措施即可。

3.2 大象脚

当模型的最底层向外微微凸出，这种现象则称为“象脚”。解决措施：平衡打印平台温度和风扇转速；打印平台调平；检查喷嘴高度；倒角的模型设计。

4 结语

从三维设计到3D打印机参数配置，再到最后形成实物，在未来发展阶段要将3D打印技术大规模应用到工业制造领域，还需要相关企业在技术应用方面倾力合作，除了打印层错位、大象脚等常见技术问题，还需要需要解决更多技术问题，但是3D打印技术的应用前景已得到业界的广泛认可，这为其在各行各业中的推广应用奠定了良好的根基。

参考文献：

[1]黄文恺，朱静. 3D建模与3D打印技术应用[J].课程教学研究，2016，（06）：98.

[2]张颖伟.大数据与3D打印建模与质量控制[A].中国自动化学会.2015年中国自动化大会摘要集[C].中国自动化学会，2015：1.