基于木塑SLS的图片转浮雕模型3D打印及后处理研究

李健，赵一锦，赵永政，郭艳玲

( 东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

基于木塑SLS的图片转浮雕模型3D打印及后处理研究

李健，赵一锦，赵永政，郭艳玲*

( 东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

针对个性化浮雕模型在建筑、工艺行业的应用，首先将二维彩色图片转成灰度图，并将灰度图制作出相应的样式，生成浮雕及其三维模型。随后选择环保、可再生的木塑复合材料作为3D打印基材，通过选择性激光烧结的方法，研究合适的加工工艺，将已生成的三维浮雕进行3D打印。烧结加工参数如下：预热温度为80℃，扫描方向为X、Y方向交替，扫描路径优化为深度-广度混合原则，激光扫描速度2 000 mm/s，扫描线宽0.2 mm，激光功率12 w，分层厚度0.1 mm。打印后，使用高压空气清浮粉的方式清粉。最后经过渗蜡、活化处理等后处理工艺以保护基材，降低制件的表面粗糙度、降低材料孔隙率以提高力学强度，对浮雕模型进行化学镀铜，得到质地均匀的金属质感铜镀层。本文研究了个性化浮雕的的加工全过程及其中的关键技术，该方法适用面广、处理速度快、所用材料节能环保，并可根据不同需求进行不同后处理工艺，具有重要的研究价值。

木塑复合材料；选择性激光烧结；浮雕；化学镀铜；后处理

0 引言

3D打印(3D printing)又被称作增材制造，它以数字模型为基础，常使用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过激光照射等方式进行逐层叠加构造物体[1-2]。由于其忽视模型复杂程度，进行快速生成的优点，目前的3D打印工艺可应用于工业、医学、航天和军事等各个领域。常用的3D打印工艺可以分为熔融沉积成型、光固化立体成型、分层实体制造、电子束选区熔化、选择性激光烧结、激光选区熔化、金属激光熔融沉积和电子束熔丝沉积成型[3-4]。

本文选用的3D打印工艺是选择性激光烧结[5]。1986年，美国德克萨斯大学的研究生C.Deckard提出了选择性激光烧结的思想，成立了DTM公司，并于1992年推出了SLS[6]。相比于其他快速成型工艺，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上来说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料[7]。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、塑料、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料[8]。国内外对SLS成型加工材料的研究取得相应进展：DTM 开发了低熔点高分子蜡的复合材料以满足复杂结构、精细铸件的要求；EOS公司的新尼龙粉末材料可产生具有高精度和良好的表面光洁度的产品；华北工学院研制出了覆膜陶瓷粉末并投入使用；北京航空航天大学对聚碳酸酯进行了研究，通过改善其烧结工艺过程以提高成型件精度[9]。本文所选用的木塑复合材料[10-11]，是指采用木纤维或植物纤维与热塑性塑料复合作为原料，再加入各种助剂，经过不同复合方法制成的一种高性能、高附加值的新型复合材料。这种新型的代木材料表面硬度是普通木材的2～5倍；无开裂、翘曲现象，机械性能优于木质材料；降低了吸水性能和吸湿性能；具有可降解、对环境污染小、可再生、成本低和寿命长等优点；而且具有同木材相似的加工性能。

浮雕是指在空间中，可完全独立也可依附于某种载体，虽然有三维的立体形态，从本质上更具有二维的平面特性，适应于某种特定角度欣赏。浮雕造型工艺设计与生产在日常生活中的应用日益广泛，将浮雕作品形体与空间语言的创造性和浮雕作品与环境关系的创造性结合使得浮雕在装饰、工业上的意义更加突出。因此，基于3D打印的浮雕研究具有重要意义。

化学镀铜是指在没有外加电流的条件下，根据自催化氧化还原反应的原理，利用处于同一溶液的金属盐和还原剂在具有催化活性的基体表面上进行自催化氧化还原反应的原理，在基体表面形成金属铜的一种表面处理工艺[12-13]。对非金属基材进行均匀地化学镀铜首先要对其表面均匀地活化处理，同时以提高镀铜层质量。为保证化学镀铜的顺利进行，在此之前进行银氨活化处理。镀铜后的模型具有金属光泽，可以更好地保护基材。因此本文对模型进行化学镀铜后处理[14]。

1 基于木塑复合材料的SLS

1.1 木塑复合材料制备

本文所选用的木塑复合材料[13]是一种由木粉和聚醚砜(PES)热熔胶及其他添加剂混合而成的复合材料。木粉属于极性材料，PES属于非极性材料，两者的相容性较差，使得木粉纤维会阻碍PES熔体的流动。因此，木塑复合材料制备的关键问题是提高两者之间的相容性。对原材料表面进行预处理和改性剂的适量使用是提高相容性的有效措施。其制备工艺具体为：将碱化后的木粉与PES粉末按比例混合，并加入少许添加剂，放入高速混合机中，温度控制为60℃加热混合均匀后置于45℃环境中烘干，得到可用于SLS的木塑复合粉末。

1.2 SLS的工作原理

选择性激光烧结利用高能激光束的热效应有选择性地使粉末材料软化或熔化，粘结成一系列薄层并使其层层叠加而形成三维实体零件，工艺原理如图1所示。

图1 选择性激光烧结工艺原理示意图Fig.1 Schematic diagram of selective laser sintering process

工作时供粉缸上升，通过铺粉辊将粉末在成型缸上均匀铺上一层，高能激光束在计算机控制下根据制件各层截面的路径规划数据，有选择地对粉末层进行扫描，被扫描区域的粉末材料由于烧结或熔化粘结在一起，而未被扫描的区域粉末仍呈松散状，可反复利用。粉末扫描完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层，新加工层与前一层粘结为一体。重复上述过程，层层叠加直到加工出整个零件为止。最后，将未烧结的粉末回收到供粉缸中，取出成型件，进行适当后处理(如清粉、打磨等)[15-16]。木塑复合材料在选择性激光烧结过程中需经过物理熔融、化学交联和固化成型，其烧结过程可分为：固相PES在CO2激光器的作用下熔融成液相；木粉纤维颗粒调整位置并重新排列，各成分之间发生一定的化学反应而形成相应的化学键；形成固相而使颗粒黏结。

2 3D浮雕模型的生成

随着浮雕造型设计在工业生产中的应用日益广泛，浮雕的加工与数控技术的结合也更加紧密。虽然浮雕存在一种对“平面”或“墙面”的依赖关系，但3D打印和浮雕都属于立体造型，在形体、空间方面存在相似性，因此通过3D打印研究浮雕具有重要意义。

图2 彩色图片Fig.2 Color image

图3 灰度图Fig.3 Grey-scale map

图4 美化处理的灰度图Fig.4 Beautification processing grayscale

选择图2的照片作为研究对象，利用软件将彩色图片2制作成灰度图图3，再利用Photoshop中的图层样式、横排文字工具、栅格化、蒙版等命令在灰度图中添加“one penny”“2016”等文字，制作出图4；同样，选择图5所示的图片为研究对象，运用magics软件处理并输出“stl”格式的大白的3D模型图6，将大白3D模型导入Geomagic软件，点击右侧工具栏的矩形选框，在大白模型上框选出需要贴图的区域，在“多边形”下选择“细化”工具，并设置参数：4倍细分，点击“应用”。选择“偏移”，找到“浮雕命令”选项，加载图片，设置参数：点选“密度”选项，“修改图像”选择“负图像”。在之前用矩形框选出的面内，框选出图片的位置，图片的大小可以根据实际的情况调整好导入。点击“应用”可以查看效果，如果可以，点击“确定”。在“多边形”下的“去钉状物”等修复功能使浮雕效果更佳完善。如图7所示。

图5 大白二维图片Fig.5 Big White two-dimensional picture

图6 大白三维图片Fig.6 Big White three-dimensional picture

图7 三维浮雕效果模型Fig.7 Three-dimensional emboss effect model

3 木塑复合材料选择性激光烧结实验

实验使用的木塑复合材料为粉末状(160目)，木与塑的比例为1∶4，并添加适量添加剂(偶联剂等)。

打印前，首先将建立好的模型进行切片和路径规划，将实验制备的木塑复合材料通过选择性激光烧结法制备成型件，其中烧结加工参数如下：预热温度为80 ℃，扫描方向为X、Y方向交替，扫描路径优化为深度-广度混合原则，激光扫描速度2 000 mm/s，扫描线宽0.2 mm，激光功率12 w，分层厚度0.1 mm。

打印后，使用高压空气清浮粉的方式清粉，由于木塑复合材料内部呈多孔状态，本身强度不高，表面光洁度较低，另外，化学镀铜过程中，需要在强碱溶液中进行，本文对木塑基材进行渗蜡后处理以保护基材不受强碱溶液破坏，故将制件融于70 ℃的石蜡中进行渗蜡处理以降低制件的表面粗糙度、降低材料孔隙率以提高力学强度。

4 模型后处理

化学镀铜需要在具有催化活性的基体表面上进行，而木塑复合材料为非金属，不具有催化活性，因此必须对其表面进行适当的预处理方可进行化学镀铜[16-17]。为了使化学镀铜反应在基体表面上顺利进行，必须在基体表面上形成一层金属微粒作为铜沉积的催化还原中心。化学镀前的活化[18]对化学镀本身影响极大。活化效果的好坏直接关系到化学镀能否进行，镀层是否均匀，镀层与基体结合力是否达标等。本文采用的活化处理方法为银氨活化法，在洁净的烧杯中加入3.00 g/L 硝酸银溶液300 mL，缓慢加入氨水并振荡至溶液澄清，即得活化用银氨溶液。在室温(约24 ℃)下对基材活化10 min。本文采用分析纯试剂和蒸馏水配制化学镀铜液，具体配方和工艺条件为：CuSO4.5H2O 15 g/L，37%(质量分数)甲醛15 mL/L，酒石酸钾钠15 g/L，乙二胺四乙酸二钠20 g/L，亚铁氰化钾0.01 g/L，NaOH 适量，pH为11.5～12.0，装载量3 dm2/L，温度50 ℃，时间20 min。以甲醛为还原剂的化学镀铜工艺的优点是原料易得，较便宜，工作温度较低。化学镀铜完毕后，充分水洗镀片10 min，置于恒温烘箱中50 ℃干燥1 h。处理前模型如图8所示，得到处理好的模型如图9所示。

图8 处理前模型Fig.8 Model pre-processing

图9 镀铜模型Fig.9 Copper plating model

5 结论

3D打印技术的应用日益广泛，本文研究了将二维图片转换为3D浮雕的方法。由于SLS的分层烧结思想，能够实现复杂形状零件的快速制造，本文利用SLS打印出实际浮雕模型，使图片的内容更加形象化、多样化，烧结过程中选用了具有成本低廉、抗老化、尺寸稳定性好，容易着色，具有木材的质感且可循环利用等优点的木塑复合材料作为打印材料。为在非金属基材上进行化学镀铜，在镀铜前须进行渗蜡和银氨活化预处理，本文使用化学镀铜的后处理方式使已打印的模型表面金属化。

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3D Printing and Afterprocessing Research Based on Wood-plastic SLS Images Turning to Emboss Model

Li Jian1，Zhao Yijin，Zhao Yongzheng，Guo Yanling*

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In the view of the application of the individual emboss model in the construction and process industry，the two-dimensional color images were firstly transformed into grayscale images，and then the corresponding patterns were produced by grayscale images to generate emboss and 3D model.Secondly，choosing the environmentally friendly，renewable wood-plastic composite materials as 3D printing materials，studying the appropriate processing technology，3D printing was generated based on the selective laser sintering method.The sintering parameters were as follows：the preheating temperature was 80 degree，the scanning direction is X and Y direction alternates，the scanning path was optimized for the depth-breadth mixed principle，the laser scanning speed was 2 000 mm/s，the scanning line width was 0.2 mm，the laser power was 12 w and the layer thickness was 0.1 mm.After printing，high pressure air was used to clear floating powder.Finally，after the waxing，activation treatment and other post-treatment process to protect the substrate，reducing the surface roughness of the workpiece and the porosity of the material to improve the mechanical strength，the emboss model was electroless coppered and obtained a uniform texture of the metal copper coating.This paper studied the key technologies of personalized emboss processing，which had the wide application and fast processing speed and used energy-saving and environmentally friendly materials.Different treatment processes could be carried out according to different requirements，which had important research value.

Wood-plastic composite material；selective laser sintering；emboss；electroless copper；afterprocessing

2017-02-24

中央高校基本科研业务费专项资金(2572015BB05)；国家自然科学基金项目(51475089)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(博导类)(20130062110006)；中国博士后基金项目资助(2015M571382)；东北林业大学大学生科研训练项目(2572015BB05)。

李健，博士，副教授。研究方向：增材制造。

*通信作者：郭艳玲，博士，教授。研究方向：增材制造。E-mail：251231848@qq.com

李健，赵一锦，赵永政，等.基于木塑SLS的图片转浮雕模型3D打印及后处理研究[J].森林工程，2017，33(4)：70-73.

S 784；TQ 153.14

A

1001-005X(2017)04-0070-04