常规几何造型与3D打印实物制作

胡晓旭+陈威+曹向阳

摘 要：3D打印（3D printing），是快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造实际物体的技术。此次打印先进行模型结构设计，然后再通过UG进行三维模型构造，之后利用Click和ReplicatorG进行数据处理，最后使用普及型3D打印机3D-YUNDL-24打印模型。此次3D打印的结构设计分为简单的结构设计、复杂曲面的设计、典型的零件设计和减速器装配。其目的是向人们证明3D打印技术巨大的潜力，在制造领域将人们的注意力转移到3D打印上，从而促进3D打印技术的发展。

关键词：3D打印 结构设计 模型打印

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0096-02

3D打印（3-Dimensional Printing）学名是增材制造（Material additive manufacturing），是指将打印材料一次性熔聚成型的快速制造技术，是一种与传统去除加工方法相反、基于“三维数字模型”使用塑料或粉末状金属等可粘合材料，运用逐层制造方式将材料结合起来的加工技术，是由大批量、模范化制造模式向个性化制造模式发展的引领技术[1]。3D打印过程分为结构设计、切片处理和完成打印。3D打印的设计过程是：先通过计算机建模，再利用数据处理软件将建成的三维模型划分成逐层的截面，就是切片，进而指导打印机来进行逐层打印[3]。

该文基于3D打印技术，进行了不同类型的几何造型设计，并通过3D打印机实现了实物制作。

1 所用软件及3D打印设备

利用UG软件进行三维建模，建模时在“草图”上绘制草图，之后运用“拉伸”或“旋转”来构造模型。模型建好后运用“文件”里面的“导出”，选择“STL”格式，之后就可以进行数据处理。所使用的3D打印机用来处理打印数据的软件是Click和ReplicatorG，而为了运行ReplicatorG，还需安装Java和Python。

此次打印使用的是普及型3D打印机3D-YUNDL-24，属于挤压成型。此次打印使用的材料是聚乳酸也称为聚丙交酯（Polylactide），属于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等为原料，是理想的绿色高分子材料。

2 典型的结构设计

就普及型3D打印机3D-YUNDL-24而言，对模型有2个要求。

一是模型尺寸不能太大。受到打印机尺寸和打印速度的限制，模型尺寸不能太大。打印的模型尺寸若是太大，则打印时间就会太久。模型构造时应考虑尺寸大小，同时在数据处理时，在软件ReplicatorG里可以查看打印时间。

二是打印的模型形状不能是中空的。在构造模型时可以出现悬空的部分，但不能出现中空的结构。在3D打印机打印时对于模型悬空的部分可以通过打印支撑来解决，打印时，打印机通过打印支撑可以将悬空的结构打印在支撑上，虽然存在可以将支撑打印在已打印好的模型结构上，但是就普及型3D打印机3D-YUNDL-24的支撑不可以打印在已打印好的结构上，故不能出现中空结构。

绘制模型的初始阶段构造了简单的大部分由直线和平面组成的结构设计，包括匕首、短剑以及鞘。在用UG绘制过程中，主要用到了“拉伸”和“扫略”功能。对于匕首的设计采用的是现代匕首样式（见图1），单刃曲线结构，设有退血槽、剪切孔和倒刺；护手采用一大一小两个刀环的结构，全长114 mm，其中刀柄长42 mm，刀刃长72 mm；刀刃和刀柄部分高度都是14 mm；刀刃部分最宽的部分宽度是3.5 mm。

復杂曲面设计选择的是机器猫的设计（见图2），其特点是多曲线，难点是细节上的修饰。对于机器猫的形状和比例选择，先是在网上查找机器猫的手办；经过大量观察机器猫手办，最终确定其形状尺寸和建模方法。其结构为：头部设计为直径30 mm的球；身体为多曲线的形状，其高度是10 mm，长21.8 mm，宽15 mm；之后是脚，同样为多曲线，高度是2.5 mm，长24 mm，宽22.5 mm；其余便是一些细节上的处理，胸前的口袋选半径是5 mm的下半圆，尾巴为直径8 mm的球，鼻子是直径4 mm的球，手取直径7 mm的球；胡须、嘴和眼睛选择画出轮廓之后拉伸求差，使其向下凹下去来表示；瞳孔选择画出轮廓后拉伸求和，使其向外突出0.5 mm；而手臂也是通过旋转来完成的，先在草图上绘制出一平行四边形，以其中一长边为中心线旋转，就可得到手臂结构。

零件的设计中设计了经典的齿轮、轴、轴套和键，并且创造性的将轴和键设计成一个整体加工（见图3）。其中，轴套要求内圆直径是11 mm，外圆直径是15 mm，数量是4个；而轴的直径和长度则是要根据与其配合的齿轮来计算，但设计的理想轴径是10 mm，数量为3根，长度分别为55 mm、45 mm、55 mm。

对于外壁的装配机构，选择将左、右两侧壁设计为有向内凹陷的2 mm槽，其余四壁设计为方向外凸出的1 mm厚薄板与两侧壁配合。各壁厚为5 mm，前、后壁与轴Ⅱ配合的位置向壁内内凹2.5 mm来进行轴向和径向定位；与轴Ⅰ和轴Ⅲ接触的位置则设计为有槽孔的通孔。同时由于减速器的减速效果不明显，故另设计一示意轮两个和拨动示意轮旋转的轴Ⅳ。同时将减速器上壁设计安放示意轮和轴Ⅳ的内凹结构。

3 实物制作

在打印之前需将用UG建好的模型输出为STL格式，之后再用Click和ReplicatorG软件进行数据处理，转换成3D打印机能识别打印的xj3dp格式文件。实际打印前需要将模型转换成3D打印机能够识别的xj3dp格式文件，之后利用3D打印机打印模型。通常情况下，首先打印支撑，之后是外层结构，设置为两层外壁；外壁打印完后则会在壁内打印支撑，最后仍是外壁。模型的填充率是10%，也就是说打印的模型只有10%的填充物。

打印过程中需要时刻在3D打印机前观察打印机工作状况，检验3D打印机是否正常打印、有无堵丝等情况发生。打印时会出现基板不粘丝和打印头堵丝的问题。基板不粘丝原因是工作台基板不平或者是打印材料质量不合格。若打印材料质量不合格则只需换另外的材料就可；倘若是基板不平则需要调平。打印头堵丝原因一是换丝时操作不当；原因二是材料质量不好。打印效果如图4和图5所示。

4 结语

该文介绍了3D打印技术的历史、原理、发展现状、应用领域，对打印机和打印材料类型进行说明，进行简单结构设计、复杂曲面设计和典型零件设计，并使用使用普及型3D打印机3D-YUNDL-24和PLA打印材料，进行实体3D打印，将模型实际打印出来。其目的是通过对3D打印技术的介绍，并结合实际打印过程，向人们证明3D打印技术巨大的潜力，在制造领域将人们的注意力转移到3D打印上，从而促进3D打印技术的发展。

参考文献

[1] 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.

[2] 刘星.工业设计在三维打印时代面临的发展变化[J].包装工程，2011，32（12）：104-107.