3D打印抓斗造型探索

摘  要：3D打印是一种新兴的增材制造技术。本文结合天津港第四港埠有限公司引进的天津博诺智创3D打印机，主要探讨了使用其进行抓斗造型的具体步骤和关键问题，提出了用胶水粘贴方法代替零件连接得到抓斗模型，该模型能简单模拟抓斗作业过程。文章通过反复思考分析，根据造型中的失败情况，总结了本次3D抓斗造型打印的最优参数，结合自身经验提出了下次造型的改进建议。

关键词：3D打印;抓斗;支撑;PLA材料

中图分类号：TH122;TP391.73      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0187-03

Abstract：3D printing is a new manufacturing technology of augmented materials. Combining with Tianjin Bono Zhichuang 3D printer introduced by Tianjin Harbour Fourth Stevedoring Co.，Ltd.，this paper mainly discusses the concrete steps and key problems of grab modeling by using it，and puts forward a grab model which can simply simulate the grab operation process by using glue pasting instead of connecting parts. This paper summarizes the optimum parameters of 3D grab model printing based on repeated thinking and analysis，and puts forward suggestions for improvement of the next model according to its own experience.

Keywords;3D printing;grab;support;PLA materials

1  研究背景

天津港第四港埠有限公司為普及知识，引导青年科技人才理解3D技术，响应集团“提质增效”要求和国家“双创”方针，采购了天津博诺智创3D打印机，搭建了3D众创空间平台。

3D打印技术，又称快速成型技术或增材制造技术，是20世纪80年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术，它是指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计（CAD）模型或计算机断层扫描（CT）等数据，通过材料的精确3D堆积，快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术。3D打印技术的基本制造过程是按照“分层制造、逐层叠加”的原理，可以根据CT等成像数据，经计算机3D建模转换后，再以STL格式文件输入到计算机系统中，并分层成二维切片数据，通过计算机控制的3D打印系统进行逐层打印，叠加后最终获得三维产品。

天津博诺智创3D打印机采用熔融沉积打印（FDM）方式进行打印，打印机内侧顶端有一个热熔喷头，塑性纤维材料经融化后从喷头内挤压而出，并趁机在配置的玻璃板上进行固化成型。这种方式是目前最常见的3D打印技术，其优点是技术成熟度高，成本较低，便于新手操作和了解3D打印技术，成型方式类似挤牙膏，生成难度相对较小，便于3D打印的初学者进行使用;缺点是成型件的表面有明显的条纹，产品层间的结合强度低，打印速度慢，打印出来的产品机械强度不高。

2  3D打印抓斗造型

本人作为3D众创空间的一员，在2017年3-4月进行了抓斗3D造型，探索了技术应用过程。

2.1  3D打印抓斗造型步骤

首先结合抓斗实体和图纸，了解抓斗基本结构和工作原理，通过查找工程图纸和现场测绘掌握抓斗尺寸，然后使用SolidWorks软件绘制抓斗三维零件图，把文件转换为STL格式，使用Cube Pro软件进行切割，最后通过计算机控制的天津博诺智创3D打印机进行打印并获得3D模型。打印机操作的步骤是：首先在打印机支撑板上涂满胶水，确保胶水涂抹均匀、厚度达标，其次是机器开始预热支撑板，预热完成之后融化塑性材料（PLA材料或ABS材料）进行打印，最终获得打印件。

2.2  3D打印抓斗造型的关键问题

3D打印系统工作原理是进行材料的逐层打印，叠加后最终获得三维产品，打印过程与堆叠蛋糕相似，从最底层开始，由下向上打印，下层面积最大且不能悬空。对于由SolidWorks软件工程图进行拉伸和拉伸切除获得的简单造型的零件来说，可以直接把最大面作为支撑进行3D打印，打印件的成型效果理想。多次尝试之后，对于六瓣抓斗这样的对称零件，笔者使用SolidWorks软件进行三维造型时采取多次镜像拉伸后单次批量打印的方法，节约打印时间，打印效率高。笔者在3D打印抓斗零件时遇到的主要困难是特殊零件无法找到水平支撑面。

由SolidWorks二维工程图旋转拉伸60度生成的抓斗斗瓣（如图1所示），属于复杂零件，没有水平面作为打印支撑面，是整个抓斗3D造型的难点，笔者思考了三种方法尝试打印。

方法一：把抓斗的六个斗瓣当作一个整体，打印出一个类似碗状造型的打印件再切割为六等份。为测试可行性，先造型打印了一个小碗状零件，经过几次测试后发现抓斗的六个斗瓣拼接而成的碗型边缘实际是向内凹的形状，进行3D打印有困难，且切割存在一定困难。

方法二：在Crue Pro软件中调整角度，把斗瓣造型的基准面作为支撑面，Crue Pro软件自带辅助支撑功能可以添加支撑，自动划分零件后进行3D打印，打印后发现辅助支撑除去简单，打印件整体效果较好，只在60摄氏度内凹边缘有一定磨损。

方法三：针对支撑强度不足点，笔者在SolidWorks软件造型中抓斗斗瓣自行添加柱状造型作为支撑，试打印后发现使用工具去除支撑困难。

经过多次不断尝试和对比，本文选择第二种方法进行打印。

在整体造型中，受打印范围限制，抓斗模型不能做到一体成型，需要拆分成小零件分别打印之后，依靠胶水粘贴而成。主要方法是单独造型各个零件再把各个部分用502胶水链接起来，对于爪形板等实际生产中使用螺栓螺母连接的零件，在造型使用无螺纹圆柱进行连接，

连接效果如图1所示。

2.3  3D打印抓斗造型出现问题探究

在3D打印抓斗造型的过程中，多次遇到造型不成功的情况，结合自身经验，归纳为三点问题。

2.3.1  设计考虑不全

3D打印的抓斗模型是依照实体绘制SolidWorks零件，但由于3D打印机打印范围的限制，抓斗模型以1：40比例等比例缩小，这就涉及到零件缩小的问题，以爪型板为例：40mm厚度零件等比例缩小后为1.2mm，但经3D打印后发现厚度过小，无法起件，打印不成功。经反复试验零件厚度应在4mm以上。因此，零件设计时应考虑打印厚度的问题。

2.3.2  软件不足

笔者在使用Cube Pro在进行零件切割时，出现了几次由于切割引起的打印失败情况。一是零件在切割后打印生成了没有厚度的薄片;二是Cube Pro切割后，零件通孔消失;三是软件自行增加的易除去的低密度辅助支撑变成了与零件同等密度的实体。经研究，在SolidWorks软件抓换为STL格式在Cube Pro中切割时，有一些设计不兼容的情况发生，以至于打印效果与最初设计有很大差距。

为了加快打印速度，节约每次打印预热和冷却时间，通常使用SolidWorks软件中的镜像功能，一次性打印多个相同零件，之后观察零件打印效果，打印效果不同，经研究分析是由于零件分割的问题，Cube Pro是一个闭环软件，无法调节切合参数，致使打印效果不理想。

2.3.3  天津博诺智创3D打印机缺陷

单头打印限制，只能进行单色打印，无法实现双喷头的多色打印，也不能使用一个喷头增料的同时用另一个喷头去料打印。

3D打印的粗糙度极大，仅能在垂直打印喷头的坐标上保证一定的精度，这是因为3D打印的原理是熔融工程塑料，塑料的冷却后不能保证相应的精度。工程塑料本身的刚度较差，不能像金属材料一样保证生产作业要求。

3D打印中，螺栓螺母等联接件无法体现，需在造型时进行简化。打印大小的限制，成比例缩小后体现的只是整体外形，模型能做简单运动体现机械作业过程，销键等零件，定位限位功能无法体现。打印出的模型与实际情况有一定差距。

在抓斗造型期间，多次遇到因打印机断料造成打印失败的情况，有时是不能形成造型，经研究分析，这与快速成型工艺常用的热塑性工程塑料性质有关，ABS材料和PLA材料的打印温度不同，ABS打印温度为210-240摄氏度，加热板温度为80摄氏度，PLA打印温度为180-200摄氏度，加热板温度为60摄氏度，融化后容易附着和延展，会堵塞热源致使打印失败。

3  3D打印抓斗造型结论与展望

笔者试着对3D打印抓斗造型中出现的问题提出解决方案。

3.1  抓斗打印最佳参数

笔者总结抓斗打印过程，发现抓斗打印采用白色ABS材料成型较好，需要保证打印零件厚度超过4mm，打印时间在100分钟以内为佳，打印多个相同零件时一次性打印不超过4件，打印不规则零件时寻找支撑面，在制作模型时建议直接简化小型联接件，使用Cube Pro软件切片时应多运用旋转功能调整角度，找寻最佳打印效果。

3.2  抓斗打印展望

笔者总结3D打印抓斗造型过程，对今后造型提出改进意见。

3.2.1  全面考虑设计用途

笔者在设计抓斗打印方案时，作为机械工程专业毕业的学生，最初使用3D打印机进行抓斗造型时主要考虑机械原理的展现和机械结构设计的表达，但对于1：40的抓斗模型来说，很多内部零件的连接可以简化。

笔者认为，除了学习掌握零件原理效果和打印尺寸的要求外，还需要综合考虑探究3D打印的意义。3D打印模型可以将抽象的不易描绘的和想象的港口装卸机械打印出来，利用更加逼真的形象的结构物引起员工的学习兴趣，可动的模型能够提高新员工的理解能力，达到良好的入场教育效果。此外，3D打印技术可以辅助生产机械的创新。实体机械的制造时间长，工序复杂，在实际生产中会产生问题进行改进，3D打印件可以從模拟仿真角度帮助技术革新，例如：部分结构的改进，机械自由度的分析等。

3.2.2  优化切片软件

3D打印切片软件有数十种之多，本文用到的Cube Pro软件是3D打印机厂家出厂时限定软件，建议下次打印时切片可以选用MeshLab和Blender等更专业的软件，也可以使用Slic 3r等开源代码的3D切片软件。

3.2.3  改进打印机功能

本次笔者使用的3D打印机功能简单，为单一喷头，处理复杂结构零件困难。继续探究时，建议选择双喷头、大尺寸、功能丰富的打印机，以笔者在网上找到的Raise3D打印机Pro2 Plus为例，双喷头零件既可支撑打印机械结构复杂的部件同时又可以使用不同耗材，提高零件的精度;打印尺寸范围为305mm×605mm，速度精度均优于笔者使用的博诺智创打印机，能够有效提高打印速度;该打印机可以支持除了PLA、ABS以外的HIPS（抗冲击性聚苯乙烯）尼龙、木屑等多种材料，降低打印成本。

参考文献：

[1] 李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势 [J].自动化仪表，2014，35（1）：1-5.

[2] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等.3D打印技术研究现状和关键技术 [J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[3] 洪腾蛟，丁凤娟，孟凡盛，等.多头熔融沉积成型3D打印机设计 [J].安徽科技学院学报，2016，30（6）：94-98.

作者简介：杜美茜（1992.03-），女，汉族，天津人，硕士，研究方向：机械工程。