基于3D 打印的船舶零件高精度设计方法

魏晞

(江西科技学院，江西 南昌 330098)

0 引 言

船舶零件是用于船舶制造和维修中的零件，当下海洋工程的迅速发展，零件的市场需求和节奏的逐渐增加，并且产品周期较短，传统的生产方式已经不能满足生成需求，因此，对于零件的设计和制造也造成极大挑战。工程师在进行零件设计时，设计的精度直接影响零件制造后的使用情况。一旦零件的精度存在不足，将导致相关船舶结构以及相关设备的使用性能，严重则会降低船舶的安全运行。3D 打印是一种快速成型技术，也将其称为增材制造，其主要是依据数字模型文件完成物体的设计，其可通过不同的材料，完成不同物体的打印，在设计过程中实现一次成型，省去多次打磨的步骤。

为保证船舶零件精度，王友利等对此进行研究后，以功能尺寸最短路径原理为基础，提出相关零件尺寸设计方法；鲁宇明等针对零件加工布局，提出基于改进MOEAD 算法相关方法。上述方法均可提升零件的制造精度，但是，制造后的零件表面仍存在一定粗糙或局部契合精度不足等问题。因此，本文提出基于3D 打印的船舶零件高精度设计方法，通过该方法对零件进行设计，以此保证零件制造后精度。

1 船舶零件高精度设计

1.1 船舶零件高精度设计方法架构

船舶零件的类别、复杂程度、应用部位以及尺寸大下等均存在明显差异，由于船舶应用场景的特殊性，所有的船舶零件存在一个共同点，即是该类零件的精度要求较高，具有极高的契合度，以此可保证船舶在海面的行驶安全。零件制作精度取决于零件的设计精度，因此，本文提出基于3D 打印的船舶零件高精度设计方法，该方法的框架如图1 所示。

图1 船舶零件高精度设计方法结构Fig.1 Structure of high precision design method for ship parts

1.2 船舶零件逆向建模

1.2.1 船舶点云数据获取和处理

通过激光扫描仪对设计的船舶零件实体进行扫描，获取船舶零件的实体点云数据，并通过可扩展的统一数据格式(IFC)对数据进行拟合，在拟合过程中，实现船舶零件点云数据的格式转换和存储，为后续船舶零件设计提供可靠数据依据。完成船舶零件点运数据获取后，为保证零件设计精度，需对获取的数据实行精简处理，去除数据中的无效和冗余数据，保留精简数据，以此提升船舶零件的设计精度。采用模型特征策略完成船舶零件点云数据的精简处理，该策略是对模型特征复杂区域中的点云数据进行大部分保留，对其他相对简单区域中的点云数据则进行小部分保留，其以法矢夹角为准则完成。点云数据中任意一点用p表示，将p和其邻近点的法矢量点乘积结果的均值定义为法矢夹角，用(,)表示，其计算公式为：

依据该公式可完成船舶零件点云数据的分级处理，并依据采样比例对数据进行不同程度的精简处理，以此得出精简后的船舶零件点云数据。

1.2.2 船舶零件几何模型重构

依据上述小节舰船零件点云数据精简处理后，采用扫描实体(SSR)的表达方式进行船舶零件几何模型重构，该重构主要由精简点云数据切片、边界轮廓确定以及拉伸实体3 个部分完成。在进行切片扫描几何模型重构过程中，如果零件的结构不存在斜度，则通过多个直线段进行拟合，每个线段均对应一个切片，通过各个切片之间的连接，还原船舶零件的实际情况，在该情况下，直线段越短，则可更好的保证的切片精度，以此提升船舶零件几何模型重构精度。如果船舶零件存在极小的弧度，则采用二阶曲线为水平线，使船舶零件位于水平切线位置。对船舶零件进行切割，形成个分片，并且切片为平行模式，同时按照切线方向进行拉伸处理。将精简处理后的点云数据簇进行投影，使其位于,平面上；在此基础上，对二次多项式进行拟合，投影至(x,y)平面上，且该平面上的点数量用表示，该拟合采用最小化平方误差完成。如果轴为主方向，则得出：

式中：(x)表示内插值，对应第次多项式，并可采用线性方程组进行描述；该插值的构建可通过矩阵方程逆变换得出的二次多项式完成。

在上述的基础上，可获取零件的曲线()，且()=++；同时对该曲线上各个插值线的切线进行计算，获取其导数；并依据导数结果求解曲线斜率 t ant，其计算公式为：

式中：，，均表示常数。

依据上述步骤即可完成点云数据的切分细化，并将每一个切片以轴为核心，进行旋转；旋转角度用φ表示，其为整体直角坐标轴各个切片对齐的法线方向之间夹角；各个切片的法线方向结果可通过切片的中间值完成。船舶零件在建模过程中，如果存在截面部位，则采用弦高差算法对上述获取的切片进行判断，分析各点是否为切片特征点。在该过程中，需确定各个切片的阈值，其依据计算弦高差均值结果完成，弦高距离d和阈值 σ的计算公式分别为：

式中：m表示点云数量。

依据上述步骤对特征点进行判断后，按照法线方向对切片进行拉升处理，将该结果和平行切分拉伸结果相结合，即完成船舶零件几何模型重构。

1.3 船舶零件高精度设计实现

1.3.1 船舶零件3D 打印方法

完成船舶零件几何模型重构后，采用熔融沉积成型的3D 打印技术进行打印；该技术在设计时，依据原始模型主模型，且该模型中包含轻量化设计输出子模型，通过该结构方式，避免3D 打印过程中，浪费打印材料，以此完成船舶零件的3D 打印制作。船舶零件在3D 打印过程中，打印方向可直接影响船舶零件打印质量，因此需对打印方向进行约束，使其沿应力集中方向；该方向的约束是依据压力源完成。并且，支撑设计也是影响打印质量的重要因素，该设计与悬空部分的完整性和可靠性存在直接关联，因此，需确定合理的支撑位置和支撑大小。除上述影响因素外，3D 打印工艺参数设定也是直接影响打印质量的因素，打印参数包含动态层厚、支撑角度、轮廓、填充密度、走丝速度、支撑粘合强度等，设定合理的打印工艺参数，可保证打印出来的船舶零件外表的光滑程度更佳。

3D 打印技术在进行打印过程中，影响因素较多，因此，为保证船舶零件高精度需遵守3D 打印约束，包含打印精度约束、支撑约束、零件打印方向约束、船舶零件尺寸约束等。船舶零件3D 打印过程，可理解为将3 维的零件实行拆分，形成数个2 维的零件，并对其进行加工的过程；在此基础上，将拆分的全部2 维零件进行组合，再形成一个3 维船舶零件。在此过程中，容易受到拆分台阶的影响，导致打印误差的发生，影响船舶零件的设计精度。在对船舶零件3D 打印设计加工过程中，待打印的船舶零件用表示，表示其分割的层数，X,=1,2,…,表示船舶零件实物模型，且为第层，采用叠加的方式将所有数量的X实行处理，则得出待打印的船舶零件，计算公式为：

1.3.2 基于速度正交分解的3D 打印优化算法

在打印过程中，喷头是通过不断扫描完成零件打印，在扫描过程中，如果扫描路径不合理，会影响打印的稳定性，以此直接导致零件设计的精度受到影响。为保证船舶零件的打印质量，实现高精度、高质量的船舶零件设计，对3D 打印过程中喷头的扫描路径实行优化控制，提升零件的精度。该优化采用基于速度正交分解算法完成。该算法在现场可编程逻辑门阵列的基础上，采用嵌入式的方式完成，该打印优化控制方法的结构如图2 所示。该打印优化控制算法主要是对3D 打印机的扫描路径进行合理规划和控制，保证打印的稳定性，同时避免打印在扫描空行程时发生，发生打印拉丝现象。除此之外，通过速度控制器，控制打印的各个通道，提升打印方向约束效果，并且，在扫描路径规划时，打印方向能够实现任意变化，同时保证匀速运动。以此可极大程度提升船舶零件的3D 打印质量，保证零件的设计精度。

图2 3D 打印优化控制结构Fig.2 3D printing optimization control structure

2 测试结果与分析

为验证本文方法对船舶零件的设计精度情况，将某船舶零件生产企业生产的船舶零件作为测试对象，采用本文方法对其进行高精度设计，并获取设计结果。由于船舶零件种类较多，测试时间有一定约束，因此，为了降低测试耗时，仅选择齿轮零件作为测试对象，该齿轮实体相关参数见表1。

表1 齿轮实体相关参数Tab.1 Details of relevant parameters of gear entity

采用三维激光扫描仪对测试齿轮进行扫描，该扫描仪的扫描精度为0.04 mm，空间点距为0.22 mm，采用该扫描仪获取测试齿轮的点云数据，其数量为150 000个，该数据中包含无效和冗余数据，其占据比例为2.4%。3D 打印的默认速度设定为95 mm/s，打印扫描的间距为1 cm。为测试本文方法对点云数据的精简处理效果，采用表面积变化率作为评价指标，该指标的公式为：

为测试本文方法的对船舶零件的设计性能，测试本文方法在不同的零件打印比例下，打印的误差结果，如图3 所示。应用标准为误差范围在-0.040～0.040 mm之间。对图3 测试结果进行分析后得出：采用本文方法对齿轮进行打印时，在不同的打印比例下，打印的误差结果均在要求的标准范围内，其中，最大误差值为-0.022 mm，最小误差值为0 mm。因此，本文方法具有良好的打印精度，可保证零件设计的精度。

图3 对船舶零件的设计性能测试结果Fig.3 Design performance test results of ship parts

为验证本文方法优化后，3D 打印的效果，获取本文方法前后打印喷嘴在，，三个方向上的误差结果，见表2。对表2 测试结果进行分析后得出：随着打印面积的逐渐增加，优化前3D 打印喷嘴在，，三个方向上的误差结果均在0.35 mm 以上，其中最大误差值为0.52 mm；优化后，3D 打印喷嘴在，，三个方向上的误差结果均在0.24 mm 以下。因此，本文方法具有良好的优化效果，进一步提升船舶零件的3D 打印精度，以保证零件设计精度。

表2 优化前后打印喷嘴误差结果(mm)Tab.2 Print nozzle error results before and after optimization (mm)

为直观验证本文方法船舶齿轮零件的3D 打印设计效果，获取本文方法优化前后，齿轮的设计精度结果，见图4 和图5。对图4 和图5 测试结果进行分析后得出：本文方法在优化前，打印得出的齿轮零件虽然整体没有明显质量缺陷，但是存在一定的粗糙感；经过优化后打印得出的齿轮零件表面光滑，粗糙感显著降低。因此，本文方法能够保证船舶零件的高精度设计。

图4 优化前齿轮的设计精度结果Fig.4 Design accuracy results of optimized front gear

图5 优化后齿轮的设计精度结果Fig.5 Design accuracy results of optimized gears

3 结 语

船舶零件是船舶组成的重要部分，零件的质量和制造精度是保证零件使用效果的前提。并且船舶零件类别和种类较多，其大小也存在显著差异，零件的复杂程度也不同，因此，需对零件进行设计。本文针对零件设计精度进行研究后，提出基于3D 打印的船舶零件高精度设计方法，并对该方法的应用效果进行相关测试。结果显示：本文所提方法具有良好的应用性能，打印误差较小，并且打印出来的船舶零件质量极高，满足船舶零件的设计需求。