3DP 产品壁厚计算及设计研究

王志勇，金 军

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

0 前言

3DP 工艺研究逐步成熟，产品性能稳定且优于传统产品，应用领域逐步广泛，涉及浮雕、圆雕、人像等，产品壁厚作为主体结构，起支撑、连接作用，壁厚设计、校核多依据工艺人员砂型设计经验，安全性、牢固性存在一定问题和隐患，因此结合3DP 产品结构造型特点，建立、简化力学模型，通过设计校核，确认可用于3DP 文创产品的壁厚。规范3DP 文创产品壁厚设计，提高3DP 文创产品生产过程安全性、牢固性。

1 背景及其产品分析

3DP 文创产品作为新型材料产品，多依据设计人员对该材料性能经验予以设计建模，安全性、牢固性存在一定问题和隐患。针对以上问题，3DP文创产品壁厚设计工艺，从文创产品结构特点、受力情况予以考量，建立、简化力学模型；从材质、载荷受力等方面，进行力学校核计算，确认3DP 文创产品壁厚，确保产品质量。

2 3DP 产品

3DP 文创产品，根据产品形态、功能可分为室外雕塑、室内雕塑、人像、沙盘、摆件、建筑构件等。

2.1 室外雕塑

摆放、安装于室外场所，有公园小品、街道雕塑、景点纪念雕塑、装饰雕塑等，形态属于中大型雕塑类别，形态特征为圆柱形结构。

2.2 室内雕塑

摆放于室内，用于室内装饰或用于陈列展示一类作品，体态较小，结构复杂，装饰性强。有浮雕、圆雕两类，装饰性产品多体现为浮雕产品，而陈列展示性产品多为圆雕产品。形态特征多为圆柱形结构。

2.3 人像

历史名人，陈列于校园、展馆等场所，固定于地面基础之上。其形态特征近于圆柱形结构。

图1 室外雕塑

图2 室内雕塑

图3 人像

2.4 沙盘

以微缩实体的方式来表示地形地貌特征，并在模型中体现山体、水域、道路等，可特定展示某一领域数据，使人们能从微观角度了解宏观的事物。其应用范围及其广泛，主要应用的行业有：政府、交通、水利、电力、国土资源、旅游、军事等。或摆放于柜体之上，或挂装于墙面，其结构特征主要为“C 字”型壳体，低点地形处近似于板材状。

2.5 摆件

图4 沙盘

图5 摆件

寓意美好、造型独特一类产品，可以做为礼品、赠品之用，亦可摆放于办公桌面、橱柜以欣赏。其形态近似于圆柱形。

2.6 建筑装饰构件

形同于GRC、GRG 构件，装饰于建筑墙体外围，图案构成多涉及地域文化元素或特定场所环境元素，以高浮雕形态展示，与建筑环境融为一体，既明史亦有悦目之感。此类产品多为异形板材状结构。

图6 建筑构件

3 3DP 文创产品壁厚设计

由于3DP 文创产品结构形态多样，需要进行力学模型建立、简化。力学模型的建立主要从3DP文创产品的结构特点出发，建立力学模型，并结合实际工况予以简化。

室内室外摆件、人像产品多为封闭型圆柱形结构，归纳其力学模型建立为容器型；沙盘、建筑装饰构件等多为开口型板材状结构，其力学模型建立为板材型。

3.1 力学模型

室内室外摆件、人像产品，其力学模型建立为容器型，容器类产品以压力容器设计要求为最高，因此容器型产品壁厚设计校核参照压力容器设计规范执行。计算校核公式：

式中，P 为设计压强（MPa），此处为产品所受载荷；D 为产品直径（mm）；σt为许用应力（MPa）；φ 为焊接系数，此处为树脂粘结系数，取值0.4。

沙盘、建筑装饰构件等其力学模型建立为板材型，计算校核公式：

式中，t 为板材厚度（mm）；G 为单位面积质量（kg/m2）；k1为树脂含量比数（%）；k2为石英砂含量比数（%）；其中的0.36 为打印层厚常数。

3.2 壁厚计算

3.2.1 材料物理力学性能

3DP 文创产品材料多居于石英砂材质，目数100～140 目。

3.2.2 载荷

3DP 文创产品所受载荷包括：基本载荷和组合载荷。

3.2.3 壁厚计算

根据3DP 产品类别分别计算两种力学模型各项载荷数值。

图7 石英砂

表1 石英砂物理力学性能

表2 基本载荷

表3 组合载荷

考虑产品生产过程存在损坏风险，直径D 大于800mm 的文创产品，内部设计加强筋，以确保生产搬运过程安全性和强度。加强筋设计原则如表6所示。

表4 容器型产品载荷及壁厚计算

表5 板材型产品厚度计算

表6 加强筋尺寸

3.2.4 校核

有限元模型：容器型产品模型为封闭壳体，板材型产品模型为三维异形板块；采用INSPIRE 有限元软件进行分析。

载荷为组合载荷，容器型产品底部为固定点；板材型产品连接构件采用植入板材，相当于固定点。

表7 载荷计算

校核模型及约束情况，如图8、9 所示：

图8 容器型产品校核模型

应力情况，如图10 所示,由校核结果可知，最大等效应力为0.15MPa，小于3DP 砂型抗拉强度8MPa。

图9 容器型产品约束、受力情况

图10 容器型产品应力情况

变形情况，如图11 所示,由校核结果可知，变形量为fmax/l=0.0018/800=1/444444＜1/250，可以满足。

图11 容器型产品变形位移

板材型产品校核模型及约束情况，如图12、13 所示。

图12 板材型产品校核模型

图13 板材型产品约束、受力情况

应力情况，如图14 所示，由校核结果可知，最大等效应力为0.9MPa，小于3DP 砂型抗拉强度8MPa。

图14 板材型产品应力情况

变形情况，如图15 所示：由图可知校核结果可知，变形量为0.03mm，fmax/l=0.03/1000＜1/250，可以满足。

图15 板材型产品变形位移

4 结论

经过对3DP文创产品类型、结构特征予以归纳总结，建立力学模型，计算校核获得了3DP 文创产品各类别壁厚设计要求。确保了3DP文创产品生产过程中稳定性、牢固性，为产业化推广3DP 文创产品提供理论依据。