基于3D打印技術的容器設計與制造*

摘 要：本文講敘了3D打印的發展現狀，以及實際通過3D打印技術實現制作模具的過程。工廠通過3D打印技術可以大大節約成本和制作周期。首先通過計算機輔助軟件CAD進行模具三維制作，又通過3D打印機制作模具，同時反饋給計算機輔助軟件對三維模型進行修改。從而實現減少對原材料的浪費和減少模具制作周期。

關鍵詞：3D打印；CAD；模具制作；模具修改的新方法

1 問題的提出

伴隨生產制造業的發展，模具的需求量越來越大，但模具的生產制造過程過長一直沒有得到很好地解決。而3D打印恰巧是一種快速成型技術，恰具有快速、高效、便捷等特點。它是伴隨著現代CAD/CAM技術 、分層制造、機械工程、激光、計算機數控、精密伺服驅動以及新材料等多方面技術突破的基礎上集成發展起來的。3D打印可以在醫療、建筑、制造等多行業發揮重要作用，有人說3D打印技術是一項革命性的技術，因為3D打印技術配合三維建模軟件可以大大提高模具的生產效率、縮短模具制造的生產周期和降低資源損耗。

1.1 3D打印的原理

生活中普通的打印是對將墨水印在承印物上，而3D打印是一種立體打印技術，根據美國材料與試驗協會（ASTM）2009年成立的3D打印技術委員會公布的定義，3D打印是一種與傳統的材料加工方法截然相反，它是基于三維CAD模型數據，通過增加材料逐層制造的方式制造模型。就像將一層層材料用粘黏劑粘起來一樣，不過其制作材料和粘黏劑都是特殊的材料，他的材料能夠液化、粉化、成絲或其它多種形態，打印時又能快速的硬化。現在多采用金屬、塑料和陶瓷等特殊處理的材料。其采用直接制造的模型是通過計算機模擬軟件建立與物理實體模型一致的三維數字模型，打印機使用一些特定的材料對材料的層疊，形成所需的模型。

1.2 打印制造過程

1.2.1 建立三維模型

首先通過對產品的可行性分析，確定產品的工藝方案，并對模型做出初步的設計。瓶子由瓶身、瓶肩和瓶身以及瓶底組成。以三維軟件建立圖形時先從瓶口開始，建立立體的三維實際模型。然后在實際模具中去除改瓶身的形狀的部分，即可所得制造該形狀瓶子的簡易模具。

首先建立模具的三維模型。3D模具是基于計算機建模軟件的技術生成的，可以通過SolidWorks、UG NX、AutoCAD、Pro/Engineer等三維建模軟件進行3D模具設計，solidwords功能強大，簡單易學但是組件繁多，軟件較大。UG主要適合于大型的汽車、飛機廠建立復雜的數模，對曲面渲染較好，Pro/Engineer主要適合于快速建立較為簡單的數模。AutoCAD可用于二維和三維圖像的繪制，應用領域廣泛。在這里我們使用AutoCAD建立有一個高130mm，底面直徑60mm，瓶口直徑20mm的簡易吹塑模型。下面是簡單的步驟：

（1）打開AutoCAD ，新建文件，從瓶口開始建立，在命令欄輸入命令pline選擇多段線工具（或菜單欄-繪圖-多段線[P]），隨機選擇一點，建立塑料瓶基本圖形。輸入下列括號內的命令：

首先建立瓶口（@10，0）、（@0，-10）

然后建立瓶口的曲面 （a） 、（@10，-10）、 （a）、 （@10，-10）

最后完成整個曲面 （0，120）、（c）

對該圖形進行“旋轉”360度。輸入命令（revolve）、（360）以左側為軸建立飲料瓶實體。

（2）建立一個高長寬為140、70、70（mm）的長方體。輸入命令（box）任選一點，輸入（70，140，70），建立長方形。

（3）通過輸入（3dmove）三維移動（3drotate）三維旋轉等命令將飲料瓶放入長方體內。

（4）使用差集。選擇對象為長方體，減去對象為建立的飲料瓶。輸入（SUBTRACT），空格，選擇長方形，空格，選擇模型，空格，形成中空的塑料瓶。

（5）輸入命令（slice）選擇該模型，空格，輸入xy，以模型中心為軸心進行剖切。

（6）另存為**.stl文件。建立模型完畢。如圖1所示。

1.2.2打印三維模具

根據實際情況，采用的打印機型號為MAKERBOT REPLICATOR 2 3D為例進行打印，該打印機選用PLA材料，基本原理是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時打印噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。成型材料種類多，成型件強度高、精度高，主要適用于成型小塑料件。

將設計好的3D模型輸入3D打印機，打印機軟件會自動分析模型，將模型根據分辨率進行分割成層，然后根據你的參數設置選擇合適的打印速度形成相應精度的模型，將模型進行打印層疊。3D打印機是3D打印過程的重要一環，也是將它與現階段的模具車間加工修改所不同的一個方面。它是將大型機床簡化并與計算機新技術、新材料復合成的機械制造設備。它可以快速生成模具--將模具打印出來。將模具拿去進行試驗加工，對其中出現的問題進行分析，對相對應的模型進行修改。3D打印技術在本環節實現快速修改的性能。避免對模具進行修模再制造然后再試這樣一個“漫長”過程。

1.2.3 模具生產制造和產品制造

3D模具試驗結果吻合產品要求后，就可以將3D模型傳輸到車間進行生產和裝配，進行大批量的生產。在實際的模型制作過程中，我們使用的可能是一些金屬材料或者陶瓷材料對模型進行打印，打印精度可以設置更高。

2 結束語

從1986年產生第一臺商用打印機，隨著技術的發展，無論在技術、應用都有了長久的進步。3D打印能夠快速高效的修改型腔模型，成本便宜、制作簡單，減少生產工藝中流程中產品浪費。但在高分辨率的情況下，打印速度較慢。并且對一些高精密的儀器達不到相應的分辨率，打印較為粗糙。對于突變較大的地方，還不能很好的層疊。國內3D打印的現階段的基材還主要為高分子材料和金屬，材料價格稍高，材料的選擇種類還不太廣泛，基材還有待于進一步的開發。工程師通過計算機三維軟件快速通過模具，制造模具，應用模具，再通過反饋給設計師重新設計，現在已經有建筑師利用3D打印機打印建筑模型，醫生打印骨骼甚至細胞。同樣在模具生產領域，設計師已經開始利用桌面型3D打印機設計一些小型的模具，減少設計成本。在一些個性化的小批量的個性化生產，3D打印產品也能替代產品模具進行生產。

作者簡介：楊連科（1993-），男，河南商丘人，本科在讀，從事包裝工程研究。