基于3D打印技術的船舶配套零件C A D/C A M訓練項目的研究

周志軍

（南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通226010）

0 引言

船舶在航行過程中，特別是在遠洋航行期間，船舶零部件因故障受損給航運公司造成較大的經(jīng)濟損失和安全隱患。由于船舶配套零部件的生產(chǎn)批量小、形狀復雜、參數(shù)化設計困難，以及受傳統(tǒng)制造技術工藝的影響，與船舶配套的機械零部件的修理和建造急需要更新的設計方式和更快捷的生產(chǎn)方式。

對于船舶制造業(yè)來說，3D打印技術能夠?qū)崿F(xiàn)快速成型及打印初始原型，減少船舶配件制造企業(yè)的船舶備件的種類和數(shù)量，南通航運職業(yè)學院機電系承接江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，借助3D打印技術快速成型的特點，分析船舶配套典型零件的設計與制造的工作任務，利用CAD/CAM將三維模型轉(zhuǎn)化成可打印的格式后發(fā)送到3D打印機，再打印成實物原型。最后，與船企PDM工藝流程無縫對接進行創(chuàng)新設計與案例應用。項目組同學利用訓練體系進行創(chuàng)新與改革，從傳統(tǒng)的技能訓練逐步拓展為先進制造技術應用，促進船舶配套零件設計的優(yōu)化研發(fā)，方便了船舶配套零件的設計和制造。

1 船舶配套零件3D打印訓練項目研究框架

1.1 項目研究基礎

我院和長三角地區(qū)大量船舶制造、船舶設計企業(yè)合作建立了校企合作機制，學校設有船舶配套設計中心、CAD/CAM、數(shù)控加工等多個實驗實訓室，為企業(yè)船舶配套零件的設計與制造維護提供了有利的技術支撐；同時，學校非常重視實踐創(chuàng)新研究，并建有一批校企合作實訓基地，提供該項目所需的一切硬件條件，其中有3D打印快速成型實驗室、現(xiàn)代設計三維仿真實訓室，建立了在線開放平臺，并給予經(jīng)費支持。

項目組成員為我院機電創(chuàng)新研究社成員、數(shù)控技術專業(yè)在校大二學生，能熟練應用CAD/CAM軟件；熟悉船舶典型零件制造原理和設計方法，具備金加工、數(shù)控加工等實踐應用能力，經(jīng)過船舶零件數(shù)控加工培訓，積累了大量自主學習和動手操作的經(jīng)驗，具有較好的創(chuàng)新實踐能力，為項目研究提供了強有力的理論和實操基礎。

1.2 項目研究目標及主要內(nèi)容

項目研究的目標是將3D打印技術與船舶配套零件設計制造結合起來，優(yōu)化創(chuàng)新設計，整理形成系統(tǒng)化數(shù)據(jù)庫，在此基礎上，熟悉3D打印技術的實船應用案例，最終實現(xiàn)無縫對接企業(yè)CAD/CAM設計制造流程，培養(yǎng)學生獨立自主的船舶零件設計與制作能力以及綜合創(chuàng)新能力。研究的具體內(nèi)容有：

（1）通過理論研究，熟悉船舶配套零件設計制造流程；

（2）選擇合理三維設計軟件，設計并計算出典型船舶配套零件三維模型，含標準通用件和復雜專用件等；

（3）利用現(xiàn)有的3D打印機FDM成型，分層切割，打印實體零件；

（4）收集數(shù)據(jù)，測試不同的零件參數(shù)應用，形成船舶配套零件制造工藝，最終組建船舶配套零件的CAD/CAM應用平臺。

項目的研究主要是以學生和指導老師團隊協(xié)作的方式進行船舶配套零件的CAD設計和CAM實體制造，項目實施框架如圖1所示。

圖1 船舶配套件3D打印訓練項目研究框架

2 船舶配套件C A D/C A M三維建模

船舶結構復雜，其主要裝置包括船舶主機、輔機、燃油供應系統(tǒng)、舵機裝置、制冷和空調(diào)裝置、船用泵和管路系統(tǒng)、液壓機械設備等[1]，因此，船用零部件種類繁多，結構復雜、大小不一，根據(jù)其在加工制造工藝的不同，又可分為通用標準件、專用結構件、特種零件等類型。

在項目研究過程中，通過前期的準備工作，項目組成員群策群力，最終確定以船用齒輪和汽輪機葉片為典型案例進行數(shù)據(jù)收集，通過確定相關形狀、尺寸、技術要求等設計參數(shù)，完成CAD/CAM相關計算，為3D打印實體件提供三維虛擬模型。

2.1 案例設計一：船舶配套標準零件——齒輪

齒輪傳動系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶的高速動力裝置中必須配置的典型部件之一，其在船舶航行動力裝置中起著重要的作用，如船舶調(diào)速、動力傳遞等，齒輪配件的正常運行是保證船舶安全航行的基本條件。

項目組通過運用CAD/CAM系統(tǒng)UG的function功能建立了某船用標準齒輪件的齒廓漸開線運動方程[2]。

式中，rb為基圓半徑；θ為角度值；t為在 UG中設置的遍歷參數(shù)；xt、yt、zt分別為齒輪漸開線齒廓三維坐標。并基于UG線框計算和實體填充，生成齒輪三維模型，如圖2所示。

圖2 船用齒輪三維實體造型

2.2 案例設計二：船舶配套專用零件——汽輪機葉片

葉片類零件是具有代表性的復雜曲面船舶配套零件，廣泛應用在汽輪機、燃汽輪機等領域，對于復雜曲面零件的設計，參數(shù)化設計更能體現(xiàn)其設計的優(yōu)越性，項目組利用葉片樣條曲線方程，對葉片截面進行插值運算，

式中i=0，1，…，n為葉片曲面頂點數(shù)，運用 UG的CAD/CAM模塊以及二次開發(fā)平臺Open API技術，完成了船用汽輪機葉片三維建模，如圖3所示。

圖3 船用汽輪機葉片三維實體造型

3 船舶配套件F D M快速成型

我院機電系快速成型實訓室配備三臺Einstart3D桌面3D打印機，其能有效的和UG、Pro/E、CATIA等主流CAD/CAM系統(tǒng)軟件實現(xiàn)無縫對接，生成STL格式文件。采用ABS或PLC絲狀熱熔性材料FDM熔融沉積成型，其組件輕便，操作簡易，易于裝配調(diào)試，結構如圖4所示。

圖4 F D M-3D打印機及其組件結構

船舶配件FDM的3D打印過程分以下幾個步驟：

（1）CAD/CAM建模。利用模型結構參數(shù)，進行逼近數(shù)值處理，形成數(shù)據(jù)文件；

（2）STL格式的轉(zhuǎn)換。利用UG等CAD/CAM三維造型軟件的STL文件輸出功能進行數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換；

（3）分層處理信息。將三維CAD模型沿z軸縱向分解為一系列二維平面層，確定的輪廓曲線軌跡，生成數(shù)控代碼；

（4）逐層打印。根據(jù)分層的輪廓信息，熔絲加熱噴出，按照預定軌跡，做 x-y橫向運動，以固定速率進行沉積。每完成一層，工作臺z向下降一個層厚進行新一層堆疊，如此反復最終實現(xiàn)零件的沉積成型，生成三維模型；

（5）后處理。清理零件表面，等待熱固冷卻成型，去除輔助支撐結構。

熔融沉積3D打印技術不同于傳統(tǒng)零件制造方法，可以快速、準確地將船舶配套件的復雜結構特征轉(zhuǎn)變?yōu)樵蛯嵨?，如圖5所示。在設計一個新的零部件時，利用3D打印快速成型，學生在驗證結構時可以同時拿出多種方案，通過不同方案的對比，實時創(chuàng)新修改，進行相關參數(shù)的測試，為后續(xù)數(shù)據(jù)收集，建立豐富的設計數(shù)據(jù)庫提供了有力的保障。

圖5 F D M船舶配套件成型實物

4 船舶配套件P D M流程優(yōu)化及應用

船舶配件在設計、工藝編制及制造過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)文件，包括船舶配套件的CAD零件圖、裝配圖、技術要求等圖文信息；三維結構設計文件、STL代碼、數(shù)控加工代碼等建模信息；加工參數(shù)、工序與工步等工藝信息，船舶配件的制造工藝不便于管理以及配件的二次開發(fā)。

因此，項目組利用齒輪、葉片等船舶典型配件建立基本制造流程，測試不同的零件實際配套應用，收集數(shù)據(jù)，分析了協(xié)同設計的任務關聯(lián)，把與制造相關的文件上傳至教學平臺，建立了船舶配件設計PDM（Product Data Management）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫[3]，按照PDM流程進行工藝校對、對模型和設計方案進行調(diào)整，形成流程方案，如圖6所示。

圖6 船舶配件P D M流程方案

通過實施船舶配套零部件PDM流程，可以加快船舶行業(yè)新產(chǎn)品的設計制造速度，提高生產(chǎn)效率，有利于對船舶配件的全生命制造周期進行管理，同時可實現(xiàn)在線平臺的開發(fā)與應用，有利于組織船企實現(xiàn)無紙化設計制造。

5 結束語

船舶配套零件CAD/CAM 3D打印訓練項目，不需機械加工或任何模具，以CAD/CAM建模為基礎，利用FDM實體3D打印建立PDM流程，即使是較大的船體零件設計也可以通過比例縮小的方式快速制作模型。項目組成員從船舶配套零件概念設計到原型制造的一般工藝流程都能實施參與，利用3D打印機，學生們可以真正地測試所設計的零部件，即使是枯燥的設計建模知識的學習，也能融入新工藝、新技術、新材料的實踐內(nèi)容，促進了學科交叉融合，培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

[1]船舶的主要設備配件 [EB／OL]．[2013-05-14]www.cnship.org/new_view.asp id=12067.

[2]曹麗娜．船舶零件的參數(shù)化設計和結構分析[J]．艦船科學技術，2015（37）：230－231

[3]李偉林.基于三維CAD與PDM的產(chǎn)品協(xié)同設計技術研究[D].長沙：湖南師范大學，2012.