工業設計模型制作中三維打印技術的有效運用分析

劉秭岑

摘 要：本文簡要分析三維打印技術的工作原理、快速成型的特點，并進一步闡述其在工業設計模型制作中的有效運用，研究認為三維打印技術在新時期的工業設計模型制作中發揮這關鍵的作用。

關鍵詞：三維打印；工業設計；模型制作

現階段，隨著社會主義市場經濟的不斷推進，我國工業面臨一場巨大的變革，其工業產品的生產周期逐漸減短，工業設計模型制作與三維打印快速成型技術的有效融合為工業生產提供了發展條件，也就是說現代工業已經達到無需工具以及模具便可生產復雜模型的水平。三維打印技術是開發新產品的主要手段，有關工作人員可依靠其將個人思想轉化為具備一定功能的產品模型，這一轉化過程較為直接、快速、精準，同時，能夠有效降低產品開發的成本，縮短產品開發周期，并可實現產品的快速評估與整改，提供啊產品研發的效率，降低產品研發的風險，以此從根本上提高企業的時常競爭力。

1 三維打印技術的工作原理

三維打印技術這一概念屬于新時期的新概念，其相對于二維平面打印來說具有較高的技術性，三維打印技術將簡單的二維加工組合成復雜的三維加工。三維打印技術的基本工作原理為微噴射中的RP技術，其噴頭與打印機的噴頭類似，快速成型系統的單層成形加工環節與噴繪環節相似，以位圖數據為出發點進行陣列掃描噴射。在三維打印技術中，其噴頭不僅可以做X-Y方向的平面運動，工作臺也能做Z方向的垂直運動，同時，其噴頭材料并非墨水，而是可以形成三維實體的粘接劑。三維打印的成形方式為添加式，首先，利用實體反求技術或者三維CAD軟件采集有關模型的信息，或將其集合結構或者形狀等掃描到儀器上，進而得到目標模型的基本信息。然后，根據模型概念建立CAD模型，并以三維修補軟件進行數據化修補，將三維實體轉化為三角面片，生成面片文件。最后，利用快速成型技術處理文件，在面片文件修整及其檢驗合格后，利用三維打印技術將控制材料準確的打印為三維實體，以此完成工業設計模型的制作[ 1 ]。

2 三維打印技術的特點

三維打印技術所使用的噴頭不需要激光系統的參與，僅靠液滴噴射可快速成型，其基本特點包括：

1）可以作為輸出設備，可與計算機直接連接，工作人員可以直接操作，使用較為快捷、方便，無需專業化模型成型機構就可以完成模型的制作，且其設計產品可以進行快速校驗。

2）三維打印生產為數字化過程，該技術與CAD模型的關聯性較強，模型零件大小可以調節，可以實時修改，工作效率較高。

3）三維打印輸出設備的體積不大，設備運行以及維護的成本不高；該設備可以在普通工作環境使用，生產過程沒有污染，且對環境無特殊要求；該設備不喊激光系統，因此，設備造價較低，且其操作簡單，具備大范圍推廣價值。

4）三維打印中的材料一般使用淀粉、石膏等，其原料價格便宜，在新產品研發以及少量零件生產中較為適用。

5）三維打印在生產產品時，其實際的生產過程與模型的復雜性并無直接關聯，模型幾何形狀也不影響其打印；在加工復雜曲面時具有獨特的優勢，相較傳統模型制作方法有了較大的進步。

6）三維打印技術的成型時間較短，且加工周期不長，資金成本低，能夠有效降低生產成本[ 2 ]。

三維打印技術的不足之處：

1）受其生產材料的限制，三維打印的產品強度不高，由于使用液滴直接噴射成型，產品模型需要經過后期處理。

2）由于三維打印的產品材料為粉末，粉末會影響產品表面精度，難以保障產品生產的誤差性。

3 三維打印技術的在工業設計模型中的應用實例

本部分以汽車輪胎模型制作為例，分析三維打印技術在工業設計模型制作中的運用，使用LYP型三維打印設備制模材料為石膏粉，模型制作主要包括三個階段：

3.1 前處理

模型前處理階段是模型制作中數據準備的階段，主要工作是將原型的CAD模型轉換為數據形式。在工業設計模型中，三維實體是CAD模型的最主要表現方式，也是制作模型所必不可少的數據來源，CAD模型中的三維制作可以不僅可以利用小型CAD軟件制作，也可以通過CAD軟件實現，比如UG、SolidWorks等，但是在另存模型文件時應當將文件后綴名設置為圖形，其根本目的是連接快速成型系統和CAD三維設計系統。

3.2 模型制作

三維打印技術的核心即快速成型，其制作的完整過程為：第一步，開啟系統化控制軟件，開啟模型的圖形文件，一般來說，三維打印成型設備通過兩條軸線與計算機設備相連接，在成型設備正式開機通電前應當確保打印噴頭不干涉Z軸工作臺的工作，且其工作臺平面應當較打印平面低1毫米，在工作臺平面太高的情況下，工作人員可以手動轉動Z軸絲桿，緩緩降低工作臺，在確保一系列準備工作完畢后，方可開啟電源開關。第二步，設置模型加工參數。第三步，點擊菜單調節工作太的合理性，并在粉盒內加入模型生產材料，安裝打印墨盒。第四步，點擊auto按鈕便可開始自動成型加工。第五步，利用鋪粉機鋪設材料，使噴頭按照模型輪廓信息進行打印，沿X方向以及Y方向進行水平運動，且合理噴射粘接劑，使其滲透到材料微孔中進行粘接，以此完成模型截面造型。在一層打印結束后，下降成型面活塞進行下一層的打印，循環直到模型制作完畢，取出模型。

3.3 后處理

石膏材料的價格較為便宜，熱塑性能較高，但是在模型成型后的強度可靠性不高，實體表面附著大量粉末。所以，在模型生產完成后，工作人員應當對其進行適當處理，以提高其強度，進一步改善其性能，具體方法為將石蠟加熱至溶化后，將模型放入石蠟液中，并在適當時間后取出晾干[ 3 ]。

4 結語

三維打印技術在工業設計模型中的應用是現代信息技術推進傳統制作業發展及其進步的一項重要舉措，該技術的運用改變了我國傳統延用的手工模型制造法。近年來，許多工業企業在其模型設計環節均引進了三維打印技術，這一實踐也滿足了工業生產的多樣化要求，實現了工業企業的與時俱進，因此，有關工作人員以及企業應當提高對三維打印技術的重視，以此不斷提高自身位于市場中的有利地位。

參考文獻：

[1] 黃軒，李鳳寧.三維打印個體化導航模板在枕骨髁螺釘固定技術中的應用研究[J].中國脊柱脊髓雜志，2014，22（5）：721-724.

[2] 李堅，許民，包文慧.影響未來的顛覆性技術：多元材料混合智造的3D打印[J].東北林業大學學報，2015，12（24）：28-31.

[3] 蘇也惠，邢妍.3D打印技術在三維模型設計中的應用研究[J].藝術科技，2016，5（7）：39-42.