基于木塑SLS的圖片轉浮雕模型3D打印及后處理研究

李健，趙一錦，趙永政，郭艷玲

( 東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

基于木塑SLS的圖片轉浮雕模型3D打印及后處理研究

李健，趙一錦，趙永政，郭艷玲*

( 東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

針對個性化浮雕模型在建筑、工藝行業的應用，首先將二維彩色圖片轉成灰度圖，并將灰度圖制作出相應的樣式，生成浮雕及其三維模型。隨后選擇環保、可再生的木塑復合材料作為3D打印基材，通過選擇性激光燒結的方法，研究合適的加工工藝，將已生成的三維浮雕進行3D打印。燒結加工參數如下：預熱溫度為80℃，掃描方向為X、Y方向交替，掃描路徑優化為深度-廣度混合原則，激光掃描速度2 000 mm/s，掃描線寬0.2 mm，激光功率12 w，分層厚度0.1 mm。打印后，使用高壓空氣清浮粉的方式清粉。最后經過滲蠟、活化處理等后處理工藝以保護基材，降低制件的表面粗糙度、降低材料孔隙率以提高力學強度，對浮雕模型進行化學鍍銅，得到質地均勻的金屬質感銅鍍層。本文研究了個性化浮雕的的加工全過程及其中的關鍵技術，該方法適用面廣、處理速度快、所用材料節能環保，并可根據不同需求進行不同后處理工藝，具有重要的研究價值。

木塑復合材料；選擇性激光燒結；浮雕；化學鍍銅；后處理

0 引言

3D打印(3D printing)又被稱作增材制造，它以數字模型為基礎，常使用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過激光照射等方式進行逐層疊加構造物體[1-2]。由于其忽視模型復雜程度，進行快速生成的優點，目前的3D打印工藝可應用于工業、醫學、航天和軍事等各個領域。常用的3D打印工藝可以分為熔融沉積成型、光固化立體成型、分層實體制造、電子束選區熔化、選擇性激光燒結、激光選區熔化、金屬激光熔融沉積和電子束熔絲沉積成型[3-4]。

本文選用的3D打印工藝是選擇性激光燒結[5]。1986年，美國德克薩斯大學的研究生C.Deckard提出了選擇性激光燒結的思想，成立了DTM公司，并于1992年推出了SLS[6]。相比于其他快速成型工藝，SLS最突出的優點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上來說，任何加熱后能夠形成原子間黏結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料[7]。目前，可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、塑料、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料[8]。國內外對SLS成型加工材料的研究取得相應進展：DTM 開發了低熔點高分子蠟的復合材料以滿足復雜結構、精細鑄件的要求；EOS公司的新尼龍粉末材料可產生具有高精度和良好的表面光潔度的產品；華北工學院研制出了覆膜陶瓷粉末并投入使用；北京航空航天大學對聚碳酸酯進行了研究，通過改善其燒結工藝過程以提高成型件精度[9]。本文所選用的木塑復合材料[10-11]，是指采用木纖維或植物纖維與熱塑性塑料復合作為原料，再加入各種助劑，經過不同復合方法制成的一種高性能、高附加值的新型復合材料。這種新型的代木材料表面硬度是普通木材的2～5倍；無開裂、翹曲現象，機械性能優于木質材料；降低了吸水性能和吸濕性能；具有可降解、對環境污染小、可再生、成本低和壽命長等優點；而且具有同木材相似的加工性能。

浮雕是指在空間中，可完全獨立也可依附于某種載體，雖然有三維的立體形態，從本質上更具有二維的平面特性，適應于某種特定角度欣賞。浮雕造型工藝設計與生產在日常生活中的應用日益廣泛，將浮雕作品形體與空間語言的創造性和浮雕作品與環境關系的創造性結合使得浮雕在裝飾、工業上的意義更加突出。因此，基于3D打印的浮雕研究具有重要意義。

化學鍍銅是指在沒有外加電流的條件下，根據自催化氧化還原反應的原理，利用處于同一溶液的金屬鹽和還原劑在具有催化活性的基體表面上進行自催化氧化還原反應的原理，在基體表面形成金屬銅的一種表面處理工藝[12-13]。對非金屬基材進行均勻地化學鍍銅首先要對其表面均勻地活化處理，同時以提高鍍銅層質量。為保證化學鍍銅的順利進行，在此之前進行銀氨活化處理。鍍銅后的模型具有金屬光澤，可以更好地保護基材。因此本文對模型進行化學鍍銅后處理[14]。

1 基于木塑復合材料的SLS

1.1 木塑復合材料制備

本文所選用的木塑復合材料[13]是一種由木粉和聚醚砜(PES)熱熔膠及其他添加劑混合而成的復合材料。木粉屬于極性材料，PES屬于非極性材料，兩者的相容性較差，使得木粉纖維會阻礙PES熔體的流動。因此，木塑復合材料制備的關鍵問題是提高兩者之間的相容性。對原材料表面進行預處理和改性劑的適量使用是提高相容性的有效措施。其制備工藝具體為：將堿化后的木粉與PES粉末按比例混合，并加入少許添加劑，放入高速混合機中，溫度控制為60℃加熱混合均勻后置于45℃環境中烘干，得到可用于SLS的木塑復合粉末。

1.2 SLS的工作原理

選擇性激光燒結利用高能激光束的熱效應有選擇性地使粉末材料軟化或熔化，粘結成一系列薄層并使其層層疊加而形成三維實體零件，工藝原理如圖1所示。

圖1 選擇性激光燒結工藝原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of selective laser sintering process

工作時供粉缸上升，通過鋪粉輥將粉末在成型缸上均勻鋪上一層，高能激光束在計算機控制下根據制件各層截面的路徑規劃數據，有選擇地對粉末層進行掃描，被掃描區域的粉末材料由于燒結或熔化粘結在一起，而未被掃描的區域粉末仍呈松散狀，可反復利用。粉末掃描完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統鋪上新粉，控制激光束再掃描燒結新層，新加工層與前一層粘結為一體。重復上述過程，層層疊加直到加工出整個零件為止。最后，將未燒結的粉末回收到供粉缸中，取出成型件，進行適當后處理(如清粉、打磨等)[15-16]。木塑復合材料在選擇性激光燒結過程中需經過物理熔融、化學交聯和固化成型，其燒結過程可分為：固相PES在CO2激光器的作用下熔融成液相；木粉纖維顆粒調整位置并重新排列，各成分之間發生一定的化學反應而形成相應的化學鍵；形成固相而使顆粒黏結。

2 3D浮雕模型的生成

隨著浮雕造型設計在工業生產中的應用日益廣泛，浮雕的加工與數控技術的結合也更加緊密。雖然浮雕存在一種對“平面”或“墻面”的依賴關系，但3D打印和浮雕都屬于立體造型，在形體、空間方面存在相似性，因此通過3D打印研究浮雕具有重要意義。

圖2 彩色圖片Fig.2 Color image

圖3 灰度圖Fig.3 Grey-scale map

圖4 美化處理的灰度圖Fig.4 Beautification processing grayscale

選擇圖2的照片作為研究對象，利用軟件將彩色圖片2制作成灰度圖圖3，再利用Photoshop中的圖層樣式、橫排文字工具、柵格化、蒙版等命令在灰度圖中添加“one penny”“2016”等文字，制作出圖4；同樣，選擇圖5所示的圖片為研究對象，運用magics軟件處理并輸出“stl”格式的大白的3D模型圖6，將大白3D模型導入Geomagic軟件，點擊右側工具欄的矩形選框，在大白模型上框選出需要貼圖的區域，在“多邊形”下選擇“細化”工具，并設置參數：4倍細分，點擊“應用”。選擇“偏移”，找到“浮雕命令”選項，加載圖片，設置參數：點選“密度”選項，“修改圖像”選擇“負圖像”。在之前用矩形框選出的面內，框選出圖片的位置，圖片的大小可以根據實際的情況調整好導入。點擊“應用”可以查看效果，如果可以，點擊“確定”。在“多邊形”下的“去釘狀物”等修復功能使浮雕效果更佳完善。如圖7所示。

圖5 大白二維圖片Fig.5 Big White two-dimensional picture

圖6 大白三維圖片Fig.6 Big White three-dimensional picture

圖7 三維浮雕效果模型Fig.7 Three-dimensional emboss effect model

3 木塑復合材料選擇性激光燒結實驗

實驗使用的木塑復合材料為粉末狀(160目)，木與塑的比例為1∶4，并添加適量添加劑(偶聯劑等)。

打印前，首先將建立好的模型進行切片和路徑規劃，將實驗制備的木塑復合材料通過選擇性激光燒結法制備成型件，其中燒結加工參數如下：預熱溫度為80 ℃，掃描方向為X、Y方向交替，掃描路徑優化為深度-廣度混合原則，激光掃描速度2 000 mm/s，掃描線寬0.2 mm，激光功率12 w，分層厚度0.1 mm。

打印后，使用高壓空氣清浮粉的方式清粉，由于木塑復合材料內部呈多孔狀態，本身強度不高，表面光潔度較低，另外，化學鍍銅過程中，需要在強堿溶液中進行，本文對木塑基材進行滲蠟后處理以保護基材不受強堿溶液破壞，故將制件融于70 ℃的石蠟中進行滲蠟處理以降低制件的表面粗糙度、降低材料孔隙率以提高力學強度。

4 模型后處理

化學鍍銅需要在具有催化活性的基體表面上進行，而木塑復合材料為非金屬，不具有催化活性，因此必須對其表面進行適當的預處理方可進行化學鍍銅[16-17]。為了使化學鍍銅反應在基體表面上順利進行，必須在基體表面上形成一層金屬微粒作為銅沉積的催化還原中心?；瘜W鍍前的活化[18]對化學鍍本身影響極大。活化效果的好壞直接關系到化學鍍能否進行，鍍層是否均勻，鍍層與基體結合力是否達標等。本文采用的活化處理方法為銀氨活化法，在潔凈的燒杯中加入3.00 g/L 硝酸銀溶液300 mL，緩慢加入氨水并振蕩至溶液澄清，即得活化用銀氨溶液。在室溫(約24 ℃)下對基材活化10 min。本文采用分析純試劑和蒸餾水配制化學鍍銅液，具體配方和工藝條件為：CuSO4.5H2O 15 g/L，37%(質量分數)甲醛15 mL/L，酒石酸鉀鈉15 g/L，乙二胺四乙酸二鈉20 g/L，亞鐵氰化鉀0.01 g/L，NaOH 適量，pH為11.5～12.0，裝載量3 dm2/L，溫度50 ℃，時間20 min。以甲醛為還原劑的化學鍍銅工藝的優點是原料易得，較便宜，工作溫度較低?；瘜W鍍銅完畢后，充分水洗鍍片10 min，置于恒溫烘箱中50 ℃干燥1 h。處理前模型如圖8所示，得到處理好的模型如圖9所示。

圖8 處理前模型Fig.8 Model pre-processing

圖9 鍍銅模型Fig.9 Copper plating model

5 結論

3D打印技術的應用日益廣泛，本文研究了將二維圖片轉換為3D浮雕的方法。由于SLS的分層燒結思想，能夠實現復雜形狀零件的快速制造，本文利用SLS打印出實際浮雕模型，使圖片的內容更加形象化、多樣化，燒結過程中選用了具有成本低廉、抗老化、尺寸穩定性好，容易著色，具有木材的質感且可循環利用等優點的木塑復合材料作為打印材料。為在非金屬基材上進行化學鍍銅，在鍍銅前須進行滲蠟和銀氨活化預處理，本文使用化學鍍銅的后處理方式使已打印的模型表面金屬化。

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3D Printing and Afterprocessing Research Based on Wood-plastic SLS Images Turning to Emboss Model

Li Jian1，Zhao Yijin，Zhao Yongzheng，Guo Yanling*

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In the view of the application of the individual emboss model in the construction and process industry，the two-dimensional color images were firstly transformed into grayscale images，and then the corresponding patterns were produced by grayscale images to generate emboss and 3D model.Secondly，choosing the environmentally friendly，renewable wood-plastic composite materials as 3D printing materials，studying the appropriate processing technology，3D printing was generated based on the selective laser sintering method.The sintering parameters were as follows：the preheating temperature was 80 degree，the scanning direction is X and Y direction alternates，the scanning path was optimized for the depth-breadth mixed principle，the laser scanning speed was 2 000 mm/s，the scanning line width was 0.2 mm，the laser power was 12 w and the layer thickness was 0.1 mm.After printing，high pressure air was used to clear floating powder.Finally，after the waxing，activation treatment and other post-treatment process to protect the substrate，reducing the surface roughness of the workpiece and the porosity of the material to improve the mechanical strength，the emboss model was electroless coppered and obtained a uniform texture of the metal copper coating.This paper studied the key technologies of personalized emboss processing，which had the wide application and fast processing speed and used energy-saving and environmentally friendly materials.Different treatment processes could be carried out according to different requirements，which had important research value.

Wood-plastic composite material；selective laser sintering；emboss；electroless copper；afterprocessing

2017-02-24

中央高?；究蒲袠I務費專項資金(2572015BB05)；國家自然科學基金項目(51475089)；高等學校博士學科點專項科研基金資助課題(博導類)(20130062110006)；中國博士后基金項目資助(2015M571382)；東北林業大學大學生科研訓練項目(2572015BB05)。

李健，博士，副教授。研究方向：增材制造。

*通信作者：郭艷玲，博士，教授。研究方向：增材制造。E-mail：251231848@qq.com

李健，趙一錦，趙永政，等.基于木塑SLS的圖片轉浮雕模型3D打印及后處理研究[J].森林工程，2017，33(4)：70-73.

S 784；TQ 153.14

A

1001-005X(2017)04-0070-04