基于3D打印的手壓充電筒設計與開發

傅祖發

（福建林業職業技術學院，福建南平353000）

近來年，隨著科學技術的不斷進步，3D打印機與材料成本的降低，在工業產品過程中，3D打印的作用也越來越大[1]。傳統設計師以基于實物工業產品設計開發，開發平臺為實物，設計完成所有的零件以后，試裝配出手工樣品進行調試，繁瑣工作方式，歷時漫長，每一微小的變動都需進行開模處理，設計研發成本高[2]。根據國際快速制造行業報告結果，國外利用3D打印產品的開發年均增長速度非?？?，越來越多國家利用3D打印進行產品的研發。國內近年來隨著國家提高智能制造、新的技術、材料技術、成型技術等不斷應用到制造領域，同時自主研發的3D打印機、成型精度也相對成熟。因此，3D打印技術也將向不同的領域的發展，同時3D打印機具有體積小，操作相對簡便等特點，更加適合于生產、設計與制造的一體化的需求[3]。

本文以手壓充電筒為例，研究基于3D打印技術的工業產品的開發與應用。通過三維軟件造型出產品的外觀與結構，將數據導入到3D打印機，快速成型出樣品，讓設計師更加直接有效創新實際物品，極大地縮小了費用與設計周期，給企業提升競爭力，產品總體設計過程流程如圖1所示。

圖1 產品總體設計流程圖

1 產品創意草圖繪制

在產品設計階段，設計人員通過創意草圖來進行設計方案表達，同時達到與客戶交流的目的。設計師空間想象方案與構思有效轉化為現實圖形，同時正確的設計草圖、完整表達設計構思與創意，能讓客戶更加滿意。當設計師拿到新產品或需改進產品時，首先，要學會分析，聯想到生活中有關聯產品，要以技術眼光去關注生活，關注產品的外觀與具體結構，多方面積累各種產品的樣式與素材。這樣進行設計，能夠第一時間想到產品的內部結構外觀，達到其借鑒和遷移。其次，設計要考慮人、物、環境三大因素分析，如：手動式環保充電筒，適合群體在于年青人，在原有基礎上增加一些特殊功能。最終當客戶滿意手繪草圖，模型設計師在相關設計人員的幫助下根據手繪草圖制作出充電筒的油泥模型，如圖2.

圖2 產品的手繪草圖

2 三維CAD模型制作

2.1 三維數據的掃描與處理

設計人員根據模型設計師的油泥模型即進行數據采集的階段，本文利用ATOS光學掃描儀對模型進行點云數據的采集，掃描數據由兩個部分組成：第一步是依靠設計人員做出的油泥模型，完成前進行粗略的預掃描，然后通過掃描儀自帶軟件模擬模型和充電蓋等功能件結構的裝配性[4]，并且根據充電筒布局發現干涉，實現結構空間設計的可能性，為避免曲面已經重構之后才才發現結構的問題，可再反饋到模型并修改和完善。第二步是依據設計人員最后制作油泥模型進行正式掃描，本次需要將模型細節盡量地掃描完整，并成為曲面重新構建的基礎依據。掃描完成后進行數據處理，由于直接掃描出的數據是大批的點數據，在曲面重構前還必須對點云數據完成必要的整理，包括：刪除雜點、補充點、過濾多余點云數據，從中獲得精準的數據，減少點云對計算機內存占用，方便提取點云特征。為突出細節特征，進行多視點云的拼合，在掃描過程將對局部點數據和點云的拼合、對齊等進行單獨的細節掃描。點云的分塊，主要根據充電筒的表面覆蓋件的不同零件來進行分塊，可以分為上蓋點云和下蓋點云、內部結構點云等。坐標系的對正，即把點云數據和充電筒的布局坐標系進行統一。同時通過三維CAD軟件將前面掃描的點云數據轉換并編輯點云數據，如STL、ASC、IES等通用格式。

2.2 產品的曲面重構與質量分析過程

運用逆向工程軟件對模型重構建和檢驗裝配，同時進行有關的工程結構設計的調整，在創建零件曲面模型數字化重新構建當中，特別是在基礎曲面構建時，需要對某個特定的曲面精度與光順進行評價分析，以保證掃描的曲面模型的滿足構建的零件的表面質量，這是掃描過程中對各個面是否達到要求進行的控制手段，因為以上過程分析往往針對基礎曲面，對于少量過渡和連接曲面的構建過程中有些特殊要求，分析通常較少涉及，因此當一個零件的曲面模型結束后，還需要從模型的實際情況總體的評估檢測曲面的光順程度，表面精確程度、曲面過渡性等，以滿足客戶外觀要求。光順分析實際中主要應用反射線法分析和截面曲率分析來檢測其光順性和曲面之間過渡的連續性要求，整體模型的反射線法分析效果圖，如圖3所示。分析的過程往往可以轉動一些方向，轉換多個角度觀察掃描曲面的破損情況，并且也能從圖中看到曲面是否滿足光順要求，同時分析曲面模型的截面曲率，可以看到變化均勻的基礎面曲率。用三維軟件查看曲率、外觀是否達到相切連貫的要需求。用構建的CAD模型三維數據曲面與點云數據進行做分析比較，可以看出曲面的精度滿足要求，同時對三維曲面模型的質量做評價，看誤差大小是否在可以滿足的范圍內。使用專門的誤差檢測分析軟件來對模型進行精度的分析。

圖3 整體模型效果圖

不同的三維數字化零件曲面要根據實際情況作出具體的判斷，然后采用最為合理、快速、精準的曲面構建方法去完成曲面模型的構建。對于簡單的零件，直接采取正向建模，對于復雜的曲面采用逆向建模，其它相關零件的曲面模型和構建也可以按照這樣的過程進行。各個外觀曲面模型以下蓋為基準進行匯總，裝配，模型效果如圖4，按以上流程完成后需要最終得到的充電筒的整個曲面。最終形成完整數字化裝配模型。

圖4 數字化裝配模型

3 模型STL文件的轉換

很多種型號的3D打印設備都能識別STL文件方式，同時也已成為快速成型領域的準接入格式。從目前來看，STL是三維模型離散分層處理前廣泛使用的數據格式文件，STL文件就是對實體模型或曲面模型進行表面三角網格化，用小三角形面片去逼近自由曲面。模型的曲面是通過多種空間三角形進行擬合面片，通過三維實體模型轉化為三角形網格化處理后得到的STL文件，以曲面轉化三角形的弦高差來控制模型的精度，同時反映STL文件擬合的模型的程度，如果三角網格在擬合誤差越大，所需的三角形面片數量越少[5]。如果三角網格的面片越多所組成的實體曲面精度就更高，就能更加接近于理想模型的的形狀，但隨之STL文件更大，面片分層也會帶來的切片的時間明顯增多，有時曲面的部分輪廓會生成很小的直線段，掃描輪廓的運動不利于斷續進行，致使表面不光順且成型效率是低下，因此從三維造型軟件輸出的標準的STL文件格式時，需要根據客戶的需求和產品綜合考慮并結合CAD模型的復雜程度選取的切片的精度參數和控制指標[6]。

STL文件的完整性、特殊性對快速成型的工藝表面質量有著重要作用，特別是要STL模型無裂縫、空洞，如果不修改這部分的缺陷，會造成成型過程后出現不完整的環和表面質量不高的現象。CAD模型中存在一些問題就會在轉化成STL文件過程中出現，對于一些較小的空洞和破損可以使用快速成型的自動修復曲面功能，不要重新切片，增大工作效率，對于打開STL曲面文件發現有較大的漏洞情況下，最好再到模型三維軟件中進行修改再重新轉化模型。

4 產品3D打印制作

首先將三維STL模型導入到打印機中，打印前，將自帶八個彈簧固平臺固定放好，才能保證模型穩固，不至于在打印過程中，發生偏移。同時將三維打印機進行回零處理，當發出蜂鳴聲時表示打印機噴頭和水平臺回到了零點位置，當歸零完成后會更新發出蜂鳴聲。

其次在正確校準噴嘴高度前，借助水平校準器進行平臺的水平校準，目的是確保打印平臺四個角在同一高度中。把設備配置的水平校準儀固定在噴頭處，用3D打印機配制好的雙頭線連接水平校準器和機器后方插頭，通過電腦軟件自帶的自動水平校準功能，水平校準器將會順序對平臺的進行九點式校準，并采集各點的參數[7]。為保證模型與打印正常黏結，同時又要防止噴頭在工作臺磨損，使噴頭變大，精度變小，需要在打印前，用一張A4紙的厚度來調整噴嘴高度。測試前，將水平校準器噴頭取下，將噴嘴換洗干凈以便測量準確，將平臺緩慢上移，在接近噴嘴時，調整為進給小量上升，這樣移動速度會變得更加慢速，并來回的抽動A4紙張，若A4恰好卡住，測試即完成，表示噴頭與平臺正好，軟件將會顯示目前噴嘴的所在高度[8]。

最后將模型導入軟件進行分層切片參數設置。選擇高質量模式，打印精度為0.1 mm，填充密度為20%，增加底座，不需要結構支撐，然后導出打印文件到U盤中，不需要結構支撐。消耗約132gPLA材料，打印時間6 h，回到機器內存界面，選中要打印的文件，按下按鍵開始打印，主界面開始顯示打印準備參數，進行該零件的3D打印制作，最終完成三維制作模型如圖5所示。

圖5 產品打印效果圖

模型打印完成后，打開門，取出水平托盤，用小鏟刀從模型四周慢慢撬開取下模型，用小鏟刀或稍微用力點的將充電筒支撐底座掰下來，要注意用力均勻慢慢用力，鏟起過程中不可將模型弄壞，同時觀察充電筒模型外觀是否滿足打印完整，細節是否清晰，光面手感是否光順，注意觀察是否有塌陷的結構，或出現材料抽絲的現象。如果出現少許的抽絲結塊現象，一般是正常的。同時將表面進行光順處理，用砂紙將模型進行輕輕，使外觀達到客戶需求。

5 結束語

手壓充電筒在日常生活必備的應用工具，基于3D打印技術創新研發系列新的機電產品，不僅大大降低了研發成本，而且能夠有效提高機電產品的研發效率，在外觀和使用性能上大大提高，并使得機電產品在虛擬數字樣機快速轉化3D實物樣機，實現虛擬樣機的實物制造，裝配檢驗和功能驗證，最終實現機電新產品的快速開發。

總之，3D打印在各領域使用非常多，并隨著新技術不斷發展，設備和材料使用性也不斷提高。各類3D打印產品將進入市場，同時將滿足各類需求。

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[3]肖瀟.3D打印打印在個性化創意設計中的應用[J].設計藝術研究，2015，5（1）：70-73.

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[5]蘇 春.數字化設計與制造[M].2版.北京：機械工業出版社，2010

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[7]陳步慶，林柳蘭.三維打印技術及系統研究[J].機電一體化，2005（4）:13-15.

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