3D打印抓斗造型探索

摘? 要：3D打印是一種新興的增材制造技術。本文結合天津港第四港埠有限公司引進的天津博諾智創3D打印機，主要探討了使用其進行抓斗造型的具體步驟和關鍵問題，提出了用膠水粘貼方法代替零件連接得到抓斗模型，該模型能簡單模擬抓斗作業過程。文章通過反復思考分析，根據造型中的失敗情況，總結了本次3D抓斗造型打印的最優參數，結合自身經驗提出了下次造型的改進建議。

關鍵詞：3D打印;抓斗;支撐;PLA材料

中圖分類號：TH122;TP391.73? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0187-03

Abstract：3D printing is a new manufacturing technology of augmented materials. Combining with Tianjin Bono Zhichuang 3D printer introduced by Tianjin Harbour Fourth Stevedoring Co.，Ltd.，this paper mainly discusses the concrete steps and key problems of grab modeling by using it，and puts forward a grab model which can simply simulate the grab operation process by using glue pasting instead of connecting parts. This paper summarizes the optimum parameters of 3D grab model printing based on repeated thinking and analysis，and puts forward suggestions for improvement of the next model according to its own experience.

Keywords;3D printing;grab;support;PLA materials

1? 研究背景

天津港第四港埠有限公司為普及知識，引導青年科技人才理解3D技術，響應集團“提質增效”要求和國家“雙創”方針，采購了天津博諾智創3D打印機，搭建了3D眾創空間平臺。

3D打印技術，又稱快速成型技術或增材制造技術，是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一項新興制造技術，它是指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計（CAD）模型或計算機斷層掃描（CT）等數據，通過材料的精確3D堆積，快速制造任意復雜形狀3D物體的新型數字化成型技術。3D打印技術的基本制造過程是按照“分層制造、逐層疊加”的原理，可以根據CT等成像數據，經計算機3D建模轉換后，再以STL格式文件輸入到計算機系統中，并分層成二維切片數據，通過計算機控制的3D打印系統進行逐層打印，疊加后最終獲得三維產品。

天津博諾智創3D打印機采用熔融沉積打?。‵DM）方式進行打印，打印機內側頂端有一個熱熔噴頭，塑性纖維材料經融化后從噴頭內擠壓而出，并趁機在配置的玻璃板上進行固化成型。這種方式是目前最常見的3D打印技術，其優點是技術成熟度高，成本較低，便于新手操作和了解3D打印技術，成型方式類似擠牙膏，生成難度相對較小，便于3D打印的初學者進行使用;缺點是成型件的表面有明顯的條紋，產品層間的結合強度低，打印速度慢，打印出來的產品機械強度不高。

2? 3D打印抓斗造型

本人作為3D眾創空間的一員，在2017年3-4月進行了抓斗3D造型，探索了技術應用過程。

2.1? 3D打印抓斗造型步驟

首先結合抓斗實體和圖紙，了解抓斗基本結構和工作原理，通過查找工程圖紙和現場測繪掌握抓斗尺寸，然后使用SolidWorks軟件繪制抓斗三維零件圖，把文件轉換為STL格式，使用Cube Pro軟件進行切割，最后通過計算機控制的天津博諾智創3D打印機進行打印并獲得3D模型。打印機操作的步驟是：首先在打印機支撐板上涂滿膠水，確保膠水涂抹均勻、厚度達標，其次是機器開始預熱支撐板，預熱完成之后融化塑性材料（PLA材料或ABS材料）進行打印，最終獲得打印件。

2.2? 3D打印抓斗造型的關鍵問題

3D打印系統工作原理是進行材料的逐層打印，疊加后最終獲得三維產品，打印過程與堆疊蛋糕相似，從最底層開始，由下向上打印，下層面積最大且不能懸空。對于由SolidWorks軟件工程圖進行拉伸和拉伸切除獲得的簡單造型的零件來說，可以直接把最大面作為支撐進行3D打印，打印件的成型效果理想。多次嘗試之后，對于六瓣抓斗這樣的對稱零件，筆者使用SolidWorks軟件進行三維造型時采取多次鏡像拉伸后單次批量打印的方法，節約打印時間，打印效率高。筆者在3D打印抓斗零件時遇到的主要困難是特殊零件無法找到水平支撐面。

由SolidWorks二維工程圖旋轉拉伸60度生成的抓斗斗瓣（如圖1所示），屬于復雜零件，沒有水平面作為打印支撐面，是整個抓斗3D造型的難點，筆者思考了三種方法嘗試打印。

方法一：把抓斗的六個斗瓣當作一個整體，打印出一個類似碗狀造型的打印件再切割為六等份。為測試可行性，先造型打印了一個小碗狀零件，經過幾次測試后發現抓斗的六個斗瓣拼接而成的碗型邊緣實際是向內凹的形狀，進行3D打印有困難，且切割存在一定困難。

方法二：在Crue Pro軟件中調整角度，把斗瓣造型的基準面作為支撐面，Crue Pro軟件自帶輔助支撐功能可以添加支撐，自動劃分零件后進行3D打印，打印后發現輔助支撐除去簡單，打印件整體效果較好，只在60攝氏度內凹邊緣有一定磨損。

方法三：針對支撐強度不足點，筆者在SolidWorks軟件造型中抓斗斗瓣自行添加柱狀造型作為支撐，試打印后發現使用工具去除支撐困難。

經過多次不斷嘗試和對比，本文選擇第二種方法進行打印。

在整體造型中，受打印范圍限制，抓斗模型不能做到一體成型，需要拆分成小零件分別打印之后，依靠膠水粘貼而成。主要方法是單獨造型各個零件再把各個部分用502膠水鏈接起來，對于爪形板等實際生產中使用螺栓螺母連接的零件，在造型使用無螺紋圓柱進行連接，

連接效果如圖1所示。

2.3? 3D打印抓斗造型出現問題探究

在3D打印抓斗造型的過程中，多次遇到造型不成功的情況，結合自身經驗，歸納為三點問題。

2.3.1? 設計考慮不全

3D打印的抓斗模型是依照實體繪制SolidWorks零件，但由于3D打印機打印范圍的限制，抓斗模型以1：40比例等比例縮小，這就涉及到零件縮小的問題，以爪型板為例：40mm厚度零件等比例縮小后為1.2mm，但經3D打印后發現厚度過小，無法起件，打印不成功。經反復試驗零件厚度應在4mm以上。因此，零件設計時應考慮打印厚度的問題。

2.3.2? 軟件不足

筆者在使用Cube Pro在進行零件切割時，出現了幾次由于切割引起的打印失敗情況。一是零件在切割后打印生成了沒有厚度的薄片;二是Cube Pro切割后，零件通孔消失;三是軟件自行增加的易除去的低密度輔助支撐變成了與零件同等密度的實體。經研究，在SolidWorks軟件抓換為STL格式在Cube Pro中切割時，有一些設計不兼容的情況發生，以至于打印效果與最初設計有很大差距。

為了加快打印速度，節約每次打印預熱和冷卻時間，通常使用SolidWorks軟件中的鏡像功能，一次性打印多個相同零件，之后觀察零件打印效果，打印效果不同，經研究分析是由于零件分割的問題，Cube Pro是一個閉環軟件，無法調節切合參數，致使打印效果不理想。

2.3.3? 天津博諾智創3D打印機缺陷

單頭打印限制，只能進行單色打印，無法實現雙噴頭的多色打印，也不能使用一個噴頭增料的同時用另一個噴頭去料打印。

3D打印的粗糙度極大，僅能在垂直打印噴頭的坐標上保證一定的精度，這是因為3D打印的原理是熔融工程塑料，塑料的冷卻后不能保證相應的精度。工程塑料本身的剛度較差，不能像金屬材料一樣保證生產作業要求。

3D打印中，螺栓螺母等聯接件無法體現，需在造型時進行簡化。打印大小的限制，成比例縮小后體現的只是整體外形，模型能做簡單運動體現機械作業過程，銷鍵等零件，定位限位功能無法體現。打印出的模型與實際情況有一定差距。

在抓斗造型期間，多次遇到因打印機斷料造成打印失敗的情況，有時是不能形成造型，經研究分析，這與快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料性質有關，ABS材料和PLA材料的打印溫度不同，ABS打印溫度為210-240攝氏度，加熱板溫度為80攝氏度，PLA打印溫度為180-200攝氏度，加熱板溫度為60攝氏度，融化后容易附著和延展，會堵塞熱源致使打印失敗。

3? 3D打印抓斗造型結論與展望

筆者試著對3D打印抓斗造型中出現的問題提出解決方案。

3.1? 抓斗打印最佳參數

筆者總結抓斗打印過程，發現抓斗打印采用白色ABS材料成型較好，需要保證打印零件厚度超過4mm，打印時間在100分鐘以內為佳，打印多個相同零件時一次性打印不超過4件，打印不規則零件時尋找支撐面，在制作模型時建議直接簡化小型聯接件，使用Cube Pro軟件切片時應多運用旋轉功能調整角度，找尋最佳打印效果。

3.2? 抓斗打印展望

筆者總結3D打印抓斗造型過程，對今后造型提出改進意見。

3.2.1? 全面考慮設計用途

筆者在設計抓斗打印方案時，作為機械工程專業畢業的學生，最初使用3D打印機進行抓斗造型時主要考慮機械原理的展現和機械結構設計的表達，但對于1：40的抓斗模型來說，很多內部零件的連接可以簡化。

筆者認為，除了學習掌握零件原理效果和打印尺寸的要求外，還需要綜合考慮探究3D打印的意義。3D打印模型可以將抽象的不易描繪的和想象的港口裝卸機械打印出來，利用更加逼真的形象的結構物引起員工的學習興趣，可動的模型能夠提高新員工的理解能力，達到良好的入場教育效果。此外，3D打印技術可以輔助生產機械的創新。實體機械的制造時間長，工序復雜，在實際生產中會產生問題進行改進，3D打印件可以從模擬仿真角度幫助技術革新，例如：部分結構的改進，機械自由度的分析等。

3.2.2? 優化切片軟件

3D打印切片軟件有數十種之多，本文用到的Cube Pro軟件是3D打印機廠家出廠時限定軟件，建議下次打印時切片可以選用MeshLab和Blender等更專業的軟件，也可以使用Slic 3r等開源代碼的3D切片軟件。

3.2.3? 改進打印機功能

本次筆者使用的3D打印機功能簡單，為單一噴頭，處理復雜結構零件困難。繼續探究時，建議選擇雙噴頭、大尺寸、功能豐富的打印機，以筆者在網上找到的Raise3D打印機Pro2 Plus為例，雙噴頭零件既可支撐打印機械結構復雜的部件同時又可以使用不同耗材，提高零件的精度;打印尺寸范圍為305mm×605mm，速度精度均優于筆者使用的博諾智創打印機，能夠有效提高打印速度;該打印機可以支持除了PLA、ABS以外的HIPS（抗沖擊性聚苯乙烯）尼龍、木屑等多種材料，降低打印成本。

參考文獻：

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作者簡介：杜美茜（1992.03-），女，漢族，天津人，碩士，研究方向：機械工程。