塑制非易損孤件3D打印快速制作策略研究

孫維澤

（貴州航天職業技術學院,貴州 遵義 563000）

0 引言

在機械裝備制造領域里，常見塑制件破損無替代品的情況。一般塑制件的生產都是注塑產品，需要開注塑模具，工件成型要經過填充——保壓——冷卻——脫模4個階段[1]。采用傳統的注塑工藝需要花費大量的開模時間以及開模成本，效率低下。若采用本文研究的結合3D掃描逆向技術及3D打印快速制作產品的方法，可以大大的縮短制造時間以及降低成本。3D掃描技術，逆向工程（Reverse Engineering，RE）是一種反向建模工程，該技術是指利用測量儀器獲得已有產品模型的輪廓坐標，再通過CAD曲面重構方法獲得產品數字化模型，在此模型基礎上再設計，實現產品“創新”，最后通過傳統方法或快速成型機制作樣品[2]。本文以某特種設備薄壁注塑底盒為研究載體，著重研究產品逆向設計復原及3D打印快速成型方案，探索塑制非易損孤件快速制作的方法。

1 3D掃描

1.1 掃描設備及工具

Win3D單目掃描設備1臺、顯影劑1瓶、標識點。

1.2 掃描實施方案及技巧

由于產品表面顏色較深，反光效果較差，故掃描前應該在通風處給產品均勻的噴涂上薄薄的顯影劑。產品正面大面上標貼3-4顆非對稱標識點（掃描過程中，無法通過一次掃描將產品各個面的輪廓掃描完，需要進行多次掃描拼接，標識點的作用在與點云群的拼接擬合），掃描產品正面各個方向點云；側面大面上標貼3-4顆非對稱結構標識點，用于橋接反面點云群；底部標貼3-4個非對稱標識點文件。通過正面4次、反面4次掃描，掃描產品底部各個部位輪廓。驅動軟件根據標識點位置進行拼接，獲得具有8個點云文件及8個標識點文件的點云群，掃描結果如圖1所示；點云數量為140多萬。

圖1 3D掃描點云群

2 3D逆向設計

2.1 Geomagic Studio點云處理

由于win3D掃描設備采集的點云單位是英寸，故點云處理前可對點云進行初步的預設值，包括將點云空間尺寸單位更改為“毫米”、重置旋轉中心、著色等處理。然后進入雜點清理階段，由于標識點文件是用于掃描拼接用的，雜點去除時可先刪除掉標識點文件，再運用手動套索、軟件識別非連接項、體外孤點綜合手段將雜點去除干凈[3]。由于該點云群是通過正反共8次掃描拼接活動的，點云拼接誤差需要進行優化，課采用“全局注冊”功能將點云群的拼接誤差降低。再通聯合點對象將8個點云文件合并為1個點云文件；由于該點云群是通過8次掃描拼接獲得的，因此點云各個區域的疏密程度是不一樣的，可通過采樣的方式挑選高質量的點云；Geomagic Studio點云處理結果如圖2所示。

圖2 Geomagic Studio點云處理

2.2 Geomagic Studio三角面片處理

點云處理完成后，直接封裝點云即可進入三角面片階段；通過觀察發現面片局部有破損的小孔，分析發現破口產生的原因為標識點標貼位置以及局部掃描盲區造成的。接下來根據破口的位置及特征采取內部孔、搭橋等方式組合對三角面片進行修補處理；然后再運用“去除特征”、“減少噪音”的方式將三角面片表面光順處理，Geomagic Studio三角面片處理結果如圖3所示；完成后將三角面片文件導出為“STL”格式文件。

圖3 Geomagic Studio三角面片處理

2.3 Geomagic DX模型重建

由于3D掃描及Studio處理階段模型是沒有建立符合CAD特征結構的坐標的，逆向設計過程中，第一步應該先對模型進行擺正對齊，由于該底盒零件底部是復雜曲面，盒口處輪廓在同一個平面，可將坐標原點建立在盒口平面上，以弧面圓心為坐標原點，局部對稱結構面定義X軸。再將面片領域進行劃分，采用面片擬合的方式創建盒底曲面；采用2D面片草圖獲取模型輪廓結構，創建盒壁結構及特征；Geomagic DX模型重建結果如圖4所示。

圖4 Geomagic DX模型重建結果

2.4 模型3D檢測分析

由于逆向設計的過程中會造成誤差，為了保證產品總要特征尺寸及結構，需進行模型3D檢測分析。本文采用Geomagic Qualify對3D模型和三角面片分別進行3D的、2D的以及點的比較，結果如下所示。

3D比較結果：最大+/-：0.4996/-0.4992mm；平均+/-：0.0118/-0.0067mm；如圖5所示。

圖5 3D比較

選取面2D比較結果：最大+/-：0.7135/0.4768mm；平均+/-：0.0079/-0.01mm，如圖6所示。

圖6 2D比較

選取點比較結果如圖7所示。

圖7 選取點比較結果

根據3D、2D以及選取點的綜合分析，整個3D模型的標準偏差0.04mm，在模型公差范圍內，符合設計要求。

3 3D打印制作

3.1 3D打印設備及材料

目前塑件3D打印主流的有光聚合SLA的和融融沉積FDM等，根據產品使用需求分析，產品表面要求不高，相對SLA的打印工藝，FDM的打印工藝更為簡便，故選擇工業級的FDM3D打印機。材料選擇ABS。

3.2 3D打印切片

3D打印前的切片處理是決定打印是否成功的關鍵，模型擺放方向決定支撐的位置及模型底面投影面積，支撐位置后處理時對產品表面質量會有較大影響。打印溫度、溫床溫度、走絲速度等工藝參數都直接決定了打印產品的質量以及打印產品是否成功。針對該產品結構特征分析，對該產品的切片參數如下表1所示。

表1 模型切片參數

由于該產品為特種設備局部底盒零件，外觀質量要求不高，內部為裝配位置，產品內部尺寸需保證，故選擇方案3；將產品支撐位置放到外殼上，并且支撐量較少，耗材耗時都是最少的方案。

3.3 3D打印加工及后處理

打印時先將工作臺調平，調整溫床狀態以及打印環境，降低打印過程造成翹邊的幾率。打印過程中保證走絲順暢，避免絲料打結等現象。打印完成后，在溫床溫度未降時及時取下產品，將底板及支撐去除，局部打磨等后處理，完成產品的生產[4]。最后將產品進行力學性能測試以及等效替換安裝調試，符合生產需求，外形尺寸誤差在0.1mm以內，甚至薄壁收縮率低于注塑工藝生產的原件，證明了該方案是可行的。

4 結語

本文以某特種設備薄壁注塑底盒為研究載體，提出了一種結合3D掃描逆向技術及3D打印技術快速制作塑制非易損孤件的方法。運用3D掃描逆逆向設計獲得3D數字模型，根據三維檢測分析，模型公差平均+/-:0.0118/-0.0067mm；再運用3D打印技術進行生產，打印制作完成后將產品進行力學性能測試以及等效替換安裝調試，符合生產需求，外形尺寸誤差在0.1mm以內，甚至薄壁收縮率低于注塑工藝生產的原件[5]。證明了該方法滿足塑制非易損孤件快速制作需求；更適用于產品逆向后，再創新設計快速打樣，縮短研發周期，降低成本。