3D打印技術在精密檢測工程中的應用

李 毅 許艷博 王 超

(1.北京市測繪設計研究院, 北京 100038;2.城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

無舵雪橇起源于北歐,1964年在第九屆冬季奧運會中被列為正式比賽項目。有舵雪車,起源于瑞士。由無舵雪橇發展而來。雪車用金屬制成,形如小舟,車首覆有流線型罩,車底前部是一對舵板;上與方向盤相接,車底后部為一對固定平行滑板,車尾裝有制動器。第一屆冬季奧運會中有舵雪車即被列為正式比賽項目。在現代的雪車、雪橇比賽中,選手的速度可以達到每小時140 km或者更大,其離心力超越5 G。比賽存在一定的危險性,滑道需要嚴格按照設計進行施工。根據往屆冬季奧運會的資料,雪車雪橇為管狀的賽道內鋪設冰面,賽道的設計難度為冬奧會項目中單獨最高,認證次數、審批最復雜,需要國際雪車聯合會( International Bobsleigh and Skeleton Federation,IBSF)和國際雪橇聯合會(International Luge Federation,FIL)進行認證和審批。

國家雪車雪橇中心為國家級重點工程,賽道夾具為賽道制冷管定位的關鍵工序,三維空間定位難度大,定位精度要求高[1]。因此,有必要采用科學的測量檢測方案和高精度的測繪儀器對賽道施工進行測量檢測,結合工程特點,利用3D打印技術的優勢,設計并打印了各種便于觀測、固定的模塊來輔助觀測,大幅提高了觀測精度和工作效率。確保了賽道準確施工,保證比賽的順利進行。

1 3D打印技術

3D打印,即快速成型技術的一種,又稱增材制造,它是一種以三維模型文件為基礎的打印技術,基于傳統的平面印刷技術,利用噴頭的三維運動,逐層通過二維打印的疊加實現模型打印,通過增加層級材料來生成三維實體,是一種增材過程[2],這種方式被稱為熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM),是3D打印技術中比較成熟的一種技術。與傳統技術相較而言,3D打印技術具有打印過程更快、更便宜、更安全等典型特點[3]

3D打印早已開始在各個方面徹底改變著地球上的設計[4],該技術逐步應用于珠寶、工業設計、航空航天、建筑、汽車、工程和施工(Architecture Engineeringand Construction,AEC)、牙科和醫療產業等領域。2019年1月14日,美國加州大學圣迭戈分校首次利用3D打印技術,成功制造出了中樞神經系統結構的脊髓支架,幫助一只老鼠恢復了運動功能。2020年5月5日,中國的長征五號B運載火箭首飛成功,在太空中進行了3D打印實驗,是國際上首次在太空中進行的復合材料的3D打印實驗。如圖1所示。

圖1 太空3D打印系統在軌打印的樣件

2 檢測工作目標與檢測內容

總體工作目標是及時提供檢測數據指導賽道施工,確保賽道精確建成,有力保障國家重點項目的順利實施和安全運行。綜合利用衛星定位、精密水準和邊角測量等技術,根據工程進度推進,對施工放樣點進行精度檢測,及時提供檢測報告,保證放樣點精度和后續工序順利進行。

在2022北京冬奧會精密檢測工程中,國家雪車雪橇中心賽道工程需要對安裝點進行精確的定位,為保證后續支架的準確安裝,要求夾具施工精度小于5 mm,施工現場情況復雜,觀測位置距離點位較遠,給精確觀測帶來不便[5]。鋼結構夾具(簡稱夾具)特征點設置為精密定位后夾具上分布的4～10個(平均7個)特征點,特征點設置在夾具每個凸起模塊的左上棱中點。其中直道部分的夾具可設較少的特征點進行檢測,彎道部分的夾具可設較多的特征點,且特征點盡量設置在設計滑行軌跡的部分,入彎和出彎是重點。特征點設置如圖2～3所示。

圖2 直道部分夾具特征點設置圖

圖3 彎道部分夾具特征點設置圖

3 定位模塊需求與3D打印流程

3.1 需求分析

在賽道制冷系統安裝階段,檢測工作在定位管安裝完成后進行。夾具檢測點位置如圖4所示。

圖4 夾具檢測點位置

要檢測的是夾具上凸起的鐵塊,測量一律選取該鐵塊前進方向左側棱的中點,即圖4筆尖所指位置。由于夾具設置的方向、高度、彎曲程度均不同,導致不同位置的檢測點的測量方法也有所不同,如圖5所示,夾具水平段可立棱鏡測量而夾具豎直段不可立棱鏡。

圖5 賽道制冷段安裝過程

除此以外,在檢測過程中發現,綁扎鋼筋網的鐵絲也成為干擾因素,大部分檢測點無法直接觀測,給工作帶來極大困擾,降低了工作效率并且難以確保精度。

根據夾具本身的特點,設計了棱鏡組卡扣和既可以利用免棱鏡直接觀測又可以臨時固定棱鏡組的裝置,達到標記明顯、位置固定的效果。

3.2 3D打印工藝流程3.2.1 三維模型設計

在3D打印的工藝流程中(圖6),第一步就是要在計算機中使用三維設計軟件進行模型的設計,本工程定位模塊的設計采用solid works機械設計軟件,其特點是由尺寸驅動,即每個設計的零部件都需要由精確的尺寸來設定。

圖6 3D打印流程圖

3.2.2三維模型輸出

利用solid works將模型輸出STL格式文件,STL格式是3D打印技術領域默認的模型文件和最普遍常用的數據格式[6]。

3.2.3三維模型的分層處理

模塊打印前需要根據三維模型按照打印成型的高度方向分割成有序的二維層片,稱為切片,根據定位模塊的需要,利用SIMPLIFY3D軟件將切片高度范圍設定為0.2 mm,即每隔0.2 mm獲取一次模型輪廓。

3.2.4打印

此步驟是將模型從數字轉為實體的過程。實現3D打印技術的本質即為分層制造并進行疊加,將一個三維立體物體通過一層層平面建造疊加實現[7]。定位模塊的打印采用了熔融沉積成形技術(Fused Deposition Modelling,FDM)[8]進行打印。

熔融沉積打印技術使用的料是熔點偏低的塑料絲或金屬絲,通過噴頭中喉管將打印材料融化成半液體并擠壓出來,根據已生成的切片擠壓頭沿著每一層的切片輪廓路徑準確運動,擠壓頭擠出的半液體的低熔點打印材料沉積固化成實際零部件薄層,每一次新打印的薄層都覆蓋在已打印沉積好的累積薄層之上,并在很短的時間內凝固,一層成型輪廓打印完成,工作臺便上升或下降一層切片高度,噴頭再進行同樣的掃描打印過程,重復以上沉積步驟,直到最后一層,通過成型部分和支撐部分的相互穿插,逐漸構成一個實體零部件[9-10]。

模塊使用的3D打印機是基于XYZ箱體結構的打印機,標稱精度XY方向為0.1 mm,Z方向由切片軟件進行設定,模塊采用0.2 mm垂直精度,噴嘴直徑為0.4 mm。

3.2.5后處理

當所有的截面都完成后,需要將模型從打印平臺上取出,進行最后的處理,根據需要進行打磨、上色,模塊還需要安裝強磁裝置。

4 定位模塊設計關鍵技術

為解決大部分檢測點無法直接觀測的問題,經過反復思考、計算、試驗論證,最終采用方法為徠卡小棱鏡組(A-B鏡)測量法。即利用空間位置關系,從能觀測到的地方把三維坐標傳遞到隱蔽檢測點上，如圖7～8所示。

圖7 雙棱鏡組合模塊

具體方法是,采用3D打印技術制作一個卡扣,把兩個徠卡小棱鏡無縫連接在一起,組成一個棱鏡組,以確保雙棱鏡中心與棱鏡桿尖端同軸。在圖8的雙棱鏡連接方式中,兩棱鏡不僅達到了同軸的效果,且兩棱鏡中心理論距離為10 cm。

圖8 雙棱鏡組合使用

立鏡人員把棱鏡組頂端放置在隱蔽檢測點上,測量A棱鏡及B棱鏡三維坐標。最終通過嚴密的計算公式,把三維坐標通過兩個小棱鏡傳遞到檢測點上,完成對隱蔽點的測量。

在實際工作中發現,通常小棱鏡組是橫放或斜放于檢測點上的,此時棱鏡上的圓氣泡不能告訴我們棱鏡桿是否有晃動,而這個晃動產生的誤差影響可能會很大。所以，我們在棱鏡桿上捆綁兩根繩索,將其懸掛于鋼筋網上,與棱鏡桿形成一個穩定的空間三棱錐結構,以保證其穩定。此時棱鏡桿與檢測點能否穩固連接成了新的問題。

為解決此問題,我們采用3D打印技術制作了一個邊長2 cm、厚約1 cm的方形定位模塊,該模塊可與夾具完美貼合,模塊內嵌磁石,可穩妥固定在夾具上,模塊上的錐形孔孔徑依據小棱鏡桿尖端大小制作,保證棱鏡桿尖端能夠準確無誤地立于檢測點上。定位模塊樣式如圖9所示。

圖9 定位模塊

棱鏡組及定位模塊現場使用方法如圖10所示。

圖10 雙棱鏡組與定位模塊的生產應用

雙棱鏡組計算原理如圖11所示。

圖11 雙棱鏡組測量的數學模型

為求得檢測點的X值,公式為：

(1)

根據上述小棱鏡組制作方法,理論上把兩個小棱鏡組裝在一起,小棱鏡頂端(即檢測點位置)到A小棱鏡中心點理論距離D′應與A、B兩個小棱鏡中心點間的理論距離D相等(均為100 mm)。因此A、B間該方向上分量為：

(2)

但A、B小棱鏡之間的實測距離d與其理論距離D不相等,需要引入一個常數k：

(3)

引入常數k后,最終A小棱鏡距檢測點之間距離為：

(4)

其他方向增量推算過程同上。

綜上所述,檢測點坐標及高程計算公式如下：

對于部分無遮擋的檢測點,利用3D打印技術設計出各種模塊,并在模塊表面加貼了觀測用的反射片,大大提高了立鏡人員的工作效率。如圖12所示。

圖12 可用于全站儀觀測的定位模塊

5 夾具檢測結果

通過采用3D打印技術設計出的各種模塊,安置在賽道夾具上,所測坐標如表1所示。

表1 S47段夾具檢測坐標比對表

通過3D打印技術設計出的各種定位模塊,放置在夾具上,隱蔽點測量問題得以徹底解決,并且能在委托方要求的時間內快速提交精準的坐標比對數據。在未引入上述方法前,大部分隱蔽點無法觀測,需要投入大量人工和時間,或避開現場遮擋物或尋找可通視控制點,檢測效率和檢測精度都受到影響。利用上述方法大大提高了工作效率,減少了人工成本和時間成本,也保證了精度。

6 結束語

利用3D打印技術解決了棱鏡組精確無縫連接、棱鏡組的固定和可用于全站儀直接觀測的輔助定位模塊。經過冬奧會定位模塊的設計,實現了不同領域先進技術的融合,解決了實際生產中的問題,測量定位所需的零部件可根據需求進行設計,3D打印無論在成本、速度和精確度上都優于傳統制造方法,它具有高度柔韌性、個性化和實體自由成型等特點。3D打印機開辟巨大的創新設計空間,極大地發揮設計者的想象力。通過不斷地思考與實踐,3D打印技術在測繪領域會有更廣闊的應用空間。