基于soliworks軟件的FDM 技術3D打印設計與實踐

1 引言

3D打印技術(3D Printing Technology)起源于20世紀 80年代出現的快速原型制造技術(Rapid Prototyping Manufacturing)，是依據計算機 3D 建模，以數字模型文件為基礎，通過軟件和數控系統，將特制材料以逐層堆積、疊加成形的方式構造物體的技術。3D打印是一種全新的制造方式，被認為是近年來世界制造技術領域的一次重大突破。3D打印涉及的技術包括 CAD(計算機輔助設計)建模、測量技術、接口軟件：精密機械、激光和材料等。

目前比較成熟的快速成型技術和相應系統已有十余種，其中較為成熟的技術有：薄形材料切割成型(IOM)、絲狀材料熔融成型(FDM)、液態光固化成型(SLA)、粉末材料燒結成型(SIS)等。盡管這些快速成型系統的結構和采用的原材料有所不同，但它們都是基于先離散分層，再堆積霍加的成型原理，即將一層層的二維輪廓逐步疊加成三維實休。其具體差別主要在于二維輪廓制作采用的原材料類型，成型的方法以及械面層與層之間的連按方式等內容。

FDM 是熔融沉積成形工藝。與其他類型的3D打印機相比，使用FDM 技術的3D打印機具有體積小、成本低、操作簡單等特點，是桌面級3D打印機中最為常見的一種類型，圖1所示為FDM原理示意圖。

2 快速成型技術前期處理精度

2.1 產品三維CAD數據建模過程

3D打印的前端信息是三維CAD數據模型，即所有的快速成型方法都是由三維CAD數據模型經過切片處理來直接驅動的。三維CAD數據模型必須首先處理成快速成系統所能接受的數據格式，并且在原型制作之前還需進行分層和切片處理。因此在3D打印前以及原型的制作過程當中，需要進行大量數據的準備和處理、轉換等工作，數據的充分準備、有效處理在一定程度上決定著原型制作的效率、質量，甚至成型制件的精度。所以，在整個快速成技術的實施過程中，三維CAD數據的處理是十分必要和非常重要的。

3D打印技術的核心就是將零件的三維CAD數據模型經過分層后，直接快速制造得到零件的實體原型。其具體的制作過程大致可分為快速成型數據模型的前處理速成型的中期處理、快速成型制件的后處理三個階段。

隨著瀝青砂漿厚度的增加，其抗拉強度并未出現明顯變化，當瀝青砂漿過渡層厚度達到8 cm后，拉伸試驗各項性能指標趨于穩定。

3D打印的工藝數據的前期處理就是三維CAD數據模型的建立。三維CAD軟件設計出CAD數據模型是一種非常重要的、最廣泛的數據模型。由三維造型軟件生成產品的三維實體的或者表面數據模型，然后對再對實體模型或者表面模型進行分層，得到工藝所需要的、精確的截面輪廓信息。然后將設計好的三維實體模型轉換為3D打印工藝所接受的文件格式，常用的.STL格式，再進行分層得到3D打印工藝所接受的加工路徑。圖2所示為產品三維CAD數據建模過程。

物理試卷講評課最怕的是教師報答案，就題論題、蜻蜓點水、平均用力、講評拖沓、只講不練。常見誤區有六個：一是缺少數據統計，如盲人摸象；二是試卷批改缺位，以講代批；三是逐題順次講解，講評泛化；四是缺乏變式訓練，補償不足；五是重講輕練，以講代評；六是學生被動聽講，反思缺位。客觀上說，教師試卷講評課缺位的主要原因是：學生局限于單一的分數，難以感受到自我學業的進步幅度，導致內在學習動力缺失；教師對學生知識、能力維度的缺失程度了解不夠精準，導致試卷講評陷入盲區。

2.2 前期處理精度常用三維CAD軟件

用于構造三維模型的計算機輔助設計軟件應該有較強的三維造型功能和表面造型功能。在機械三維實體造型軟件中應用的最為廣泛的是Soliworks軟件。

選取2017年4月—2018年4月期間來我院診治的71例腫瘤患者作為研究對象，其中男42例，女29例，患者年齡介于24～83歲之間，平均年齡（51.45±4.76）歲，納入研究的71例患者均經病理檢查明確診斷，其中鼻咽癌19例，肺癌14例，顱腦腫瘤11例，宮頸癌5例，食管癌7例，結腸癌6例，直腸癌9例。

Soliworks是一套機械設計自動化軟件，采用用戶熟悉的Windows圖形界面，操作方便、簡便易學、容易掌握，廣泛應用于機械、汽車和航空等領域。在Soliworks軟件中共有三大模塊，分別是零件、裝配和工程圖，其中“零件”模塊包括草圖設計、零件設計、曲面設計、鈑金設計以及模具設計等。

從對落實基礎知識調查的問卷調查數據發現，有24.78%的學生需要老師對基礎知識講的更詳細，這部分學生基礎知識落實較差，需要另外采取措施去落實和鞏固，不然沒有扎實的基礎知識的學生談何提升能力，談何培養學生的地理核心素養。針對學生反映的課前預習效果偏低的問題，可從教師和學生兩方面共同解決。教師采取課堂檢查和督促課后鞏固相結合。

眼前的畫面雖然壯觀，但由于光比過大，對于相機的寬容度是個非常艱巨的考驗。松下G9相機采用了2030萬像素的數字傳感器，由于無低通濾鏡的設計，讓其可以提供清晰的圖像品質和超高的動態范圍。在保證高光光束不溢出的情況下，榕樹下暗部細節得以完整保留，讓整個畫面看起來層次豐富，即便放大仔細品味細節依然值得回味。

我們認識王維，多是通過他頗富禪意的詩句：“遠看山有色，近聽水無聲。春去花還在，人來鳥不驚。”在遠處，我們好像可以看見山川青翠的顏色，走近看，卻聽不到流水的聲音。春天已經過去，花兒還在那兒開著，人來了，鳥兒卻絲毫沒有受到驚嚇。讀他的《畫》，便如同畫在眼前，怪不得蘇軾稱贊他說：“味摩詰之詩，詩中有畫；觀摩詰之畫，畫中有詩。”

接著，我們在Soliworks軟件進行定位軸的三維建模。其建模過程步驟如下：第一步，旋轉。繪制左端的半球體的草圖，四分之一的圓弧繞中心軸線旋轉；第二步，拉伸基體。根據尺寸創建階梯軸的截面草圖，輸入第一節拉伸長度，用同樣的方法拉伸另外五節不同直徑的軸長；第三步，在軸的右端面倒角。完成結果如圖5定位軸Soliworks三維圖所示。

孔。一般工業制造中，軸與孔的配合有三種方式，分別為間隙配合，過渡配合和過盈配合。在30打印中由于可用工具較少(一般有尖嘴鉗，砂紙和銼刀)，再加上打印材料本身存在熱脹冷縮，所以一般選用間隙配合的方式。軸與孔在建模時會留出0.1～0.4mm 的間隙，具體根據模型大小進行調整。

3 基于Soliworks軟件的定位器的設計

采用快速成型技術進行產品或模型的加工與制作，首先需要準備好前端的三維 CAD 數據模型。即目前幾乎所有的快速成型的加工制造方法，都是借助三維CAD數據模型，經過恰當的切片處理后直接驅動快速成型設備進行快速加工與制作。與此同時，三維CAD數據模型資料領處理成快速成型系統所能接受的、特定的數據格式才能進人快速成型系統進行特定的切片處理工作。

1979年春，一場由法國服裝設計師皮爾·卡丹組織的模特時裝秀，在北京民族文化宮上演，在當時滿大街的“藍綠灰”服飾中，投射下一抹艷麗的色彩。

在本次任務中，我們使用Soliworks軟件進行定位器的設計。定位器由七種零部件組成，主要包括：支架、定位軸、套筒、蓋和把手等。根據各零件的工程圖進行零件設計，在設計過程中兼顧除了強度、精度、時間以外還需要進行零件之間的公差配合要求。圖3是定位器的裝配立體圖和示意圖。根據主要零部件的工程圖的設計要求，在Soliworks軟件上進行零件設計，得到圖4支架Soliworks三維圖、圖5定位軸Soliworks三維圖、圖6套筒Soliworks三維圖、圖7蓋Soliworks三維圖、圖8把手Soliworks三維圖。為了能適應FDM技術打印機的使用要求，我們把三維圖保存成“*.STL”格式，直接輸入其相配套的軟件，進行打印的相關參數設計。

將打印機運用到現實生活中除了需要考慮強度、精度、時間以外還需要進行組件之間的公差配合，需要充分考慮打印材料的熱脹冷縮以及打印精度對成品零件的影響。這使得整個打印過程中的任何一個環節對最后的結構都起著決定性的作用，必須將各個影響因素進行考慮。下面將以定位器各零部件打印過程為例進行講解。

Soliworks提供了非常強大的裝配功能，其優點如下：在Soliworks的裝配環境中，可以方便地設計及修改零部件。Soliworks可以動態地觀察整個裝配體中的所有運動，并且可以對運動的零部件進行動態的千涉檢查及間隙檢測。對于由上千個零部件組成的大型裝配體，Soliworks的功能也可以得到充分發擇。鏡像零部件是Soliworks技術的一個巨大突破，通過鏡像零部件，用戶可以由現有的對稱設計創建出新的零部件及裝配體。在Soliworks中，可以用捕捉配合的智能化裝配技術進行快速的總體裝配。智能化裝配技術可以自動地捕捉并定義裝配關系。使用智能零件技術可以自動完成重復的裝配設計。

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，由于技術創新符合CAD技術的發展潮流和趨勢，在機械類3D打印三維設計時常被使用，能根據設計要求進行建模，以保證加工或者裝配要求。基于Soliworks的優點和功能，Soliworks作為保證快速成型技術前期處理精度的三維優選軟件。

套筒的建模步驟如下：第一步，旋轉。繪制套筒的軸向截面圖，繞中心軸線旋轉即可得到套筒輪廓；第二步，在套筒右端內圓柱面加上裝飾螺紋即可。完成結果如圖6套筒Soliworks三維圖所示。

蓋的建模步驟如下：第一步，旋轉。繪制蓋的軸向截面圖，繞中心軸線旋轉即可得到蓋輪廓；第二步，在蓋左端外圓柱面加上裝飾螺紋即可；第三步，倒角。完成結果如圖7蓋Soliworks三維圖所示。

Soliworks 提供了十分強大的、基于特征的實體建模功能。通過拉伸、旋轉、掃描特征、放樣特征、特征的陣列以及打孔等操作來實現產品的設計；通過對特征和草圖的動態修改，用拖曳的方式實現實時的設計修改；Soliworks提供了三維草圖功能，該功能可為掃描、放樣等特征生成三維草圖路徑，或為管道、電纜線和管線生成路徑。

最后，把手的建模步驟如下：第一步，旋轉。繪制蓋的軸向截面圖，繞中心軸線旋轉即可得到把手輪廓；第二步，在把手小端插入暗銷孔；第三步，旋轉切除。在左端外圓柱面旋轉切除得到光孔，加上裝飾螺紋即可。完成結果圖8把手Soliworks三維圖所示。

4 FDM技術的3D打印

首先，我們在Soliworks軟件進行支架的三維建模。其建模過程步驟如下：第一步，拉伸基體。為支架底板創建草圖，然后通過拉伸命令輸入拉伸高度即可完成；第二步，拉伸切除。在支架底板上表面繪制兩孔草圖，在拉伸切除選項板面，選擇“完全貫穿”的切除方式即可完成；第三步，立板的拉伸。在支架底板的左側面，繪制立板草圖，輸入拉伸高度；第四步，插入“簡單孔”，輸入孔徑尺寸即可；第五步，通過“異形孔向導”，設置孔規格，確定孔的正確位置，即可創建成功；還有倒圓角等各種細節完善。最后結果如圖4支架Soliworks三維圖所示。

4.1 3D打印中的常用連接方式

我們通過運用三維設計軟件Soliworks對機械類定位器的各零部件設計，使用FDM技術進行3D打印，達到3D打印裝配精度要求。

第一，同行競爭加劇。2017年共享單車在全國各地打響正面競爭，激烈競爭帶來高推廣成本。每當一家公司開通一座城市時，就會有少則數萬輛多則數十萬輛的單車投入。同時要跟進單車轉運團隊，單車運營團隊和當地運營推廣團隊，再加上單車的成本費用和線上線下的推廣運營的費用，使部分企業無額外的資金回收維修廢料共享單車。第二，用戶忠誠度難培養。共享單車是工具類產品，依靠用戶。在贏取用戶信任前，大部分用戶會進行產品體驗，互相借鑒。部分企業難以保證能贏得用戶的青睞。第三，部分企業管理能力有限。部分企業缺少相關的專門管理機制，內部維修人員有限，維修人員維修能力不強。

螺紋。螺紋配合在比賽中運用較多，在3D打印中螺紋的設計與打印可以考查建模能力、應變能力(需要選擇合適牙型、螺旋距和牙型截面的大小)以及對打印參數的設定。在實際建模過程中需要考慮打印機成形特點、成形精度和材料特性，這就要求在建模時考慮配合公差，一般會留出 0.1～0.2mm 的間隙。

其他連接方式。3D打印中除了孔和螺紋，一般還會用到楔連接、銷連接、鍵連接、花鍵連接、彈性環連接、鉚接和膠接等，也需要在建模時考慮公差的配合。

4.2 3D打印步驟

步驟一：導入定位器的支架、定位軸、套筒、蓋和把手零件模型文件至FDM 技術的3D打印機設備配套的加工軟件中，進行產品零件的3D打印參數設計，完成定位器零件的3D打印制作。

步驟二：后處理 剛打印完成的零件第一步是去除支撐，這里就需要細心地將每一部分的支撐去除，是免劃傷模型。支撐去除后我們可以看到在支撐去除的地方成形并不是太好，就算沒有支撐的地方有時也會有毛刺，這時就需要我們進行后處理。

由于剛脫離打印系統的打印件比較粗糙，所以需要用到銼刀、尖嘴鉗等工具經過二次處理才可以使得表面更加光滑、適用性更強。

步驟三：完成3D打印工藝卡。通過工藝卡的填寫與記錄，可以根據裝配精度要求，在打印過程中通過對工藝參數的對比，得出最優化參數，為后續打印提供有利參考。

5 結語

3D打印技術的不斷發展，以及越來越被廣泛使用，讓使用者對它的打印精度要求越來越高。我們在使用Soliworks軟件快速完成機械零件的設計，根據設計要求和裝配要求，在FDM技術打印機上完成3D打印，經過簡單后處理得到符合裝配精度要求的成品。經過不斷的優化參數設計，滿足越來越復雜零部件的各精度要求，解決實際生產的需要。

[1]陳吉祥，王基維.快速制造(3D打印)項目應用[M].北京，機械工業出版社.2021.01：1-78.

[2]韓霞，楊恩源.快速成型技術應用[M].北京，機械工業出版社.2012.03：127.

[3]鐘興華等. 基于FDM的3D打印賽車方向盤設計[J]. 汽車實用技術,2019.07：165-168.