空间薄壁结构成型3D打印工艺实验研究——以红船模型打印为例

陈天义，王 聪，张雨婷，杜训柏

(江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211170)

0 引言

在3D打印空间薄壁结构模型过程中，因竖向结构以及大跨度板结构来不及固化，易弯曲变形和坍塌，导致成型控制是其3D打印的一个难点[1]。为庆祝建党一百周年，江苏省举办“中国共产党在江苏”主题展活动，受江苏省委宣传部委托，江苏海事职业技术学院承担2∶1缩小比例红船模型制作任务。红船模型上层建造跨度大、竖向支撑少，在模型缩小后，其尺度存在不协调、不美观的问题，为此，采用3D打印红船模型，确定各主要尺度。

1 实验方法

基于江苏省委宣传部提供的红船模型原始图纸，并采用3D扫描仪扫描红船模型，获得红船基础数据，采用Solidworks软件完成红船模型的建模(见图1)，并研究缩小尺度比例，使缩小后的红船模型长、宽、高以及内部尺度比例协调。为验证模型尺度，采用3D打印法打印红船模型。

图1 3D扫描并建模

本项目研究路径为：一是要找到便捷的方式来获取红船的各项精确数据，对于舷侧板、扶强材等复杂结构需要后期进行数据比对以及优化；二是在数据采集完毕后，需要用与之相匹配的建模软件来对红船进行三维立体建模，使数据贴合模型；三是在打印过程中采用不同的材料以期获得最圆润的PLA模型；四是为了整个项目的效率以及提高打印模型的容错率，需要建立预测性模型并通过调整数据和设计模板达到预期效果，核心问题即是把数据准确转化为模型[2]。

实验在极光尔沃品牌G3型号的实验机上进行，设备具有5.8英寸彩色触摸屏，UV平行光源，打印精度高，表面光滑度高，能打印各种复杂模型。设备打印速度快，有助于快速完成模型打印。实验设置参照组对比模型(见图2)和9个对比工况(见表1)。

表1 实验工况

图2 切片模型

采用3D扫描仪扫描红船模型，使用Copy CAD来进行数据处理，在数据采集测量后，编辑数字化数据。数据处理采用u、w向差值计算。在三维重构中，首先将甲板、舷侧肋骨、船底纵桁、内底纵骨、船底板等数据输入Copy CAD中，然后再对照修正有误数据，最后输出红船的三维模型，通过在Copy CAD设定较小公差控制自动产生多块曲面精度，同时确保红船各连接曲面之间正切的连续性。通过Copy CAD对红船曲面进行错误检查，比较曲面与数字化点数据，报告最大限、中间值和标准值的背离以及错误图形形象地显示变化。例如红船舷侧板曲面与数字化点数据不符，经过比较就可以得到曲面的错误所在。在三维重构准备完成后，就可以输出STL文件，成为3D打印机可读取的文件[3]。接着通过计算机软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。绘制红船各基准面的视图，如图3所示。

图3 红船模型及各向视

由于3D打印机的打印空间有限，需要把红船模型缩小10倍，才能达到打印要求。微小模型的高精度打印工作就是本项目中的重点、难点。考虑所用的切片软件的适配度，也就是上述所说的建立预测性模型并通过Cura切片来预览打印模型及时纠正打印数据的错误，通过预测性模型不断模拟并更正打印模型。在切片工程中，对红船的层高、边缘宽度、填充度进行合理适配。同时也对打印材料进行适配度调查，选择PLA材料可以很好地支撑红船的打印模型。经过大量实验，打印出多个模型以期得到外形美观的红船模型。

在实验中，通过对走线宽度、支撑模型、支撑结构等进行过反复实验，得到光滑、精确的外表面。而对于红船的结构脆弱问题，通过对比实验，现填充度过低会导致船体本身脆弱，从而导致船体软塌。填充度在60%～70%，红船模型可以很好地支撑船体，但是整体仍然缺乏精密性。填充度在80%～100%之间既很好地使船身精密性很强，又能够托住船体。后期再经过砂纸打磨，使船体更加光滑，美观度有所上升。在得到PLA红船模型的基础上，又实验打印了树脂模型，在树脂中打印有很好的隔绝效果，在树脂中打印需要快速冷却和干燥，可用吹风机冷却、冷风、热风等方法来冷却[4]。探索树脂3D打印更加柔和且易于后期再操作。通过3D打印得到了多个整体美观，结构强度好的红船模型。使用树脂打印的模型(见图4)要比使用PLA打印的模型(见图5)要好得多，其细节更加的细腻。

图4 采用树脂打印的模型

图5 采用传统PLA方法打印的模型

2 实验结果与分析

(1)在各对照组实验中发现当底层速度达到65 mm/min，回程速度140 mm/min时效果最佳，参照组的60 mm/min和70 mm/min都出现成型难的问题。

(2)结构尺度过大直接导致船模上层跨度大，竖向支撑少，尺度不协调的问题突出。而结构尺寸过小又导致整体模型无法细致结构。最终以1 660×330×420 mm的结构尺度打印出精细的模型。

(3)同时在打印过程中切片大小、打印速度、堆砌厚度都影响着最终的成型效果。其中不同的凝固方法也是重要的一环。

根据红船实物实测数据和3D打印论证的数据，学校邀请国家级木船制作大师参与和指导木质红船模型的制作，在江苏省庆祝建党百年“中国共产党在江苏”历史展中展出。

图6 制作的红船模型

3 结语

空间薄壁结构在3D打印中，因存在热效应，成型难控制的问题，本文结合红船模型的制作任务，通过打印红船模型，来论证红船缩比尺度。通过实验发现填充度过低会导致船体本身脆弱，从而导致船体软塌。填充度在60%～70%，红船模型可以很好地支撑船体，但是整体仍然缺乏精密性。填充度在80%～100%之间既很好地使船身精密性很强。在得到打印模型后，再通过精细化打磨得到了外观完整，强度较大的红船模型，为实物制作提供了数据支持。