基于soliworks软件的FDM 技术3D打印设计与实践

1 引言

3D打印技术(3D Printing Technology)起源于20世纪 80年代出现的快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing)，是依据计算机 3D 建模，以数字模型文件为基础，通过软件和数控系统，将特制材料以逐层堆积、叠加成形的方式构造物体的技术。3D打印是一种全新的制造方式，被认为是近年来世界制造技术领域的一次重大突破。3D打印涉及的技术包括 CAD(计算机辅助设计)建模、测量技术、接口软件：精密机械、激光和材料等。

目前比较成熟的快速成型技术和相应系统已有十余种，其中较为成熟的技术有：薄形材料切割成型(IOM)、丝状材料熔融成型(FDM)、液态光固化成型(SLA)、粉末材料烧结成型(SIS)等。尽管这些快速成型系统的结构和采用的原材料有所不同，但它们都是基于先离散分层，再堆积霍加的成型原理，即将一层层的二维轮廓逐步叠加成三维实休。其具体差别主要在于二维轮廓制作采用的原材料类型，成型的方法以及械面层与层之间的连按方式等内容。

FDM 是熔融沉积成形工艺。与其他类型的3D打印机相比，使用FDM 技术的3D打印机具有体积小、成本低、操作简单等特点，是桌面级3D打印机中最为常见的一种类型，图1所示为FDM原理示意图。

2 快速成型技术前期处理精度

2.1 产品三维CAD数据建模过程

3D打印的前端信息是三维CAD数据模型，即所有的快速成型方法都是由三维CAD数据模型经过切片处理来直接驱动的。三维CAD数据模型必须首先处理成快速成系统所能接受的数据格式，并且在原型制作之前还需进行分层和切片处理。因此在3D打印前以及原型的制作过程当中，需要进行大量数据的准备和处理、转换等工作，数据的充分准备、有效处理在一定程度上决定着原型制作的效率、质量，甚至成型制件的精度。所以，在整个快速成技术的实施过程中，三维CAD数据的处理是十分必要和非常重要的。

3D打印技术的核心就是将零件的三维CAD数据模型经过分层后，直接快速制造得到零件的实体原型。其具体的制作过程大致可分为快速成型数据模型的前处理速成型的中期处理、快速成型制件的后处理三个阶段。

随着沥青砂浆厚度的增加，其抗拉强度并未出现明显变化，当沥青砂浆过渡层厚度达到8 cm后，拉伸试验各项性能指标趋于稳定。

3D打印的工艺数据的前期处理就是三维CAD数据模型的建立。三维CAD软件设计出CAD数据模型是一种非常重要的、最广泛的数据模型。由三维造型软件生成产品的三维实体的或者表面数据模型，然后对再对实体模型或者表面模型进行分层，得到工艺所需要的、精确的截面轮廓信息。然后将设计好的三维实体模型转换为3D打印工艺所接受的文件格式，常用的.STL格式，再进行分层得到3D打印工艺所接受的加工路径。图2所示为产品三维CAD数据建模过程。

物理试卷讲评课最怕的是教师报答案，就题论题、蜻蜓点水、平均用力、讲评拖沓、只讲不练。常见误区有六个：一是缺少数据统计，如盲人摸象；二是试卷批改缺位，以讲代批；三是逐题顺次讲解，讲评泛化；四是缺乏变式训练，补偿不足；五是重讲轻练，以讲代评；六是学生被动听讲，反思缺位。客观上说，教师试卷讲评课缺位的主要原因是：学生局限于单一的分数，难以感受到自我学业的进步幅度，导致内在学习动力缺失；教师对学生知识、能力维度的缺失程度了解不够精准，导致试卷讲评陷入盲区。

2.2 前期处理精度常用三维CAD软件

用于构造三维模型的计算机辅助设计软件应该有较强的三维造型功能和表面造型功能。在机械三维实体造型软件中应用的最为广泛的是Soliworks软件。

选取2017年4月—2018年4月期间来我院诊治的71例肿瘤患者作为研究对象，其中男42例，女29例，患者年龄介于24～83岁之间，平均年龄（51.45±4.76）岁，纳入研究的71例患者均经病理检查明确诊断，其中鼻咽癌19例，肺癌14例，颅脑肿瘤11例，宫颈癌5例，食管癌7例，结肠癌6例，直肠癌9例。

Soliworks是一套机械设计自动化软件，采用用户熟悉的Windows图形界面，操作方便、简便易学、容易掌握，广泛应用于机械、汽车和航空等领域。在Soliworks软件中共有三大模块，分别是零件、装配和工程图，其中“零件”模块包括草图设计、零件设计、曲面设计、钣金设计以及模具设计等。

从对落实基础知识调查的问卷调查数据发现，有24.78%的学生需要老师对基础知识讲的更详细，这部分学生基础知识落实较差，需要另外采取措施去落实和巩固，不然没有扎实的基础知识的学生谈何提升能力，谈何培养学生的地理核心素养。针对学生反映的课前预习效果偏低的问题，可从教师和学生两方面共同解决。教师采取课堂检查和督促课后巩固相结合。

眼前的画面虽然壮观，但由于光比过大，对于相机的宽容度是个非常艰巨的考验。松下G9相机采用了2030万像素的数字传感器，由于无低通滤镜的设计，让其可以提供清晰的图像品质和超高的动态范围。在保证高光光束不溢出的情况下，榕树下暗部细节得以完整保留，让整个画面看起来层次丰富，即便放大仔细品味细节依然值得回味。

我们认识王维，多是通过他颇富禅意的诗句：“远看山有色，近听水无声。春去花还在，人来鸟不惊。”在远处，我们好像可以看见山川青翠的颜色，走近看，却听不到流水的声音。春天已经过去，花儿还在那儿开着，人来了，鸟儿却丝毫没有受到惊吓。读他的《画》，便如同画在眼前，怪不得苏轼称赞他说：“味摩诘之诗，诗中有画；观摩诘之画，画中有诗。”

接着，我们在Soliworks软件进行定位轴的三维建模。其建模过程步骤如下：第一步，旋转。绘制左端的半球体的草图，四分之一的圆弧绕中心轴线旋转；第二步，拉伸基体。根据尺寸创建阶梯轴的截面草图，输入第一节拉伸长度，用同样的方法拉伸另外五节不同直径的轴长；第三步，在轴的右端面倒角。完成结果如图5定位轴Soliworks三维图所示。

孔。一般工业制造中，轴与孔的配合有三种方式，分别为间隙配合，过渡配合和过盈配合。在30打印中由于可用工具较少(一般有尖嘴钳，砂纸和锉刀)，再加上打印材料本身存在热胀冷缩，所以一般选用间隙配合的方式。轴与孔在建模时会留出0.1～0.4mm 的间隙，具体根据模型大小进行调整。

3 基于Soliworks软件的定位器的设计

采用快速成型技术进行产品或模型的加工与制作，首先需要准备好前端的三维 CAD 数据模型。即目前几乎所有的快速成型的加工制造方法，都是借助三维CAD数据模型，经过恰当的切片处理后直接驱动快速成型设备进行快速加工与制作。与此同时，三维CAD数据模型资料领处理成快速成型系统所能接受的、特定的数据格式才能进人快速成型系统进行特定的切片处理工作。

1979年春，一场由法国服装设计师皮尔·卡丹组织的模特时装秀，在北京民族文化宫上演，在当时满大街的“蓝绿灰”服饰中，投射下一抹艳丽的色彩。

在本次任务中，我们使用Soliworks软件进行定位器的设计。定位器由七种零部件组成，主要包括：支架、定位轴、套筒、盖和把手等。根据各零件的工程图进行零件设计，在设计过程中兼顾除了强度、精度、时间以外还需要进行零件之间的公差配合要求。图3是定位器的装配立体图和示意图。根据主要零部件的工程图的设计要求，在Soliworks软件上进行零件设计，得到图4支架Soliworks三维图、图5定位轴Soliworks三维图、图6套筒Soliworks三维图、图7盖Soliworks三维图、图8把手Soliworks三维图。为了能适应FDM技术打印机的使用要求，我们把三维图保存成“*.STL”格式，直接输入其相配套的软件，进行打印的相关参数设计。

将打印机运用到现实生活中除了需要考虑强度、精度、时间以外还需要进行组件之间的公差配合，需要充分考虑打印材料的热胀冷缩以及打印精度对成品零件的影响。这使得整个打印过程中的任何一个环节对最后的结构都起着决定性的作用，必须将各个影响因素进行考虑。下面将以定位器各零部件打印过程为例进行讲解。

Soliworks提供了非常强大的装配功能，其优点如下：在Soliworks的装配环境中，可以方便地设计及修改零部件。Soliworks可以动态地观察整个装配体中的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的千涉检查及间隙检测。对于由上千个零部件组成的大型装配体，Soliworks的功能也可以得到充分发择。镜像零部件是Soliworks技术的一个巨大突破，通过镜像零部件，用户可以由现有的对称设计创建出新的零部件及装配体。在Soliworks中，可以用捕捉配合的智能化装配技术进行快速的总体装配。智能化装配技术可以自动地捕捉并定义装配关系。使用智能零件技术可以自动完成重复的装配设计。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，在机械类3D打印三维设计时常被使用，能根据设计要求进行建模，以保证加工或者装配要求。基于Soliworks的优点和功能，Soliworks作为保证快速成型技术前期处理精度的三维优选软件。

套筒的建模步骤如下：第一步，旋转。绘制套筒的轴向截面图，绕中心轴线旋转即可得到套筒轮廓；第二步，在套筒右端内圆柱面加上装饰螺纹即可。完成结果如图6套筒Soliworks三维图所示。

盖的建模步骤如下：第一步，旋转。绘制盖的轴向截面图，绕中心轴线旋转即可得到盖轮廓；第二步，在盖左端外圆柱面加上装饰螺纹即可；第三步，倒角。完成结果如图7盖Soliworks三维图所示。

Soliworks 提供了十分强大的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、扫描特征、放样特征、特征的阵列以及打孔等操作来实现产品的设计；通过对特征和草图的动态修改，用拖曳的方式实现实时的设计修改；Soliworks提供了三维草图功能，该功能可为扫描、放样等特征生成三维草图路径，或为管道、电缆线和管线生成路径。

最后，把手的建模步骤如下：第一步，旋转。绘制盖的轴向截面图，绕中心轴线旋转即可得到把手轮廓；第二步，在把手小端插入暗销孔；第三步，旋转切除。在左端外圆柱面旋转切除得到光孔，加上装饰螺纹即可。完成结果图8把手Soliworks三维图所示。

4 FDM技术的3D打印

首先，我们在Soliworks软件进行支架的三维建模。其建模过程步骤如下：第一步，拉伸基体。为支架底板创建草图，然后通过拉伸命令输入拉伸高度即可完成；第二步，拉伸切除。在支架底板上表面绘制两孔草图，在拉伸切除选项板面，选择“完全贯穿”的切除方式即可完成；第三步，立板的拉伸。在支架底板的左侧面，绘制立板草图，输入拉伸高度；第四步，插入“简单孔”，输入孔径尺寸即可；第五步，通过“异形孔向导”，设置孔规格，确定孔的正确位置，即可创建成功；还有倒圆角等各种细节完善。最后结果如图4支架Soliworks三维图所示。

4.1 3D打印中的常用连接方式

我们通过运用三维设计软件Soliworks对机械类定位器的各零部件设计，使用FDM技术进行3D打印，达到3D打印装配精度要求。

第一，同行竞争加剧。2017年共享单车在全国各地打响正面竞争，激烈竞争带来高推广成本。每当一家公司开通一座城市时，就会有少则数万辆多则数十万辆的单车投入。同时要跟进单车转运团队，单车运营团队和当地运营推广团队，再加上单车的成本费用和线上线下的推广运营的费用，使部分企业无额外的资金回收维修废料共享单车。第二，用户忠诚度难培养。共享单车是工具类产品，依靠用户。在赢取用户信任前，大部分用户会进行产品体验，互相借鉴。部分企业难以保证能赢得用户的青睐。第三，部分企业管理能力有限。部分企业缺少相关的专门管理机制，内部维修人员有限，维修人员维修能力不强。

螺纹。螺纹配合在比赛中运用较多，在3D打印中螺纹的设计与打印可以考查建模能力、应变能力(需要选择合适牙型、螺旋距和牙型截面的大小)以及对打印参数的设定。在实际建模过程中需要考虑打印机成形特点、成形精度和材料特性，这就要求在建模时考虑配合公差，一般会留出 0.1～0.2mm 的间隙。

其他连接方式。3D打印中除了孔和螺纹，一般还会用到楔连接、销连接、键连接、花键连接、弹性环连接、铆接和胶接等，也需要在建模时考虑公差的配合。

4.2 3D打印步骤

步骤一：导入定位器的支架、定位轴、套筒、盖和把手零件模型文件至FDM 技术的3D打印机设备配套的加工软件中，进行产品零件的3D打印参数设计，完成定位器零件的3D打印制作。

步骤二：后处理 刚打印完成的零件第一步是去除支撑，这里就需要细心地将每一部分的支撑去除，是免划伤模型。支撑去除后我们可以看到在支撑去除的地方成形并不是太好，就算没有支撑的地方有时也会有毛刺，这时就需要我们进行后处理。

由于刚脱离打印系统的打印件比较粗糙，所以需要用到锉刀、尖嘴钳等工具经过二次处理才可以使得表面更加光滑、适用性更强。

步骤三：完成3D打印工艺卡。通过工艺卡的填写与记录，可以根据装配精度要求，在打印过程中通过对工艺参数的对比，得出最优化参数，为后续打印提供有利参考。

5 结语

3D打印技术的不断发展，以及越来越被广泛使用，让使用者对它的打印精度要求越来越高。我们在使用Soliworks软件快速完成机械零件的设计，根据设计要求和装配要求，在FDM技术打印机上完成3D打印，经过简单后处理得到符合装配精度要求的成品。经过不断的优化参数设计，满足越来越复杂零部件的各精度要求，解决实际生产的需要。

[1]陈吉祥，王基维.快速制造(3D打印)项目应用[M].北京，机械工业出版社.2021.01：1-78.

[2]韩霞，杨恩源.快速成型技术应用[M].北京，机械工业出版社.2012.03：127.

[3]钟兴华等. 基于FDM的3D打印赛车方向盘设计[J]. 汽车实用技术,2019.07：165-168.