3D打印技術(shù)項目實踐-軸類零件打印及模型后處理

軸類零件打印及模型后處理任務(wù)一軸類零件打印任務(wù)二軸類零件模型后處理項目小結(jié)思考與練習

任務(wù)一軸類零件打印

任務(wù)目標產(chǎn)品的正向設(shè)計是根據(jù)功能和用途來設(shè)計的，從概念出發(fā)繪制出產(chǎn)品的二維圖紙，然后制作三維幾何模型，經(jīng)檢查通過后制造出產(chǎn)品，其采用的是從抽象到具體的思維方法。本任務(wù)是根據(jù)階梯軸類零件的工程圖和三維實體模型(如圖2-1所示)，在三維建模、模型格式轉(zhuǎn)換、打印參數(shù)設(shè)置、添加支撐的基礎(chǔ)上完成產(chǎn)品的打印。圖2-1階梯軸類零件工程圖及三維模型(a)階梯軸類零件工程圖圖2-1階梯軸類零件工程圖及三維模型(b)階梯軸類零件三維模型

1.?SolidWorks建模軟件

SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維實體設(shè)計軟件，該軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，具有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新等特點，這使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD建模軟件。

2.?FDM打印機設(shè)置

在打印之前，需要初始化(回到參考點)打印機。打開3dStar切片軟件進入操作界面。在界面中點擊“三維打印”菜單命令的“初始化”選項。當打印機發(fā)出蜂鳴聲，初始化即開始。打印噴頭和打印平臺將再次返回到打印機的初始位置。

3.零件擺放及打印參數(shù)設(shè)置

1)零件擺放

軸類零件對外表面要求相對較高，從圖2-1(a)可以看出，階梯軸表面粗糙度要求最高的部位達到了Ra0.8。如果采用水平擺放(即軸的工作位置)，則勢必會在最底層留下支撐的痕跡，從而影響軸的表面質(zhì)量。如果采用垂直擺放，雖然表面質(zhì)量滿足要求，但由于支承面太小，打印的層數(shù)太多，則很容易在打印過程中發(fā)生彎曲，從而影響軸的使用性能。綜合考慮，最好采用水平擺放的方式進行打印。

2)打印參數(shù)設(shè)置

對于剛接觸3D打印機的新手來說，各種參數(shù)設(shè)置容易令人迷茫。極速還是快速、內(nèi)部支撐還是外部支撐、剝離系數(shù)和擠出溫度，對于這些基本設(shè)置應(yīng)有一份詳細的參數(shù)說明。通常，只需要對“基本設(shè)置”進行修改。本任務(wù)建議采用默認參數(shù)來生成打印路徑，參數(shù)更改不當可能會造成噴頭堵塞，無法得到想要的模型。

技能訓(xùn)練階梯軸類零件打印

一、實訓(xùn)目的

(1)掌握軸類零件的擺放技巧。

(2)掌握軸類零件支撐的添加方法。

二、實訓(xùn)器材

實訓(xùn)器材要求如表2-1所示。

三、注意事項

(1)實驗平臺要求整潔，注意用電安全。

(2)使用3D打印機時，嚴格按規(guī)范操作。

四、實訓(xùn)操作

(一)創(chuàng)建三維模型

根據(jù)圖2-1可知，目標零件屬于回轉(zhuǎn)軸類零件，可用“旋轉(zhuǎn)”特征繪制軸的主體，再用“拉伸切除”繪制鍵槽，即可得到目標零件的三維模型。具體建模步驟如下：

(1)啟動SolidWorks軟件，新建文件。雙擊“”圖標，打開SolidWorks2016軟件，點擊“文件”—“新建”，選擇文件類型為“零件”，點擊“確定”(如圖2-2)，進入繪圖界面。圖2-2新建零件

(2)利用“旋轉(zhuǎn)”特征繪制階梯軸的主體部分。點擊“特征”選項卡中“”圖標，進入旋轉(zhuǎn)命令界面。選擇“上視基準面”作為繪制階梯軸橫斷面的平面(也可選用前/右視基準平面)，進入草圖環(huán)境，繪制階梯軸截面的一半，如圖2-3所示。點擊繪圖區(qū)右上角“”圖標退出草圖。選擇長度為“142?mm”直線為旋轉(zhuǎn)軸，所繪截面為“旋轉(zhuǎn)截面”，具體參數(shù)設(shè)置如圖2-4所示。點擊“”圖標確定，階梯軸主體部分繪制完成，如圖2-5所示。圖2-3階梯軸截面圖圖2-4階梯軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置圖圖2-5階梯軸主體部分

(3)利用“拉伸切除”特征繪制鍵槽部分。選擇“參考幾何體”—“基準面”創(chuàng)建繪制鍵槽截面的基準平面，如圖2-6所示。所建基準面與前視基準面垂直，與鍵槽所在位置的外圓柱面相切，具體參數(shù)設(shè)置如圖2-7所示。點擊“”圖標確定，基準面創(chuàng)建完成。圖2-6創(chuàng)建基準平面圖2-7基準面參數(shù)設(shè)置

(4)點擊“特征”選項卡“”圖標，進入拉深切除界面，選擇上一步新建基準面為草圖平面，繪制鍵槽平面圖，如圖2-8所示。點擊繪圖區(qū)右上角“”圖標退出草圖。設(shè)置切除深度為“4mm”，具體設(shè)置參數(shù)如圖2-9所示。點擊“”圖標確定，一個鍵槽創(chuàng)建完成，如圖2-10所示。圖2-8鍵槽截面圖形圖2-9拉伸切除參數(shù)設(shè)置圖2-10鍵槽部分示意圖

用相同的方法，創(chuàng)建另一端的鍵槽，完成的圖形如圖2-11所示。圖2-11鍵槽部分示意圖

(5)模型編輯。點擊“特征”選項卡中“”圖標，將階梯軸的端部按圖紙倒角，至此階梯軸繪制完成，如圖2-12所示。圖2-12階梯軸三維模型

(二)模型格式轉(zhuǎn)換

3D打印需要有3D立體圖，3D立體圖有很多種格式，不同三維建模軟件立體圖的文件格式是不同的。常見的格式有STL、STP、IGS、OBJ、X_T、SLDPRT、PRT等。立體圖格式不同，用其他軟件可能就打不開。同樣的道理，3D打印機支持的3D立體圖格式也不會太多，也不可能適配市面上的全部軟件。其中，由美國3DSystem公司開發(fā)的光固化成型(StereoLithography，STL)文件格式是被大多數(shù)3D打印機所接受的。因此，STL文件格式被工業(yè)界認為是目前3D打印數(shù)據(jù)的標準。幾乎所有的3D打印機都采用STL數(shù)據(jù)格式。轉(zhuǎn)換為STL格式后打開的模型如圖2-13所示。圖2-13轉(zhuǎn)換后的STL模型

(三)導(dǎo)入模型

將轉(zhuǎn)換后的STL文件導(dǎo)入3dStar切片軟件，如圖2-14所示。如果模型導(dǎo)入后是亮白色，則說明模型符合打印的狀態(tài)，可以直接進行切片。此外，還要觀察模型是否處于打印平臺的中心位置，模型是否與打印平臺底面完全貼合。點擊“移動”菜單中的“移動到中心”按鈕，模型會自動調(diào)整到平臺的中心位置，如圖2-15所示。然后，再點擊下方的“旋轉(zhuǎn)”按鈕，選擇繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°，結(jié)果如圖2-16所示。

此時我們發(fā)現(xiàn)，模型變成暗灰色，說明此時的狀態(tài)不符合打印狀態(tài)，必須進行調(diào)整。再次點擊“移動”菜單中的“移動到中心”按鈕，模型呈亮白色，如圖2-17所示。如果要把想要的面貼在底面上，則可以通過旋轉(zhuǎn)操作實現(xiàn)。

圖2-14導(dǎo)入3dStar的階梯軸模型圖2-15移動到中心圖2-16繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°圖2-17擺放好的模型

(四)打印參數(shù)設(shè)置

調(diào)整好模型的位置之后，開始設(shè)置打印參數(shù)。點擊右上角的“齒輪”按鈕，打開“設(shè)置”對話框。參數(shù)“外部支撐”“添加基座”“剝離系數(shù)”設(shè)置為2.0(剝離系數(shù)會隨著打印絲的受潮程度和平臺所涂膠水的厚度而變化，如果很難剝離下來的話，則可以試試上調(diào)0.4的剝離系數(shù))?！皵D出溫度”設(shè)置為“205℃”(夏天可以適當降低)，“打印模式”選擇“標準”，參數(shù)設(shè)置如圖2-18所示。圖2-18打印參數(shù)設(shè)置

(五)生成打印路徑

點擊“生成路徑”，可以暫時不勾選“生成完畢立即打印”，結(jié)果如圖2-19所示。通過旋轉(zhuǎn)模型視圖觀察添加基座和外部支撐后的模型。通過圖2-19可以發(fā)現(xiàn)，支撐和基座呈紫色，模型呈亮白色。我們可以通過“路徑查看器”對話框查看共計有多少層，是否顯示表面輪廓等信息，如圖2-20所示。生成路徑時，也可以勾選“生成完畢立即打印”，生成路徑后直接進入打印環(huán)節(jié)。路徑生成后，噴嘴開始升溫，當溫度達到設(shè)定的溫度205℃時，打印工作正式開始。此時可以點擊菜單中的“打印狀態(tài)”工具條，系統(tǒng)彈出“打印狀態(tài)”對話框，如圖2-21所示。圖2-19生成的打印路徑圖2-20路徑查看器圖2-21“打印狀態(tài)”對話框

(六)打印過程

階梯軸的打印過程如圖2-22所示。圖2-22階梯軸打印過程

五、實訓(xùn)考核

根據(jù)實訓(xùn)完成情況進行考核，考核表如表2-2所示。

任務(wù)二軸類零件模型后處理

一、支撐去除對于大多數(shù)模型來說，支撐必不可少，但去除支撐后會在模型表面留下痕跡。為了解決這一問題，一方面需要在切片時適當?shù)貎?yōu)化參數(shù)，另一方面去除支撐痕跡也需要一點技巧，熟練使用合適的剪鉗類工具是必要的。常用的3D打印材料為PLA，通常情況下這種材料的支撐去除比較簡單，但一些關(guān)鍵部位的支撐，在去除時可能會損壞模型，因此需要更加仔細。

二、模型的后處理方法的步驟

1.打磨拋光

為了去除支撐痕跡需要使用砂紙或是銼刀進行打磨。根據(jù)表面粗糙程度來決定使用哪種工具進行打磨。支撐留下的痕跡如果是小面積的，可以使用銼刀來消除，大面積的則使用砂紙會更方便。打磨時，要使用少量砂紙打磨去除層紋，然后再用大量砂紙進行拋光。在砂紙打磨過程中會產(chǎn)生很多粉塵，所以建議將砂紙或模型沾濕再打磨，這樣可以有效減少粉塵。

2.表面噴砂

表面噴砂也是常用的后處理工藝，是通過操作人員手持噴砂機的噴嘴朝著待拋光模型高速噴射介質(zhì)小珠，從而達到拋光的效果。通過噴砂機做珠光處理速度很快，約5～10分鐘即可處理完成。處理后產(chǎn)品表面光滑，有均勻的亞光效果。

3.使用底漆

噴底漆是模型上色前很有必要的步驟，一般使用水補土來作為底漆。水補土的主要作用是除了能夠填補細小的縫隙之外，還可以使模型的瑕疵部位暴露出來，以方便檢查模型的外表面。除此之外，水補土也有利于模型上色，它能夠幫助顏料附著在模型上。底漆的顏色可以根據(jù)上色的主色調(diào)決定。等到底漆干燥后，繼續(xù)用砂紙在粗糙的地方打磨直到光滑為止。當模型經(jīng)過以上幾步處理之后，就基本上很難再看出3D打印的痕跡了，接下來可以正式上色了。

4.模型上色

評斷一個模型的好壞，除了打印的精細度之外，就看它的上色了。上色這個環(huán)節(jié)可以說是除了設(shè)計之外最有趣的步驟了。除了可以選擇圖片作為參考進行還原，還可以根據(jù)自己的喜好進行創(chuàng)作。協(xié)調(diào)細致的上色有時能夠挽救一個有瑕疵的模型，當然失敗的上色也能毀掉之前所有的努力。丙烯顏料是最容易接觸到的顏料，它價格便宜、顏色多樣且方便調(diào)色，對于新手來說更容易上手。但如果想用丙烯顏料對模型進行整體上色的話，想要得到平滑均勻的上色效果就需要下點功夫了，所以大面積的上色不建議使用丙烯顏料。

技能訓(xùn)練階梯軸類零件模型后處理

一、實訓(xùn)目的

(1)掌握軸類零件支撐的去除方法。

(2)掌握軸類零件模型打磨、拋光、上色等。

二、實訓(xùn)器材

實訓(xùn)器材要求如表2-3所示。

三、注意事項

(1)嚴格按要求規(guī)范操作。

(2)實訓(xùn)平臺要求整潔，注意用電安全。

四、實訓(xùn)操作

(一)去除支撐

打印結(jié)束后，如果強行取下成品，則可能造成成品變形或者手部灼傷，強行掰掉會損壞平臺精度。此時，應(yīng)待機器打印空間冷卻幾分鐘后再用配置的工具取下成品。首先從打印機上取下打印平臺(包括打印好的階梯軸模型)，戴好手套，找到模型的起腳點，然后用小鏟子沿同一方向從平臺上鏟下模型(如圖2-23所示)，注意不要劃傷模型，取下的模型如圖2-24所示。圖2-23小鏟子移出模型圖2-24取下的模型

模型大體拆除后，如果還有部分殘留，則可以用小銼刀刮干凈，但不要用力過大以免損傷模型或者傷到手。去除基座如圖2-25所示。圖2-26所示為去除的廢料。從圖2-27和圖2-28可以看出，添加基座的面有明顯的“疤痕”，而未添加基座的面則光滑得多。圖2-25去除基座圖2-26去除的廢料圖2-27去除添加基座的模型面圖2-28未添加基座的模型面

(二)打磨拋光

先選用200#?的砂紙對模型進行第一遍打磨。打磨時一般用四指和手掌按住砂紙，拇指夾住砂紙，順著模型的紋路進行打磨，如圖2-29所示。為便于打磨，也可以將砂紙剪成細長條，分別對階梯軸的不同臺階面進行打磨，如圖2-30所示。

圖2-29200#?砂紙打磨圖2-30砂紙剪成細