【3D打印冰墩墩的方案設(shè)計與制作5600字（論文）】

3D打印冰墩墩的方案設(shè)計與制作目錄TOC\o"1-2"\h\u295413D打印冰墩墩的制作 127243關(guān)鍵詞：3D打?。槐斩?；智能制造 1164081緒論 1165111.1研究的目的和意義 1260981.2本文的主要研究內(nèi)容 2166002方案的確定 2207002.1技術(shù)支持 2305562.2冰墩墩外形曲面設(shè)計 356712.3冰墩墩骨架曲線的設(shè)計 42802.4創(chuàng)建冰墩墩框架主體曲面 6122202.5修剪冰墩墩的曲面 7176872.6曲面縫合和加厚 8464133D打印材料的選擇 8289023.13D打印工藝材料的選擇 8315803.23D打印對光敏樹脂的要求與成型 10159604結(jié)論 112618參考文獻(xiàn) 12摘要：目前，三維打印技術(shù)（3D，printing）在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注和重視。在中國，當(dāng)今隨著國家發(fā)展智能制造，創(chuàng)建創(chuàng)新型社會戰(zhàn)略的實施，特別是《中國制造2025》戰(zhàn)略中，一再強(qiáng)調(diào)要培育創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將3D打印技術(shù)列為未來我國智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，3D打印技術(shù)也在我國迎來了新的發(fā)展機(jī)遇期。伴隨人們對冰雪運(yùn)動項目的參與度、關(guān)注度的提高，2022北京冬奧會吉祥物越發(fā)成為社會各界的“聚焦點(diǎn)”。媒體對北京冬奧會吉祥物“冰墩墩”的傳播是弘揚(yáng)家國情懷與中華文化的重要方式。在此背景下，，本文利用3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了基于NX模型的產(chǎn)品建模和3D打印材料的可塑性，實現(xiàn)了背景冬奧會吉祥物“冰墩墩”的3D打印，實現(xiàn)對于東奧文化的傳承和對3D打印技術(shù)的實踐和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：3D打??；冰墩墩；智能制造1緒論1.1研究的目的和意義3D打印機(jī)（3DPrinters），又稱三維打印機(jī)，是一種累積制造技術(shù)，即一臺快速成型技術(shù)的機(jī)械。這是一種奇特的打印機(jī)，是一位名叫恩里科，迪尼（Enrico，Dini）的發(fā)明家所設(shè)計。它不僅能在打印中建造一座完整的房屋，甚至能在太空船上打印出你需要的任何東西的形狀。但三維打印是對象的模型，沒有打印出對象的功能。3D打印機(jī)主要運(yùn)用數(shù)據(jù)模型，采用特殊的材料蠟，塑料粉末或金屬粉末等黏性材料，通過層層打印黏性材料來創(chuàng)建三維物體的模型。在現(xiàn)在，與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，三維打印已成為制造現(xiàn)代模型，模具和零件的有效途徑，在航空航天，汽車，生物醫(yī)學(xué)，工程建設(shè)，教學(xué)科研等領(lǐng)域占據(jù)獨(dú)特優(yōu)勢。目前，中國擁有龐大的制造業(yè)體系，特別是在高端裝備，家電設(shè)計，特種金屬，納米材料，非金屬材料，動漫模型設(shè)計等領(lǐng)域，構(gòu)成了產(chǎn)業(yè)集群。但是，目前大多數(shù)的制造工藝和技術(shù)都是采用的傳統(tǒng)的加工方法，只有少數(shù)企業(yè)委托國外的3D打印機(jī)進(jìn)行再加工，因此3D打印的普及程度有待提高。本文研究的目的是運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)冰墩墩的3D打印。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到冰墩墩的設(shè)計中，能實現(xiàn)冰墩墩的增材制造。優(yōu)秀的3D打印產(chǎn)品是要有美麗的外觀，舒適親膚的外殼和適合用戶的外型。不應(yīng)有明顯毛刺和突兀，接縫一定要細(xì)膩精密，要體現(xiàn)出冬奧吉祥物的形狀美。1.2本文的主要研究內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容是以參考和查詢現(xiàn)在有冰墩墩相關(guān)建模模型基礎(chǔ)上進(jìn)行一些創(chuàng)新和改進(jìn)，并將其應(yīng)用于3D打印技術(shù)改進(jìn)曲面，通過3D打印技術(shù)的優(yōu)勢并結(jié)合專業(yè)知識的設(shè)計，實現(xiàn)對于冰墩墩的3D打印。從經(jīng)濟(jì)學(xué)發(fā)展的角度來看，3D打印大大節(jié)約了開發(fā)成本，打破了傳統(tǒng)工業(yè)的限制?；诠?yīng)鏈的愿景，3D打印很符合敏捷型供應(yīng)鏈，由于其生產(chǎn)不受數(shù)量的限制，而且可以提供快速的反應(yīng)能力，甚至有可能改變供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，特別是，這種技術(shù)對現(xiàn)代技術(shù)時代的組織變革和供應(yīng)鏈預(yù)測分析方式具有重要的指導(dǎo)意義，為以后可能出現(xiàn)的“吉祥物”的定制化設(shè)計提供了可能。2方案的確定2.1技術(shù)支持3D打印技術(shù)，屬于快速成型技術(shù)的--種，它建立在一個數(shù)字模型文件之上，使用粉末狀金屬或者塑料之類的可粘合材料，采用逐層堆疊累積方法構(gòu)建對象的一種技術(shù)。3D打印技術(shù)的顯著優(yōu)勢在于無需任何機(jī)械加工和模具，直接由計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)產(chǎn)生所設(shè)計的物品，大大縮短了制品制作周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，能夠有效地降低生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比較，3D打印技術(shù)由于利用了增料加工的原理，可針對復(fù)雜外形進(jìn)行加工，同時確保加工效率、生產(chǎn)制造難處理的制品；并且傳統(tǒng)的加工技術(shù)希望能夠處理復(fù)雜的產(chǎn)品零件，需復(fù)雜的工序設(shè)計，每一個加工過程都需要很高的精度。傳統(tǒng)加工技術(shù)由于使用了減料加工這一加工原理，造成了產(chǎn)品報廢率居高不下，要求有經(jīng)驗的加工工人和安全、精細(xì)的加工機(jī)床，以確保產(chǎn)品能夠最終滿足需要，并且3D打印技術(shù)采用了增料加工生產(chǎn)模式，僅需建立產(chǎn)品的三維模型，利用數(shù)字技術(shù)分析產(chǎn)品切片，就可以在3D打印機(jī)中完成該產(chǎn)品生產(chǎn)制造，對于不合格品，還可采用再加工的方法，除去多余的零件或?qū)⑷笔У牧慵恿?。?D打印技術(shù)的幫助下，我們形成了不好的這個優(yōu)勢，打印和生產(chǎn)個性化的產(chǎn)品，使吉祥物和其他產(chǎn)品更具有獨(dú)創(chuàng)性，更受到公眾的喜愛。文中采用3D打印材質(zhì)，使“冰墩墩”感覺接近原型，利用NX模型進(jìn)行冰墩墩的3D設(shè)計。2.2冰墩墩外形曲面設(shè)計一般來說，構(gòu)件的曲面設(shè)計通常是先用草圖曲線或空間曲線來繪制模型的骨架曲線，之后再用曲面造型的方法為所創(chuàng)建的曲線構(gòu)建曲面，再利用拼接等工具將這些曲面轉(zhuǎn)為一個完整的曲面組，最后將整個曲面組轉(zhuǎn)換一個模型。本文通過用草圖曲線，鏡像曲線，通過曲線網(wǎng)，剪裁體，縫紉，加厚，拉伸等特征命令來創(chuàng)建冰墩墩外形的三維模型。如圖1所示，它是冰墩墩的骨架曲線，圖2是冰墩墩零件模型。圖1骨架曲線圖2零件模型2.3冰墩墩骨架曲線的設(shè)計創(chuàng)建冰墩墩骨架曲線1，在“插入”菜單欄的“任務(wù)環(huán)境”中選擇草圖，在彈出的對話框中，默認(rèn)XC為草圖平面，單擊“確定”（或鼠標(biāo)中鍵）進(jìn)入草圖工作面。繪制草圖1，在草圖軟件欄中，單擊［樣條］命令繪制樣條曲線，如圖3所示。單擊［確定］按鈕（或按鼠標(biāo)中鍵）退出［樣條］對話框。從圖中我們可以看出曲線不是很平滑，所以我們需要改善它。雙擊初步草圖曲線1并選擇[分析]——[曲線]——[曲率疏]命令以在圖形區(qū)域中顯示草圖曲線的曲率稀疏。拖動草圖曲線的控制點(diǎn)以平滑其曲率，如圖4所示。要取消曲率稀疏顯示，需要再次選擇[曲率疏]命令，然后單擊［OK］按鈕（或按鼠標(biāo)中鍵）關(guān)閉［樣條］對話框。在草圖工具欄中，點(diǎn)擊[鏡像曲線]命令，選擇剛剛繪制為鏡像曲線的草圖曲線，鏡像中心線為X軸。單擊［確定］完成鏡像曲線的創(chuàng)建。最后，單擊［完成］按鈕（或快捷鍵q）退出草圖并顯示鼠標(biāo)骨架框架曲線1以完成構(gòu)建，如圖5所示。圖3初步草圖1圖4草圖1的曲率疏圖5草圖1（建模環(huán)境）2.4創(chuàng)建冰墩墩框架主體曲面選擇菜單欄“通過曲線網(wǎng)絡(luò)插入網(wǎng)格面”命令，系統(tǒng)會自動彈出通過曲線網(wǎng)絡(luò)對話框。如圖1所示，順次選擇曲線2，3，4作為主曲線，點(diǎn)擊中間按鈕切換，注意方向相同。再次點(diǎn)擊中鍵后，選擇曲線5和曲線1作為交叉曲線，點(diǎn)擊中鍵確定，注意同一方向。其他參數(shù)為默認(rèn)值。因此，在使用貫通曲線網(wǎng)命令時，必須注意主曲線方向和橫曲線，防止曲面變形。確認(rèn)之后，您可以創(chuàng)建冰墩墩的表面，如圖6所示。圖6草圖5的曲率疏為繪制如圖7所示的初步草圖5，我需要選擇XZ平面作為草圖平面，一起對曲線和曲率疏進(jìn)行光順處理分析，使其曲率疏性呈現(xiàn)如圖7所示的光滑形狀，解除曲率疏顯示以完成草圖。點(diǎn)擊【插入】，【曲面】，【有界平面】命令，系統(tǒng)彈出對話框，在圖形區(qū)選擇如圖7所示的曲線，點(diǎn)擊左鍵完成有界平面的創(chuàng)建。在［插入］菜單欄中選擇[關(guān)聯(lián)]——[鏡像體]命令，選擇為鏡像體對象創(chuàng)建的有界平面，為鏡像平面選擇新平面，為指定平面選擇ZC，XC平面，并確認(rèn)，如圖7所示。2.5修剪冰墩墩的曲面在[插入]菜單欄中選擇[修剪]——[修剪片體]命令來修剪冰墩墩的主外表和側(cè)表面，如圖9所示。圖7修剪后特征2.6曲面縫合和加厚單擊“插入”菜單欄中的“組合縫合”指令。在彈出對話框中，選擇切片類型，選目標(biāo)實體，之后選擇工具實體。確定后，完成表面縫合。在菜單欄［插入］中選擇[偏置/縮放]——[加厚]命令，系統(tǒng)將彈出板材加厚對話框，加厚對象，選擇縫合曲面，輸入偏值1，變化方向，確定完成曲面加厚操作，冰墩墩的實體建模使用拉伸和邊緣圓角命令來完成冰墩墩模型的創(chuàng)建。33D打印材料的選擇3.13D打印工藝材料的選擇3D打印技術(shù)起源于美國的快速成型技術(shù)。其技術(shù)的基本原理是：先數(shù)字分層后物理分層，即首先建立打印作品的數(shù)字模型，進(jìn)行數(shù)字分層，實行每一層的二維加工路徑或軌跡。然后，選擇適合的材質(zhì)和相應(yīng)的加工方法，并在上述的數(shù)字路徑的驅(qū)動下逐層打印，最終完成打印模型。3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的加工模具的方法，它一種日益成熟的加工方法，其大大提高了材料的利用率，顛覆了傳統(tǒng)制造方法的革命性制造技術(shù)。在我國3D打印被稱為增材制造技術(shù)。三維打印技術(shù)不僅具有較高的處理靈活性而且市場反應(yīng)速度快速，在工業(yè)生產(chǎn)，航空航天，建筑，藝術(shù)，動畫模型，影視模型等領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外3D打印領(lǐng)域有近20種不同的處理系統(tǒng)。其中，最典型，最成熟的技術(shù)有立體光刻設(shè)備（SLA），疊層物體制造（LOM），熔融沉積建模（FDM），選擇性激光燒結(jié)（SLS），選擇性激光熔化（SLM），3D打印和涂膠（3DP）。雖然這六種3D打印工藝原理上是一致的，但打印材料的不同，讓其六種工藝的特點(diǎn)和具體應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。通過對打印材料在3D打印工藝中的應(yīng)用和過去研究結(jié)果的回顧，指出材料是3D打印領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，也是影響3D打印工藝進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。1984年，SLA技術(shù)獲得了CharlesHull的專利，3DSystems公司將其商業(yè)化。SLA是目前國際上公認(rèn)的研究最多的學(xué)科、最早使用的3D打印工藝。目前在這一過程中所使用的主要原料為光敏液體樹脂或光敏樹脂。光敏樹脂的原料主要是齊聚物、引發(fā)劑與活性稀釋劑的復(fù)配。從引發(fā)劑應(yīng)用機(jī)理來看，這類光敏樹脂材料大致可以分為3類：陽離子光固化樹脂等、自由基紫外光固化樹脂與雜化光固化樹脂的結(jié)合。激光刺激自由基體系，生成自由基，觸發(fā)單體聚合交聯(lián)。陽離子體系為強(qiáng)質(zhì)子酸，由陽離-子光觸發(fā)劑照射生成，催化加速聚合以固化樹脂。該混合系統(tǒng)將以上兩個固化原理相結(jié)合。這種凝固最初是通過激光照射而發(fā)生。之后為降低成本，西安交通大學(xué)于1996年推出一種采用廉價紫外燈作為光源SLA工藝系統(tǒng)，并且同時研制出相應(yīng)紫外輻照技術(shù)，用于固化光敏樹脂。近年美國開發(fā)和引進(jìn)藍(lán)鹵素冷光光敏樹脂的固化工藝，因無溫升對口腔造成的不適感，該樹脂最早用于人牙修復(fù)。另外光敏樹脂還可以進(jìn)行3D打印，避免了因溫度變化而產(chǎn)生的形變，所以可以用來打印精度更高的型號。當(dāng)前發(fā)展SLA復(fù)合材料亦是這一過程中的重要研究領(lǐng)域。通過納米陶瓷粉體的加入、短纖維和其他特殊材料，以使它們的材料強(qiáng)度及耐熱性發(fā)生變化，改變了它的適用范圍?；蛱砑庸δ懿牧?，如生物活性物質(zhì)，對SLA進(jìn)行高溫?zé)g處理，做成功能部件。目前在SLA工藝中商業(yè)化使用的光敏樹脂材料包括：Vantico公司的SL系列。Vantico公司生產(chǎn)的SL系列原料呈乳白色，質(zhì)地及強(qiáng)度較好，而韌性較差。要特別重視小而薄的零件脆性斷裂問題。表1給出了這一系列產(chǎn)品應(yīng)用于SLA5000-3D打印系統(tǒng)后的各項性能指標(biāo)。表1SL系列樹脂的性能參數(shù)3.23D打印對光敏樹脂的要求與成型光固化樹脂的固化，就像漆的固化，相似于工程塑料。光固化成型材料的性能直接影響到模塑件的質(zhì)量和成本。成型件的加工精度，力學(xué)性能與成型材料密切相關(guān)。因此，光敏樹脂在SLA應(yīng)用的技術(shù)應(yīng)滿足特殊要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）液體樹脂穩(wěn)定性很強(qiáng)。在可見光下，無化學(xué)變化，具有好的穩(wěn)性，化學(xué)穩(wěn)性和組成穩(wěn)定。（2）低粘度。由于SLA成形工藝是固化片層材料的疊加過程，每層固化片材后，上平臺下降到一定水平后，液體樹脂需要盡快覆蓋固化片材層，對低粘度樹脂的快速調(diào)平的特點(diǎn)符合。（3）固化速度快。成型材料的性能直接受光敏樹脂固化率的影響，從而在一定程度上影響經(jīng)濟(jì)成本。因此，光固化樹脂需要對紫外線高度敏感。樹脂的光固化速率又稱光敏性，通常以臨界曝光為特點(diǎn)。（4）一次性固化率高。在紫外光固化條件下，未經(jīng)固化后的固化度稱為一次固化度。一般條件一次固化度達(dá)到90％以上，以保證零件在激光成形過程中的穩(wěn)定性，防止零件變形。一次性固化率高可減少后固化過程中的收縮，減少后固化過程中的變形，保持零件的精度。（5）制作精度是紫外光固化快成形的首要問題。在光敏樹脂紫外光固化過程中，由于液相向固相的轉(zhuǎn)變，常常導(dǎo)致樹脂體積收縮。復(fù)合樹脂的聚合收縮不僅會導(dǎo)致尺寸誤差，而且會導(dǎo)致零部件的翹曲。在光敏樹脂的開發(fā)過程中，主要目的是減少樹脂固化的影響。（6）透射深度適中。透光深度是樹脂體系的固有參數(shù)。Dp值過大與光固化樹脂固化板層間的附著力對固化產(chǎn)品的強(qiáng)度和精度有很大的危害。SLA工藝中用的光固化樹脂必須具有適中的透光深度系數(shù)Dp，固化板層厚度應(yīng)依據(jù)Dp值進(jìn)行微調(diào)。（7）高濕強(qiáng)度。在濕強(qiáng)度較高的環(huán)境下，固化過程中不變形，不膨脹，不分層。（8）擴(kuò)張很小。濕成型的膨脹會引起零部件尺寸過大。（9）毒性小。有利于操作員的健康，不會導(dǎo)致環(huán)境污染。利用3D打印科技實現(xiàn)的“冰墩墩”是光敏樹脂的首選材料，它能更好地滿足更加貼合原版“冰墩墩”的各項指標(biāo)。4結(jié)論基于3D打印技術(shù)的冰墩墩吉祥物的打印設(shè)計是一個典型的面向未來智能制造技術(shù)的社交問題。本文建立了模型優(yōu)化設(shè)計的NX模型。在己知冰墩墩外形和人相關(guān)工程學(xué)數(shù)據(jù)和常識的基礎(chǔ)上，利用NX軟件建立了與當(dāng)前冰墩墩相似的外觀模型并在此基礎(chǔ)