3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計中的應(yīng)用

劉李明 馬飛 谷燕

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);游船;造型設(shè)計;數(shù)字化建模

船舶海工產(chǎn)業(yè)面臨升級轉(zhuǎn)型，一方面，高技術(shù)船舶（智能船舶、新能源船舶）成為關(guān)注的重點;另一方面，游船（包括游艇、豪華游輪）的發(fā)展迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，游船以“人”為主要運載對象，滿足人的旅游、觀光、休閑、度假、娛樂、商務(wù)交流、水上運動等為主要功能。隨著船東和乘客對船舶審美、文化、舒適性等方面的需求不斷增長，造型創(chuàng)意設(shè)計在游船設(shè)計中的重要性凸顯，游船的造型設(shè)計不僅是游船功能的載體，更具有凸顯地方文化魅力、展現(xiàn)城市發(fā)展形象、帶動地方相關(guān)行業(yè)發(fā)展的重要作用。和其它產(chǎn)品設(shè)計一樣，游船造型創(chuàng)意設(shè)計的評審、驗證和展示離不開實物模型;而船舶具有單件或小批量、體量大、造型復(fù)雜、材質(zhì)多樣化等特點，傳統(tǒng)設(shè)計驗證的模型制作多采用泡沫、油泥、層板雕刻、木模等，不可避免的存在成型難、精確度不高、效率低下等缺點。相反，這正是3D打印技術(shù)的優(yōu)勢所在，它是根據(jù)所設(shè)計的3D模型，通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。3D打印的全過程數(shù)字化制造具有按需打印，更快的速度、更標(biāo)準(zhǔn)的精度以及更少的手工操作的優(yōu)點。為探索3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計中應(yīng)用的有效性，優(yōu)化3D打印游船模型的步驟與方法，以251客位45米雙體游船為例，在分析游船造型特征基礎(chǔ)上，應(yīng)用Rhino進(jìn)行船體建模和數(shù)據(jù)優(yōu)化，進(jìn)行非金屬3D打印技術(shù)設(shè)備與工藝選型、參數(shù)設(shè)置、3D打印，完成實物三維模型的制作。

1游船造型特征解析

從工業(yè)設(shè)計視角審視游船，游船具有以下特征：（1）體量大、通常為單件或小批量。游船以運載“人”為主，像一座座水上建筑，設(shè)計與建造投入大，根據(jù)船東需求，游船通常是小批量甚至單件，相對于一般的工業(yè)產(chǎn)品，體量非常大，通常幾十米到上百米。（2）造型復(fù)雜。船體類型有單體、雙體、三體等不同類型，船體部分包括船殼、動力系統(tǒng)（螺旋槳、舵）、主甲板三大部分，其中船殼和螺旋槳都具有復(fù)雜空間曲面。（3）材質(zhì)多樣化特點。甲板、圍壁、門、窗、梯、護(hù)欄、通信通導(dǎo)設(shè)備等通常具有不同的材質(zhì)。

以45米雙體游船為例，在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，主要技術(shù)參數(shù)和總布置圖如表1、圖1所示。船舶航行區(qū)域為云南金沙江水域，屬于B航區(qū)，J2航段，建造數(shù)量為2條。船體為雙體結(jié)構(gòu)，雙槳雙舵，從影響外觀造型的材質(zhì)包括油漆、銅、玻璃、塑膠地板、不銹鋼、木材、橡膠等10余種材質(zhì)。

2 3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計中的應(yīng)用方式

結(jié)合3D打印技術(shù)的成型優(yōu)勢，從游船設(shè)計研發(fā)來看，3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計中的應(yīng)用方式有三種：（1）創(chuàng)意的呈現(xiàn)與推敲;（2）船型的開發(fā)與驗證;（3）成果展示與展覽。概念設(shè)計階段以創(chuàng)意的呈現(xiàn)和推敲為主要目的，隨著船東和游客對審美的提升，在滿足功能的基礎(chǔ)上，造型美學(xué)、地域文化特色呈現(xiàn)等方面均需設(shè)計師充分發(fā)揮創(chuàng)意，模型成為階段評審和設(shè)計交流的重要媒介，船體、上建的造型以及船體和上建的協(xié)調(diào)關(guān)系是3D打印模型需要呈現(xiàn)的關(guān)鍵。船型開發(fā)與驗證主要從船舶工程視角考量船舶造型與船舶穩(wěn)性、阻力性能等方面的關(guān)系，應(yīng)用于新船型的開發(fā)或目標(biāo)設(shè)計船型的安全性驗證，需要借助船舶模型做相關(guān)的科學(xué)實驗，取得美學(xué)與科學(xué)性的完美統(tǒng)一。3D打印模型的關(guān)鍵在于船體造型的精準(zhǔn)呈現(xiàn)。展覽展示，是設(shè)計研發(fā)成果的最終展示和交流，以企業(yè)形象和產(chǎn)品品牌的塑造為主要目標(biāo)，3D打印模型追求的是設(shè)計效果的真實再現(xiàn)，在造型形態(tài)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上更加重視色彩、材質(zhì)的表達(dá)，精細(xì)的表面處理與裝配是保證最后游船CMF視覺效果完整呈現(xiàn)的關(guān)鍵。

3 3D打印技術(shù)在游船造型設(shè)計中的應(yīng)用流程

游船3D打印的流程主要包括：（1）數(shù)字化模型建立;（2）三維數(shù)據(jù)的優(yōu)化;（3）工藝的選擇;（4）3D打印技術(shù)設(shè)備與工藝選型、參數(shù)設(shè)置、3D打印;（5）表面處理;（6）裝配（如圖2）。

3.1游船三維數(shù)字化模型建立

Rhino是美國Robert McNeel公司推出的基于數(shù)學(xué)方程的NURBS為主的三維數(shù)字化建模軟件，具有軟件小巧、界面友好、曲面造型功能強大等優(yōu)點，成為游船游艇設(shè)計重要軟件之一，本模型采用Rhin06.0建立，建模比例為1：1。

251客位45米雙體游船總體上是對稱結(jié)構(gòu)、船體沒有球鼻艏、方尾構(gòu)造。總體思路采用對稱方法，先根據(jù)二維平面圖紙建一半再鏡像、合并完成對象。船殼部分采用放樣方法進(jìn)行整體建模;根據(jù)型線圖（如圖3），將站位按圖紙規(guī)定間隔在犀牛軟件中依次排列好，重新構(gòu)建每條站位曲線，確保每條曲線的控制點個數(shù)相同，且排列有序依次對應(yīng)，在船體形狀變化較大的部位依據(jù)其他視角的剖面圖補畫站位圖，嘗試放樣并逐步修改，確保船體表面順滑且符合型線圖（如圖4）;螺旋槳具有復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)曲面，首先采用放樣方法建立螺旋槳葉片所在曲面，然后按照正視圖修剪出螺旋槳形狀，便于曲面加厚葉片曲面并倒角，而螺旋槳整流罩是回轉(zhuǎn)體，由側(cè)視圖旋轉(zhuǎn)成型即可，舵為厚度不均勻的片體，采用放樣成型;甲板為中部稍高的近似平面，對照布置圖及側(cè)視圖掃掠得一層甲板，完成效果如圖5所示。

上層建模相較于船體部分約束較小，大范圍的造型曲面主要采用雙軌掃掠和放樣的操作。首先確定好上層甲板高度、艙室位置和面積以及樓梯步道的空間，接下來即可按照設(shè)計草圖建構(gòu)上建外觀”;上層大范圍的外包圍裝飾從側(cè)面著手，配合頂視圖生成空間內(nèi)的立體曲線，掃掠得曲面;艙室外壁對上下面的輪廓線進(jìn)行放樣;水密門、舷窗、通導(dǎo)設(shè)備、錨機(jī)、系纜設(shè)備和探照燈等按照國標(biāo)或圖紙建模，大艙室門、護(hù)欄、露天坐具等按照設(shè)計圖建模。涉及擠出、旋轉(zhuǎn)、沿曲線生成圓管、修剪、陣列、布爾運算等操作，完成效果如圖6、圖7所示。

3.2游船三維數(shù)據(jù)的優(yōu)化

游船實物模型擬采用1：100的比例，即45cm長度。實體化過程多采用向內(nèi)偏移曲面、剪切等方法，大曲面如船體、側(cè)舷、上層外包圍、艙室墻體及曲面玻璃等適用，根據(jù)模型比例偏移曲面保證實物厚度在1.5mm-3mm范圍內(nèi)最佳，以便保證打印件結(jié)構(gòu)強度并盡可能降低成本;水密門、舷窗、通導(dǎo)設(shè)備、錨機(jī)、系纜設(shè)備和探照燈等成型后較為細(xì)小的零件必須為封閉實體，局部壁厚過小處需加厚（滿足加工條件與視覺效果）;建模時，各部件都是獨立狀態(tài)，并未組合，在最后的實體化過程中，將最后需要表現(xiàn)的材質(zhì)相同的、相連的、不影響表面處理的部件布爾運算聯(lián)集，部件連接處考慮連接方法作適當(dāng)增減或削平。

3.3游船模型3D打印

由于船體長寬厚方向上尺寸差異較大，考慮到大體積薄片狀物體容易扭曲變形，選擇FDM工藝進(jìn)行3D打印;而其他曲面此處選擇SLA技術(shù)為主，是因其成型復(fù)雜、零件精細(xì)，有較高的精度，表面質(zhì)量優(yōu)良的特點。船體采用FDM熔融堆積的3D打印技術(shù)，保證主體結(jié)構(gòu)強度，減少變形。主要材料為PLA，ultimaker3打印機(jī)，主要參數(shù)如圖8，層高0.2mm，壁厚1.2mm，走線寬度0.4mm，填充密度25%，打印溫度195℃，打印平臺溫度65℃，回抽距離5mm，回抽速度60mm/s，打印速度50mm/s，起始層速度25mm/s，支撐懸掛角度60°，支撐密度15%，打印平臺附著brim。FDM打印件因其成型原理導(dǎo)致層高較大（通常為0.1mm-0.3mm），表面層紋較為明顯，在上漆前需經(jīng)過補土（主要有水補土、牙膏補土，原子灰亦可）打磨處理，最后噴2-3層水補土打磨平整。上建的外包圍及艙室采用SLA光固化的3D打印技術(shù)，主要材料為光敏樹脂，光固化打印精度較高，表面只需打磨處理后即可上漆。打印設(shè)備為Objet500打印機(jī)（如圖9），主要參數(shù)是：層高0.2mm，壁厚1.2mm。

切片是決定打印質(zhì)量的一大關(guān)鍵，影響做打印件的質(zhì)量和打印效率;打印機(jī)從物件底層開始打印，底層是整個打印件的根基，附著打印平臺且支持上層，底層選擇有以下原則：平面盡可能大和多;打印平臺附著多選擇“Brim”以避免翹邊、使底面平整且增加地面附著力;整體重心靠下;外壁與打印平面法線夾角不宜過大。此外，合理選擇支撐結(jié)構(gòu)以及支撐底部與頂部距離可以更好地去除支撐并保證支撐接觸面良好的成型效果。

3.4配件制作與模型的表面處理

甲板采用1mmABS板激光雕刻制作，由建模圖中甲板平面生成線框，激光雕刻成型，為表現(xiàn)木甲板層次，使用遮蓋帶交錯遮蓋表面進(jìn)行噴漆，以達(dá)到高度落差和顏色深淺效果。平面玻璃采用1mm透明亞克力激光切割成型。雷達(dá)、探照燈、桌椅等同樣采用光固化打印;螺旋槳和錨采用市面有售的模型船用銅質(zhì)件;救生圈采用市面有售的模型船用注塑件;樓梯采用市面有售的模型船用相同比例的銅質(zhì)蝕刻片彎曲折疊成型;扶梯和天線采用016-1.0mm直徑規(guī)格的棒和銅管彎曲成型。

適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚韺τ诳季空w效果的實物模型來說是極為重要的。游船模型需要經(jīng)過打磨、噴漆、粘合三大環(huán)節(jié)。打磨、對于PLA和金屬材料，使用50-200目砂紙開始打磨;對于ABS等硬度不太高的材料，使用400目砂紙開始打磨，依次打磨至2000-3000目即可;打磨時沾水可減少揚塵且表面更細(xì)膩并更易打磨;水補土的漆面從1500-2000目開始打磨;機(jī)械處理辦法有噴砂機(jī)噴砂處理等。噴漆，噴筆相比噴罐優(yōu)點是漆面厚度易于控制，漆面更細(xì)膩，色彩選擇范圍廣，缺點是大面積噴涂更容易造成漆面不均勻;此處采用帶儲氣罐的氣泵及模型用0.3-0.5口徑噴筆進(jìn)行噴漆，大口徑噴涂水補土及大面積漆面，小口徑適用與其它場景;理論上水補土在噴涂面漆之前必須要有，以保證表面附著力，金屬表面有專用金屬底漆;油性漆及琺瑯漆附著力好，發(fā)色好，但毒性大;水性漆及丙烯漆則相反。粘合，在粘接順序上，遵循先大后小、先內(nèi)后外的原則，即先粘接大塊和內(nèi)部部件，然后粘接小零件和外部零件;同種材料之間一般有專用膠水，如ABS膠、UV膠等，此處不同種材料之間采用401膠，具有固化速度快、粘接強度高的優(yōu)點;透明亞克力處使用咖喱膠，避免401膠固化時發(fā)白影響效果，粘合過程和最終完成效果（如圖10）。

4結(jié)論

1）面向游船單件或小批量、體量大、造型復(fù)雜（船體大曲面、螺旋槳異形曲面、上層建筑大面積曲面圍壁）的特征，3D打印技術(shù)在游船造型三維模型制作過程中，具有明顯的優(yōu)勢，能極大地縮減設(shè)計后期實物驗證模型的制作時間以及整個設(shè)計流程周期，同時保證了驗證實物與三維模型之間極小的差距，將設(shè)計工作的效率提升到了新的高度。為游船設(shè)計過程中新設(shè)計思想的校驗、方案原型制作等方面提供了一種有效的實現(xiàn)手段。

2）3D打印的全過程是數(shù)字化制造過程，數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建、優(yōu)化與轉(zhuǎn)換是3D打印的核心基礎(chǔ)。設(shè)計師需要培養(yǎng)面向3D打印技術(shù)原理的數(shù)字化設(shè)計思維，比如三維數(shù)據(jù)需要實體化、由于工藝限制太小和太薄的對象不利于直接3D打印，結(jié)合游船由于體量大、船體長寬厚方向上差異明顯、相對于船體體量還具有較多、較小的細(xì)節(jié)，這在游船三維數(shù)字化模型建立和優(yōu)化過程中需要予以充分考量。

3）在目前的3D打印技術(shù)的普及程度下，對模型進(jìn)行分件并以多種材料3D打印，加以表面處理，是保證實物模型視覺效果和真實性的一種較好的實現(xiàn)方式;游船作為一個復(fù)雜對象，具有多材質(zhì)、相對于主船體還具有舾裝、通導(dǎo)、消防等較多較小細(xì)節(jié)，為了能實現(xiàn)設(shè)計思想的“忠實”的呈現(xiàn)，能實現(xiàn)游船的CMF“完美”呈現(xiàn)，需要配合恰當(dāng)?shù)墓に嚱M合策略，比如船體、甲板、玻璃分別采用FDM、SLA、激光切割工藝，各自做好表面處理后再進(jìn)行組裝，這樣才能更有效發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢。