基于UG建模的3D打印技術(shù)研究

李瑞

摘要：采用3D打印技術(shù)制作產(chǎn)品模型，首先需要完成產(chǎn)品三維建模?；诖?，對3D打印技術(shù)和UG建模軟件進(jìn)行了分析，提出了基于UG建模的3D打印技術(shù)應(yīng)用方法，能夠簡化三維打印復(fù)制流程，縮短產(chǎn)品制作周期，有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：UG建模;3D打印技術(shù);三維打印復(fù)制

引言：在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展過程中，二維打印復(fù)制技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們的需求，促使3D打印技術(shù)隨之誕生。應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品模型制作，可以獲得復(fù)雜的產(chǎn)品，為模型設(shè)計(jì)提供更多可能。但實(shí)現(xiàn)三維打印復(fù)制，需要獲得三維數(shù)據(jù)，因此需要引入U(xiǎn)G建模方法滿足3D打印技術(shù)應(yīng)用需求。

13D打印與UG建模軟件

3D打印屬于快速成型的三維打印復(fù)制技術(shù)，需要將3D數(shù)字模型文件當(dāng)成是基礎(chǔ)，利用塑料、金屬粉末等可黏合材料進(jìn)行逐層堆積、打印，生產(chǎn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D實(shí)體[1]。近年來，該技術(shù)在模具設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)造型等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，可以節(jié)省產(chǎn)品焊接、打磨等工序，縮短制作流程，提高產(chǎn)品開發(fā)效率和質(zhì)量。按照技術(shù)應(yīng)用流程，需要先在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)需打印產(chǎn)品的三維模型，根據(jù)模型形狀、尺寸等數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。通過將計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī)連接，可以自動(dòng)完成模型數(shù)據(jù)分割，根據(jù)平面信息自動(dòng)生成打印路線，促使產(chǎn)品成型。

UG建模軟件為EDS公司開發(fā)的一流CAD軟件，對航空、汽車、輕工業(yè)等多領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)行了集成，用戶可以根據(jù)需求選擇安裝的模塊，用于實(shí)現(xiàn)特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、繪圖等過程[2]。采用軟件建模，可以將特征模型與幾何模型結(jié)合在一起，完成實(shí)體模型曲面、形狀的靈活編輯，兼具產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析功能，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維信息綜合管理。UG建模軟件造型功能強(qiáng)大，能夠用于產(chǎn)品實(shí)體造型設(shè)計(jì)和建模，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，可以完成產(chǎn)品安裝匹配設(shè)計(jì)，生成高質(zhì)量工程圖紙。因此應(yīng)用UG建模軟件輔助3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，能夠推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作的一體化發(fā)展，提高產(chǎn)品生成效率和質(zhì)量。

2基于UG建模的3D打印技術(shù)分析

2.1模型建立

在模型建立階段，需要根據(jù)3D打印機(jī)的尺寸要求選擇三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，確認(rèn)模型大小、是否閉合、是否為實(shí)體等各項(xiàng)條件。以小型玩具模型為例，產(chǎn)品由系統(tǒng)不規(guī)則曲面構(gòu)成，需要建立自由封閉曲面體構(gòu)成的實(shí)物模型。運(yùn)用熔融沉積工藝和PLA材料進(jìn)行3D打印，選用MakerBot Replicator打印機(jī)進(jìn)行模型制作，可以搭配使用UG NX8.0軟件進(jìn)行三維建模，不僅能夠完成草圖創(chuàng)建，也能實(shí)現(xiàn)模型運(yùn)動(dòng)過程仿真模擬分析。在模型建立過程中，構(gòu)造的曲面模型應(yīng)確保精度、光順性等達(dá)到要求。采用Geomagic studio軟件進(jìn)行曲面擬合，并進(jìn)行誤差分析，可以完成曲面的粗分和細(xì)分，獲得相應(yīng)網(wǎng)格圖。執(zhí)行誤差分析命令，能夠通過提高細(xì)分程度減小誤差。將擬合好的曲面導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中建模，可以進(jìn)行實(shí)體造型，并進(jìn)行各部分結(jié)構(gòu)裝配分析，為實(shí)體打印奠定基礎(chǔ)。

2.2仿真分析

在仿真分析階段，針對軟件生成的草圖和設(shè)計(jì)方案，需要利用相關(guān)理論進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)模型能否順利閉合或厚度是否過薄，以免出現(xiàn)模型制作失敗或太脆等問題，防止材料浪費(fèi)或打印時(shí)間延長。采用UG建模軟件完成參數(shù)設(shè)置，對彎矩內(nèi)部齒輪組等零部件運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真，能夠由計(jì)算機(jī)在虛擬平臺上對構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)行，確定模型運(yùn)動(dòng)能否通過校驗(yàn)。根據(jù)仿真結(jié)果，可以直接確認(rèn)各部分結(jié)構(gòu)是否存在干涉問題，并完成模型修正。根據(jù)運(yùn)動(dòng)原理設(shè)置仿真環(huán)境，可以分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)副、連桿、運(yùn)動(dòng)器等，并完成初始速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等參數(shù)設(shè)定。點(diǎn)擊“解算方案”，選擇常規(guī)驅(qū)動(dòng)，并選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)分析類型，能夠直接觀察到模型內(nèi)部零件運(yùn)動(dòng)過程。確認(rèn)無問題后，可以獲得最終模型，深入到3D打印機(jī)中進(jìn)行產(chǎn)品制作。

2.3 3D打印

針對UG軟件中的數(shù)據(jù)模型，利用U盤以O(shè)BJ或STL格式保存后，應(yīng)確認(rèn)使用英文名或拼音作為文件名，以免打印機(jī)在讀取時(shí)提示錯(cuò)誤。將U盤插入計(jì)算機(jī)，打印機(jī)軟件將會自動(dòng)讀取。根據(jù)產(chǎn)品制作需求，可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整大小，也可以對打印精度進(jìn)行縮放，完成支撐、底托等結(jié)構(gòu)添加。在產(chǎn)品制作實(shí)踐中，通常將精度設(shè)置到0.1到2.0之間，數(shù)值越小精度越高。通過調(diào)整噴頭出料細(xì)度，能夠使打印出的產(chǎn)品更加精致、細(xì)膩、但細(xì)度的減小也將導(dǎo)致打印時(shí)間延長，因此應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品制作精度和經(jīng)濟(jì)性，合理設(shè)定有關(guān)參數(shù)。根據(jù)實(shí)體模型強(qiáng)度、尺寸等要求，可以將層厚設(shè)定為0.2mm，壁厚為1mm，按照40mm/s速度打印，達(dá)到20%的填充密度。結(jié)束參數(shù)設(shè)定后，可以進(jìn)行預(yù)覽，確認(rèn)無誤后點(diǎn)擊操作按鈕，在控制面板中選定文件開始打印。打印期間，工作臺將提升到恰當(dāng)位置，對噴頭進(jìn)行加熱，直至溫度達(dá)到要求后開始打印。在打印期間，可以通過面板確認(rèn)溫度等參數(shù)，并查看打印進(jìn)度。期間一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以立即停止打印，以免引發(fā)材料浪費(fèi)。在確認(rèn)打印的模型完后，可以將支撐結(jié)構(gòu)去除，獲得完整模型，通過組裝獲得成型產(chǎn)品。從產(chǎn)品開發(fā)結(jié)果來看，不僅成功縮短了生產(chǎn)周期，也降低了設(shè)計(jì)和制造成本，減少了人員工作量，能夠達(dá)到產(chǎn)品快速制作要求。

結(jié)論：采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體，可以通過UG建模獲得產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型，直接進(jìn)行產(chǎn)品打印制作，可以推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作工作的一體化發(fā)展，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的同時(shí)，減少不必要的資源浪費(fèi)。因此相信隨著技術(shù)的日漸成熟，未來基于UG建模的3D打印技術(shù)能夠獲得較好發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張捷.UG軟件在汽車車身CAD建模中的使用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（19）：206-207.

[2]鄒錦波，王華.基于UG和3D打印的雙離合自動(dòng)變速器齒輪組教具的設(shè)計(jì)[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，27（05）：99-101.