3D打印模型的结构优化分析

沈新明　闵畅　李锦　彭晓峰

摘 要 3D打印技术是一种相对于传统的机加工“减材制造”技术而言的增材制造技术，是通过离散和微积原理而实现的制造技术。3D打印利用电脑软件将模型切割成一系列拥有一定厚度的薄片，然后3D打印设备通过计算机软件程序从下而上地依次打印出每一层的薄片，最终形成了整体的3D打印模型。本文简单介绍了3D打印技术的原理和发展趋势，结合节省材料、强度、平稳性、支撑结构等方面对模型进行了结构分析，并对可能存在的问题提供了相关的优化方法。经过结构优化后，所打印出来的模型能够满足更好力学条件和各种物理特性，更好地运用到实践中去。

关键词 3D打印 结构优化 几何分析

中图分类号：TH161 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.02.027

Optimization Analysis of 3D Printing Structure

SHEN Xinming， MIN Chang， LI Jin， PENG Xiaofeng

（College of Machinery and Automation， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430081）

Abstract 3D printing technology is an additive manufacturing technology relative to the traditional machining of "subtractive manufacturing" technology， which is a manufacturing technology that is realized by discrete and calendaring principles. 3D printing computer software to cut the model into a series of a certain thickness of the sheet， and then 3D printing equipment through computer software program from bottom to top print each layer of the sheet， the final form of the overall 3D printing model. This paper briefly introduces the principle and development trend of 3D printing technology， analyzes the structure in terms of material saving， strength， stability and support structure， and provides relevant optimization methods for the possible problems. After structural optimization， the printed model can meet the better mechanical conditions and various physical characteristics， to better use in practice.

Keywords 3D printing； structural optimization； geometric analysis

0 引言

3D打印是一種快速成型技术，它的基础是数学模型文件，运用陶瓷、塑料以及粉末状金属等一些材料，通过自下而上的一层一层打印的方式来创造打印物体。与传统的机械加工的“减材制造”相比，3D打印技术是一种增材制造技术，是通过离散和微积原理而实现的制造技术。3D打印拥有很多不同的核心技术，它可以通过不同的材料一层一层的打印出完整的3D模型。打印材料是3D打印的物质基础，同时也是当前3D打印发展的瓶颈的所在，打印成本大多也是集中在材料方面，3D打印运用的广泛的材料有陶瓷、金属、纸材、高分子粉末、塑料、石蜡等。3D打印技术将设计理论和加工生产直接结合了起来，能够快速打印生成产品，从模型直接到产品，促进了创新思维的发展，在打印的过程中发现问题并且做出改进。因此如今在机械设计制造、航空航天、建筑设计、艺术设计、生物医疗等多个领域受到越来越多的关注。3D打印在教学领域拥有着巨大的潜力，将3D打印技术运用于教学，可以增加教学的趣味性，同时可以将抽象的问题具体化，学生们在自己动手的过程中掌握相关学科的知识，并且将之赋予实践，设计和加工相结合，学生能够学到更多实用性的知识，有助于学生综合能力的培养。为了推进3D打印的发展，我们需要对3D打印的模型进行结构分析，分析模型所运用的材料，分析模型成型的各部分之间的强度问题、模型的稳定性问题，对模型进行结构优化分析，让所生产的模型能够很好地运用于实践，满足更多加工实际的要求，减少相应的生产成本和时间成本。

1 3D打印技术的原理和发展现状

3D打印机的工作原理其实与普通日常的打印机的原理差不多，日常生活的打印机是加工二维的平面物体，而3D打印机则是先在计算机上绘制出虚拟3D模型，再将建成的虚拟3D模型切分形成一层一层的截面，也就是切片过程，最后指引3D打印机从下向上进行逐层打印，如图1所示。总的来说，3D打印成型的过程主要分为四个方面，即构建模型、分层切片、打印成型、后期处理。[1]

（1）构建模型。要想打印出实际的模型产品，就要绘制生成对应的三维虚拟模型。因此，首先要利用三维绘图软件（ 如SolidWorks、CAD、Creo等）根据自己的想法设计出相应的软件模型。

（2）分层切片。将设计好的3D虚拟模型输入到微机中去，然后通过3D打印机自带的专业打印软件来进一步打印加工处理，将模型切割成为一层一层的薄片，打印材料的属性以及打印机的规格决定了每个薄片的厚度。

（3）打印成型。3D打印机的模型打印过程主要分成了两个步骤：支撑的制作和零件实体制作。在打印的区域内，打印机喷头沿着由编程软件规定的路线行进，挤出液态的模型和支撑材料，将模型从下部一层一层向上打印成型。

（4）后期处理。3D打印技术的后期处理包括：将多余的支撑材料从模型中剥离同时保证模型表面的形状，不让模型出现大的变形，对表面进行加工处理，满足模型的精度要求（见图1）。

3D打印将模型设计和加工生产结合了起来，以前需要分开完成的步骤，现在都可以通过3D打印全部制作出来。这样既极大的减少了产品模型在设计中的生产成本，又大幅缩短了产品生产的时间。[2]3D打印不需要像传统加工一样在各种车间逐步进行精密加工，只需要利用计算程序数据在一台专门的打印机设备上就可以打印出精密的各种实体模型，解决了以前许多传统加工无法解决的问题，各个千奇百怪的形状都能够被3D打印出来，设计思维得到了解放，在一台打印机上生产大大缩短了加工工艺，同时相应的减少了加工时间，3D打印还是一种绿色制造模式，大大节省了加工的材料。[3]毫无疑问，3D打印将会转变以往的工业制造模式，最终发展成为一种新型的制造体系。

目前3D打印受到了越来越多的关注，这是以前没有见过的现象，这是一个雪球效应，今后这个雪球会越滚越大。其中一个的趋势是如今低成本的桌面打印机变得无处不在，运用于社会的各个方面。另一个趋势就是3D打印技术在一些领域实现了非常重要的运用，例如航空、医疗等领域。[4]

为了跟上时代的步伐，需要推动3D打印技术快速发展，形成一种产业模式。首先，我们需要在技术上加大创新，加大投入，实现关键核心技术的重要突破。第二，政府要大力扶持3D打印产业，明晰3D打印技术的发展潜力，基于资金和政策的帮助，从战略高度推动3D打印技术产业的发展。第三，努力扩大3D打印技术的运用空间，建立相适应的3D打印加工的服务平台，充分发挥3D打印技术的优势。[5]

2 3D打印的结构优化

2.1 面向节省材料的结构优化

如今3D打印技术正在迅速发展，3D打印的所需要的成本也在渐渐下降。即便如此，相比于传统制造业的产品，3D打印产品的打印成本还是比较高的，不光是3D打印机，3D打印材料也需要很大的消耗，目前其成本一般通过单位体积所消耗材料的费用（元/cm3）来表示。通过这个我们可以得出结论，3D打印的生产成本与其消耗的材料的体积是成正比。因此，为了降低3D打印的成本，我们需要对打印模型进行优化，在不改变模型实际形态和表面质量的情况下，尽量减少模型体积。[6]

如何合理的设计模型来节省材料？对于那些实心物体模型，我们可以采取中部掏空的方式，计算出产品合理的壁厚，满足各种强度条件，一步一步地将实物掏空。由于掏空之后的物品可能存在各种稳定性的问题，我们可以在适当产品内部添加一些支撑杆件，这样既可以减少材料消耗，又可以满足强度和稳定性。[7]

自然界中也存在一些十分奇妙的结构，比如蜂窝煤的结构、泡沫的结构。蜂窝结构的重量较轻、材料的用量少、生产成本低、内部的强度高、表面圆滑平整、不易产生变形，并且还具有十分优越的物理力学性能，以及这种结构在隔音吸热等方面的物理优势，因此在3D打印模型结构优化的分析中，蜂窝结构的运用十分广泛。[8]

2.2 面向强度的结构优化

3D打印技术的进步使得每个人都可以设计出属于自己的3D模型，并且将模型打印出来。每个人都可以将自己的想法赋予实践，这种模式有助于创新思维的发展，然而由于每个人的基础不一样，有些人不了解相关的设计经验和物理力学知识，导致于设计出的产品因为各种结构问题不能打印出来，或者是打印出来之后会出来断裂的现象，存在明显的强度问题。

由于打印的模型存在强度问题，在日常的生产实践中就不能得以很好的运用，模型容易被破坏。所以我们需要对所打印的模型进行强度分析，在计算机上绘制虚拟模型的时候就要考虑到这些问题，计算出强度不足的结构位置，并且提出相应的改进措施。

在进行三维设计的过程中，我们要考虑到那些强度不够的结构区域，需要对于这些区域进行综合性分析，考虑结构可能存在的外部载荷的影响，我们可以采用材料力学里面弯矩扭矩力學分析，对每个横截面进行计算考核，特别是那些细长截面，很有可能因为强度不够而发生断裂。[9]同时我们要考虑到打印出来的产品可能会出现一定的变形，尤其是使用的打印材料是弹性塑料类型的时候，我们首先要对材料进行弹塑性分析，将变形的模型和我们所期待的模型作比较，综合各个方面的因素，让产品朝着我们期待的方向发展。对于那些计算分析出来的强度不够的三维模型，我们应该想方法对其进行修正，比如在强度不足的节点进行加厚处理或者在原模型的基础上添加支撑杆件。

2.3 面向稳定性的结构优化

生活实际中，物体的稳定性就是物体在各种因素的作用下的平衡状态，当一个物体受到两个或两个以上的力作用时，如果各个力之间的作用互相消除，模型就会处于相对平衡的状态。在三维绘图软件中，绘制出的3D模型可以以任何形式出现，我们可以随意的摆放这些虚拟模型，因为在绘图软件中，我们没有必要注重模型的摆放位置，只需要将3D模型的各种形态清晰的表现出来。但是如果将模型打印出来，我们就要考虑到模型的摆放时的力学特性以及物理规律，如果模型不能满足稳定性特征，那么模型就无法被正确摆放，打印出的产品不能运用到实践中，这样的产品是没有意义的。[10]

为了解决打印出产品的稳定性问题，我们可以将所打印的模型粘在重度大的基座上面，或者对于模型进行反复的加工修改，直到模型能够很好的摆正位置。相比于这两种方法而言，重度大的基座需要消耗一定的材料，反复修改加大了时间成本，重心优化的方法显得更加合理，通过几何计算的方法来调节模型的重心位置，让其在特定的姿势下达到平衡状态，保持足够的稳定性。

要想保持物体的稳定性，就必须使物体的重心处于物体模型的重心位置，将物体模型向x轴和y轴组成的水平面投影，分析在截面形成的多边形，让重心合理的落在多边形上，如何调整重心？就是要我们通过一定的方法改变模型的重心，使其达到稳定的平衡状态，我们可以掏空模型的内部空间，让模型内部产生空洞，这样重心也就相应调整了。或者我们可以轻微的改变模型的表面形状，在某一部分加厚使其重心偏移。经过重心优化处理过后，模型的稳定性就会有大幅提升，无需额外支撑底座或者支撑架，这样既节省成本又节省时间。[11]

2.4 支撑结构优化

由于3D打印采用截面逐层堆叠方式来构建物体，x和y轴所构成的平面是模型横截面轮廓和内部填充路径所在的平面， 每打印一层，喷头就会沿着z轴正向相对于打印支撑平面上移一个截面层高。[12]由于打印的材料受重力影响，因此对于模型中的一些悬空部位来说，十分常见的如光固化成型SLA、熔融沉积型FDM、激光选区熔化SLM和数字光处理成型DLP等类型3D打印机，为了完成相应的打印，需要我们在这些悬空的部位下面添加支撑结构，等到模型打印完成后再想方法消除支撑结构。

所以首先我们要在模型中找到需要添加支撑的部位，除了对模型进行相应的应力分析，我们还必须对模型基本情况有一定的了解，比如对于较为水平的部位，受到材料重力的影响，材料的之间的粘黏不是很好，容易出现截面断裂的情况。[13]对于模型悬空的部位，支撑的添加也是必要的。然后就是要保证所添加的支撑结构能够支撑相应的部位，同时，支撑结构并不是我们所需要的最终模型，我们需要在后续将支撑结构剥离，因此添加的支撑结构应该便于从整体中剥离并且不会损坏模型的表面结构。

一般来说，我们在设计绘制支撑结构的模型时，首先要考虑到的是所设计的支撑结构要求有足够的强度，这样才能够支撑它上面的模型结构，不至于让模型整体垮掉；在满足强度要求的前提下，我们应该减少支撑杆件的数量，这些支撑杆件在后期是要去除的，多余的支撑杆件将会增加打印的时间，消耗更多打印材料，增加相应的成本，同时会后期去除支撑杆件时会影响到模型的表面形状。现在有很多3D打印模型打印出的支撑结构都是从所支撑的部位一直延伸到模型基体。可以想象，这种支撑结构方式并不是最好的结构，材料的消耗太大造成了不必要的浪费。在三维绘图软件上，我们可以通过优化算法，让其自动生成支撑结构，然后在绘图软件上修改支撑结构来减少支撑结构数量。在3D打印模型满足相应的质量和强度的前提条件下， 我们可以尽可能减少支撑结构或者减少支撑结构和三维模型之间的大面积接触，这样就可以节约支撑材料，同时也节约了打印成本，而且我们也能更加容易的将支撑结构从打印模型中去除。

3 结束语

3D打印是制造业的一场伟大的革新，在未来3D打印技术也会像计算机、互联网一样进入到我们生活学习的方方面面。3D打印具有巨大的潜力，为了加快3D打印前进的步伐，我们应该积极地学习相关的知识，对于结构有初步的了解，同时对3D打印的结构进行更深次的优化探究，利用结构优化解决材料消耗问题，降低3D打印生产成本，研究重心偏移的相关方法，以及当物体模型在不同外力的作用下，模型能否保持稳定性的问题，或者是强度、刚度、塑性存在问题而导致模型产品无法正常使用的问题，研究这些实际问题并且提出一些改进措施，在实践中去检验这些措施的可行性，使得3D打印出来的实体能够较好的满足实际的要求。所以通过结构优化，我们能够有效的解决3D打印目前存在的一些问题，随着这些问题的解决，3D打印技术也就得到迅速的发展。目前3D打印模型优化还是存在一些问题，我们要综合考虑到时间成本和生产成本，尽量对各种算法进行优化分析，减少打印模型所需要的时间，保持物体模型原有的表面形状以及物理特性。我们需要对3D打印结构进行不断地探索研究，推动3D打印技术不断向前进步，让3D打印技术能够运用到越来越多的领域，为广大的人群服务。

基金项目：国家级创新训练项目（201610488005）：一种新型3D打印机设计与分析

参考文献

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