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1、第三章第三章 3D打印的工作流程打印的工作流程学学习目目标1.掌握3D打印STL模型数据的获取方法。3.了解3D打印常用的逆向设备3.掌握STL标准数据模型的定义。4.掌握STL数据模型编辑与修复的意义及常用软件。5.掌握STL数据模型添加支撑的意义及常用软件。6.掌握STL数据模型分层的意义及常用软件。7.掌握FDM打印机的基本工艺数据。8.掌握FDM打印设备的分类及构成。9.掌握FDM打印机常的基本操作和最易事项9.掌握3D打印常用后处理的方法和注意事项。3-1数据获取3D打印的打印的过程程本节着重讲3D打印数据获取的过程，数据获取是3D打印的重要环节。模型的数据获取分为两种方式：正向设计
2、和建造3D模型、逆向设计和建造3D模型。一、正向一、正向设计正向设计一般是指正向设计三维数据模型，目前市场是有许多建模软件可以用来构建3D模型，如SketchUP、Blender等开源的3D建模软件，SolidWorks、Cero、3ds Max、Maya等商业软件，他们专注于不同的领域，如Solid works、Cero主要应用于工业设计，而3ds Max、Maya主要用于建筑、动画、影视等方面。一般来讲正向构建3D打印模型有以下几种方式：1.基于网页的3D模型设计软件TinkerCAD2.免费开源3D模型设计软件3.常用三维工业设计软件4.常用三维建筑设计软件5.常用三维动画游戏设计软件二
3、、逆向设计二、逆向设计逆向工程又称反求工程（Reverse Engineering）俗称“抄数”，是相对于正向工程设计而言的，具体来说逆向工程是指在已经有了物理原型的情况下，以全数字化方式执行原型模型的仿制工作。逆向工程设计流程和步骤为：1.三三维扫描技描技术三维扫描是逆向构建三维数据模型的常用技术，三维扫描技术（3D Scanner）是集光、机、电和计算机技术于一体的全自动高精度立体扫描技术。三维扫描的用途是三维重建，即创建物体几何表面的点云（Point Cloud），这些点可用来拟合成物体的表面形状，越密集的点云创建的模型越精确（这个过程称为三维重建）。（1）三维扫描设备的分类1）按照测量
4、方式的不同，扫描设备可分为点测量、线测量和面测量三类。2）按照接触方式的不同，扫描设备主要分为接触式和非接触式测量，（2）三维扫描设备的基本原理1）三坐标测量机。三坐标测量机配置有一个能沿X、Y、Z三个垂直方向运动的高精度测头。测量时测头与零件表面接触，将测得的信息转化为数字信号送入计算机并通过相应的软件实现对物体表面形状的三维测量。2）激光三维扫描仪。激光三维扫描仪的主要构造是一台测量精度高的高速激光测距仪，通过激光测距大量记录被测物体表面密集点的三维坐标，然后快速复建出被测物的三维模型。3）光栅三维扫描仪。光栅三维扫描仪也称照相式扫描仪，其原理是采用可见光将特定的光栅条纹投射到被测物表面，
5、借助两个高分辨率的CCD数字照相机对光栅条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短时间里获得复杂被测物表面的完整点云，再由计算机完成不同视角点云的自动拼合，最终获得完整的三维实体点云数据。（3）三维扫描的工作流程三维扫描扫描的工作过程大致可以分为准备原型或模型、喷粉和标定、扫描、点云数据处理、二次开发和输出五个过程。2.逆向逆向设计常用常用软件件三、其他逆向设备1.断层扫描 断层扫描属于破坏性扫描，但是因其成本和费用较低，同时能准确的扫描被测物体的内部结构的优势，在工业产品的逆向中广泛应用。如图所示，是美国CGI公司生产的RE1000断层扫描机，其测量精度为0.025mm，测量
6、范围为300260200 mm。2.CT扫描扫描仪对实体（如人体）扫描时，实体在一个门架中连续向前缓缓移动（速度为110mm/s），装于门架上的检测系统围绕实体连续转动，检测系统每转动360实体向前移动一个切片层厚（12mm）并获得一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息。四、将模型转换为STL格式测量数据处理在3D打印技术中占有极为重要的地位。在正向设计过程中，一般的计算机辅助三维设计软件都有将三维模型拟合并输出STL格式文件的能力，并且输出精度高，一般可以直接使用；在逆向设计过程中测量系统可能得到高达上百兆的复杂曲面上大量密集的原始测量数据，这些数据
7、之间通常没有相应的拓扑关系，只是一大群空间散乱点（数据点云），其中还包括大量无用数据。因此，首先必须对数据进行滤波、拟合、重建和消隐处理，然后通过适当的算法构建出被测量物体的三维数据模型后，才能把数据模型转化成STL格式文件。3-2数据处理一、数据处理的意义不论是用正向设计软件绘制的三维数据模型，还是逆向设计用三维扫描设备对原型进行三维扫描得到的三维数据模型，在3D打印前都需要对这些数据模型进行相应处理和转化。据统计，数据模型的处理和转化过程中，有将近70%的文件存在各种不同的错误。如果对这些错误不处理，很可能会导致打印失败。因此需要先对数据模型进行处理，处理成标准的3D打印数据格式，然后再进
8、行打印。STL格式是3D打印发明人Charles Hull在1988年制定的一个接口协议，也是目前3D打印设备使用的最通用格式，目前已成为3D打印设备事实上的数据标准格式。STL文件是一种空间封闭的、有界的、具有点线面几何信息的三维实体模型数据格式，这样的STL文件可以直接输入3D打印设备用于3D打印，但是STL数据模型在转化过程中极易产生缺陷，有缺陷的STL文件不能正确描述模型的表面，也就不能顺利完成3D打印，也就是说缺陷的STL文件不符合3D打印的文件标准。2.3D打印的打印的STL文件文件标准准（1）STL模型必须封闭（2）STL模型必须有厚度（3）STL模型必须为流形（4）STL模型必
9、须有正确的法线方向（5）STL模型不能出现违反共顶点规则的三角形（6）STL模型必须删除多余辅助结构（7）STL模型不能出现重复面片（8）STL模型不能出现交叉结构（9）STL模型必须进行布尔运算形（10）STL模型不能出现孔洞（11）STL模型不能存在缝隙（12）STL模型不能存在错误边界（13）STL模型必须避免多壳体STL模型的数据处理除了要满足3D打印STL文件标准外，还要对数据进行以下处理。（1）预留容差度（2）设定模型的最大尺寸（3）检测模型的最小厚度（4）设定打印底座形状（5）设定STL模型精度3.3D打印的STL文件的其他处理三、数据处理的主要流程3D打印数据处理的主要流程分为
10、正向获取数据的处理流程和逆向获取数据的处理流程。四、数据四、数据处理理数据处理包含STL数据检查和修复、添加支撑、分层三个方面。1.STL数据检查与修复（1）STL数据检查和修复的意义STL文件的检查和修复主要用来检查模型中存在的一些诸如孔洞、缝隙、错误边界、坏边、多壳体等错误信息，并有针对性地进行分析和修复，以保证STL数据符合打印机打印标准。如图所示，是一个网上下载的哆啦A梦STL模型文件，经软件检测显示，该STL模型文件存在错误，这种文件如果不加编辑与修复而直接输入打印机打印，很可能造成打印失败。（2）常用的检查和修复软件2.STL数据添加支撑（1）添加支撑的意义3D打印技术的原理要求模
11、型的上层结构要有下层部分的支撑，所以被打印模型的某些部位如果是悬空的，打印的时候就需要设计支撑结构。通俗的讲，要不要添加支撑就是看模型有没有悬空部分。（2）添加支撑的基本原则1）45法则2）尽量不使用支撑3）尽量自己设计打印底座（3）添加支撑的类型1）完全支撑2）部分支撑3）不加支撑（4）添加支撑的软件3.STL数据分层（1）分层的意义3D打印机打印前、需要在计算机上安装相应的3D打印切片软件对3D模型进行切片，并转换成3D打印机可以识别的Gcode格式文件发送到打印机才能进行打印。切片的过程就是将模型数据按照实际要求进行分层，然后3D打印机按照每层的数据一层一层堆积打印即可成型。（2）分层的
12、原则1）以求最佳方向分层打印2）根据模型受力方向分层3）垂直分辨率（3）分层的软件3-33D打印设备打印操作一、一、FDM工工艺数据分析数据分析在使用FDM熔融沉积成型技术进行打印加工之前，除了考虑打印机的几何精度、运动精度以及喷嘴直径等打印机的基本参数外，还需要考虑相关工艺参数的控制，如材料性能、分层厚度、喷嘴直径、喷嘴温度、环境温度、挤出速度、填充速度、轮廓补偿值、延迟时间及成型时间等。1.材料性能 2.分层厚度3.喷嘴直径 4.喷嘴温度5.环境温度 6.挤出速度和填充速度7.轮廓补偿值 8.延迟时间9.成型时间二、二、FDM打印机的分打印机的分类和和组成成1.FDM打印机的分类（1）按照
13、打印机的大小分类:工业级FDM打印机、桌面级FDM工艺3D打印机。（2）按照打印头数量分类根据FDM打印机打印喷头的数量可以将3D打印机分为单头打印机、双头打印机和多头打印机，目前单头打印机比较多。（3）按照打印色彩分类FDM打印机可以分为单色打印机、双色打印机和彩色打印机等。2.3D打印机的组成1-打印头 2-框架 3-X轴螺杆及电动机 4-打印平台 5-开关和电源插座 6-SD卡槽或USB接口7-挤出机排线8-导料管9-Y轴螺杆及电动机10-（控制面板）显示屏11-Z轴螺杆及电动机三、3D打印机的基本操作及其注意事项1.基本操作（1）打印前的准备（2）调平打印平台（3）送丝（4）打印模型2
14、.操作注意事项（1）一般3D打印机对静电都比较敏感，应确保你在操作和尝试任何校正前，把身体上的静电释放掉。同时在自行对3D打印机进行维修和调整时，应确保电源连接已经断开。（2）高温危险。不要在加热和使用过程中触碰挤出头。挤出头的温度为190260，托盘的温度为30110之间，维修前先让其自然冷却。（3）挤压伤害。可动部件可能会造成卷入挤压和切割等伤害，操作机器时不要带手套等。（4）刺激性气味。在工作温度下，设备可能会产生刺激性气味，在使用打印机时应保持环境的通风和开放。（5）在3D打印机运行过程中，务必有人看管。四、FDM型3D打印机的日常维护与保养在日常应用中，只有掌握了良好的3D打印机维护
15、保养方法，才能最大限度地延长3D打印机的寿命。同时，良好的操作习惯和保养工作也能够让打印机更好地发挥功能，打印出高精度的物体。1.调整传动带松紧度一般来说，传动带不能太松，也不能太紧，一般FDM打印机都是由同步齿形带传动的，传动带太松容易跳齿，太紧则容易增加传动负载进而影响传动精度和传送带寿命。2.清理导轨当机器运行过程中如果噪声稍微变大，则需要清理和润滑导轨。一般用无纺布轻轻擦掉导轨上的污物和油腻并在导轨上轻轻涂上润滑油即可。四、FDM型3D打印机的日常维护与保养3.紧固螺栓FDM打印机上的有些部件是由螺栓连接而成，螺栓可能会慢慢地变松，特别是在X、Y、Z轴上，变松的螺栓可能会引起振动或噪声
16、。如果遇到这种问题，需及时将螺栓拧紧。4.不能手动移动打印头3D打印机在待机的时候，不要手动将打印头沿导轨轴移动。因为手动移动打印头时，同步齿形带相连的步进电动机会逆转产生一定的电流，电流会通过导线流至打印机电路板并对电路板产生冲击，进而对打印机造成危害。3-43D打印后处理一、3D模型后置处理的基础知识FDM 3D打印设备打印出来的产品一般需要通过一系列的后期处理来完善作品，如拼接、补土、打磨、上色等。1.常用手工工具2.常用电子工具3.打印辅助材料二、3D模型的简单后置处理1.基面和支撑去除2.拼合粘结3.补土4.打磨抛光处理（1）锉刀和砂纸打磨（2）珠光处理4.打磨抛光处理（3）蒸汽平滑（4）抛光处理（5）电镀5.上色修饰（1）上色用工具和颜料 （2）上色步骤三、3D模型后处理的注意事项1.注意控制材料的去除量2.注意尽量控制打磨温度3.注意上色时的时间和环境4.注意后处理过程中的劳动保护5.注意环境对后处理结果的影响6.注意颜料种类的选择