孟少明，李 培，譚海林，陳 艷，唐前鵬

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 株洲 412000）

以車用萬(wàn)能電話號(hào)碼為載體，以3D 打印技術(shù)為支撐，開展3D 打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)與樣品制造中的應(yīng)用研究。3D 打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀、線狀塑料或金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。傳統(tǒng)的產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)需經(jīng)過漫長(zhǎng)的周期，一些很復(fù)雜的產(chǎn)品需要耗費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)原料進(jìn)行加工和建造[2]。而3D 打印技術(shù)集產(chǎn)品設(shè)計(jì)與打印制造于一身，短則幾小時(shí)，多則幾天就能把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)，還不受結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造技術(shù)水平的限制[3]。

因此，以車用萬(wàn)能電話號(hào)碼為對(duì)象，基于3D 打印技術(shù)可視釣魚裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)與試制，很好地詮釋了3D 打印技術(shù)在民品中的應(yīng)用。基于3D 打印技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可拋開傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)的限制，從而大大縮短新產(chǎn)品試制周期，提高企業(yè)的市場(chǎng)響應(yīng)能力，探索3D 打印技術(shù)直接制造產(chǎn)品的可行性。

1 整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電話號(hào)碼可隨意調(diào)整，經(jīng)多方實(shí)驗(yàn)論證，參考密碼鎖的原理，整體式車用萬(wàn)能電話號(hào)碼結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一體打印而成，采用插銷定位。整體結(jié)構(gòu)包括基體2、插銷1 和輪子3，輪子外圓周表面上均布有0～9 共10 個(gè)數(shù)字，基體上正面橫向排列設(shè)置有11 個(gè)槽，每個(gè)槽內(nèi)通過安裝軸各安裝有一個(gè)輪子，基體上設(shè)有橫向貫通的插銷孔，輪子上設(shè)有十個(gè)小圓孔，每個(gè)小圓孔均能通過轉(zhuǎn)動(dòng)輪子后正對(duì)插銷孔，插銷插入在基體的插銷孔和每一個(gè)輪子的一個(gè)小圓孔中，插入插銷后插銷和輪子均能固定在基體上，且插銷能被取出，取出插銷后輪子能轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

圖1 整體式萬(wàn)能臨時(shí)停車牌結(jié)構(gòu)

基體的結(jié)構(gòu)如圖2a 所示，呈三棱柱狀，外形尺寸長(zhǎng)150mm，寬50mm，高37mm，底座高5mm。正面設(shè)有“臨時(shí)停車，請(qǐng)多關(guān)照”的提示語(yǔ)，開有11 個(gè)尺寸為17.5×7.5mm 的方形槽，用于顯示輪子中任意一個(gè)數(shù)字，每個(gè)槽內(nèi)有一直徑為10mm 的固定軸，用于安置支撐輪子，軸部設(shè)置有7.75mm 的環(huán)形空間，供輪子安放用，背面設(shè)有“祝您一路平安！”的祝福語(yǔ)，后下角開有4.5mm 的插銷孔，采用插銷把11 個(gè)調(diào)整好的輪子固定在基體中。

圖2 整體式萬(wàn)能臨時(shí)停車牌零件結(jié)構(gòu)

輪子結(jié)構(gòu)如圖2b 所示，為一圓柱體結(jié)構(gòu)，外圓直徑25mm，內(nèi)孔直徑10.4mm，輪子厚度5mm，為減少輪子與基體孔表面的接觸摩擦和輪軸向子竄動(dòng)，兩端面設(shè)置有1mm 的凸臺(tái)，凸臺(tái)直徑13mm。圓柱表面均布0～9 共10 個(gè)數(shù)字，中間開設(shè)的圓孔，與基體的軸配合對(duì)輪子進(jìn)行固定及實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，輪子端面均布10 個(gè)直徑為4.5mm 的小圓孔，用于與插銷配合，方便調(diào)整和固定所要顯示的電話號(hào)碼數(shù)字。

插銷結(jié)構(gòu)如圖2c 所示，總長(zhǎng)150mm，直徑4.4mm，端部直徑15mm，端部長(zhǎng)度5mm。為方便插入輪子孔內(nèi)，插銷小端部設(shè)置成圓錐面，為防止插銷竄動(dòng)，插銷設(shè)置成臺(tái)階軸，大端圓柱直徑與基體插銷孔配合緊密。

2 組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合式車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌結(jié)構(gòu)如圖3 所示，采用單個(gè)零件分別制造后組合而成，包括基體2、主軸1 和11 個(gè)輪子4 及封蓋板3，輪子外圓周表面均布有0～9 十個(gè)數(shù)字?；w內(nèi)部為空，主軸安裝在基體上，輪子均安裝在主軸上，主軸和輪子均位于基體內(nèi)；基體正面設(shè)有若干個(gè)數(shù)字顯示孔，每個(gè)數(shù)字顯示孔處均有一個(gè)輪子；每個(gè)數(shù)字顯示孔旁邊均設(shè)有缺口，每個(gè)缺口內(nèi)均安裝有一個(gè)能被取出的封蓋；輪子周向固定在主軸上，且取出封蓋后，輪子能沿主軸軸向移動(dòng)到缺口處后繞主軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)而調(diào)整需要顯示的數(shù)字[5]。

圖3 組合式車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌結(jié)構(gòu)

基體結(jié)構(gòu)如圖4a 所示，為橫放的三棱柱狀（根據(jù)實(shí)際情況需要，也可以采用其他合適的形狀），外形尺寸長(zhǎng)220mm，寬50mm，高37mm，底座高5mm。正面設(shè)有“臨時(shí)停車，請(qǐng)多關(guān)照”的提示語(yǔ)，背面設(shè)有“祝您一路平安！”的祝福語(yǔ)?；w中間為空，中部直徑為16mm，左端部孔直徑11mm，右端面腰圓孔寬度16mm，中心距5mm，腰圓孔深5mm，方便主軸能穿過基體而定位及固定，基體正面上設(shè)有十一個(gè)5mm×10mm 的矩形數(shù)字顯示孔，每個(gè)數(shù)字顯示孔左側(cè)均設(shè)有用于安裝封蓋6mm×25mm 的長(zhǎng)方形缺口，缺口內(nèi)可以安裝一能取出的封蓋板。

輪子結(jié)構(gòu)如圖4b 所示，外部直徑25mm，內(nèi)徑12mm，厚度為5m。輪子外圓周表面等分均布有0～9的十個(gè)數(shù)字，輪子內(nèi)圓周面上均布設(shè)置有十個(gè)向圓柱中心軸方向突出的矩形或其他合適形狀的內(nèi)齒（可形成內(nèi)花鍵狀），相鄰兩個(gè)內(nèi)齒之間形成內(nèi)槽，如：矩形槽，槽寬3mm。為方便輪子能順利地與主軸嚙合，輪子內(nèi)孔端部倒斜角0.5mm。

封蓋板結(jié)構(gòu)如圖4c 所示，長(zhǎng)25mm，寬11.5mm，厚6mm，中間半圓直徑11mm，為使封蓋板能順利安放在基體槽內(nèi)，設(shè)置有2 個(gè)2mm 的倒角。

主軸結(jié)構(gòu)如圖4d 所示，軸總長(zhǎng)220mm，直徑11mm，軸外表面上沿軸向等距離11mm 設(shè)置有11組凸起，凸起直徑15mm，每組凸起均環(huán)繞在主軸圓柱面上形成齒輪式結(jié)構(gòu)（為與輪子上內(nèi)花鍵相嚙合的外花鍵狀），每組凸起中包括若干個(gè)凸起（其個(gè)數(shù)與一個(gè)輪子的內(nèi)槽數(shù)量相對(duì)應(yīng)），每組凸起上裝配一個(gè)輪子，輪子能與該組凸起嚙合或嵌合，裝入封蓋后能實(shí)現(xiàn)對(duì)輪子的定位，主軸左端設(shè)置有一腰圓臺(tái)階，腰圓寬度16mm，腰圓中心距5mm，臺(tái)階長(zhǎng)5mm，腰圓臺(tái)階可實(shí)現(xiàn)主軸與基體的周向定位。

圖4 組合式車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌零件結(jié)構(gòu)

組裝時(shí)，首先把11 個(gè)輪子安放在基體缺口內(nèi)，再把主軸的一端（較小端）從基體一端的軸安裝孔、11 個(gè)輪子的內(nèi)孔中依次穿過后固定在基體另一端的軸安裝孔處，主軸固定定位好后，把每個(gè)輪子向封蓋安裝缺口移動(dòng)，從而脫離與主軸上凸起的嚙合或嵌合，調(diào)整需要的0～9 中的任意一個(gè)數(shù)字朝向基體正面后，將輪子移動(dòng)到數(shù)字顯示孔處，輪子嚙合或嵌合到近旁主軸上的一組凸起上，再把封蓋板安裝在基體缺口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪子的定位。如此反復(fù)11 次，可任意顯示11 位數(shù)的手機(jī)號(hào)碼。

3 成形工藝對(duì)比分析

常見的3D 打印技術(shù)有光固化立體成型（SLA）技術(shù)、熔融沉積成型（FDM）技術(shù)、三維打印成型（3DP）技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)成型（DMLS）技術(shù)。根據(jù)成本、外觀、細(xì)節(jié)表現(xiàn)力、力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)固性、溫度適應(yīng)性范圍及車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用性等因素，決定采用光固化立體成型技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)成型論證[6]-[8]。

組合式車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌光固化立體成型實(shí)物如圖5 所示。采用光敏樹脂作為成型材料，做出的工件為半透明或米黃色，強(qiáng)度較好，可裝配、攻螺紋、噴漆及絲印等。SLA 成型效率高，生產(chǎn)周期短，成型精度高，表面質(zhì)量好，特別適合于制作結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的產(chǎn)品，但SLA 成型產(chǎn)品因材料本身的氣味、毒性和耐熱性有限等缺點(diǎn)，不利于長(zhǎng)期保存，因此用來(lái)制作工藝品類產(chǎn)品不太合適。

圖5 組合式車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌實(shí)物

整體式萬(wàn)能臨時(shí)停車牌因必須整個(gè)構(gòu)件一體成型，因此采用選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）技術(shù)，材料可采用PC、PS、ABS、PA 等。SLS 技術(shù)成型工件無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，特別適合于活動(dòng)構(gòu)件的整體成型，只要各零件間預(yù)留間隙合適，待成型后去除剩余干燥粉末材料，就可運(yùn)動(dòng)自如。激光燒結(jié)成型的表面質(zhì)量不如光固化成型零件，因此，為保證外觀及表面質(zhì)量，激光燒結(jié)成型的整體式萬(wàn)能臨時(shí)停車牌還需進(jìn)行滲樹脂處理，涂刷樹脂完畢后，用吸水紙將產(chǎn)品表面多余樹脂吸盡，置于室溫下自然晾干4～6h，再放置于60℃烤箱中進(jìn)行固化5h。

SLS 技術(shù)在制件成型之后，未燒結(jié)的粉末可回收利用，因此大大提高了材料的利用率，從而降低了制件的成本。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能自然地承托燒結(jié)好的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出工件時(shí)，這些粉末可以脫掉，不需建造支承，省去了清除支承的煩惱。

4 結(jié)論

（1）基于3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)與制作的產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)，無(wú)需制作模具，可避免開模風(fēng)險(xiǎn)。

（2）基于3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)與制作的產(chǎn)品，可以很直觀地以實(shí)物形式把設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意展現(xiàn)出來(lái)，可避免“畫出來(lái)好看而做出來(lái)不好看”的弊端，是驗(yàn)證外觀模型的最佳手段與方法。

（3）基于3D 打印技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可拋開傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)的限制，可天馬行空地去構(gòu)思，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，縮短產(chǎn)品研發(fā)與制造時(shí)間，降低產(chǎn)品研發(fā)與制造成本，從而使部分機(jī)械產(chǎn)品拋開傳統(tǒng)機(jī)械制造方法，探索3D 打印技術(shù)直接制造產(chǎn)品的可行性。

（4）密碼鎖式的車用萬(wàn)能電話號(hào)碼牌外觀美觀，結(jié)構(gòu)精巧，可任意調(diào)整電話號(hào)碼，使用方便，還可私人定制個(gè)性化的基體結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品更有競(jìng)爭(zhēng)力。

（5）數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)與制造周期短，能提高制造效率和質(zhì)量，降低制造成本。