基于裹层喷涂理念的3D打印算法设计
【摘 要】随着新一轮科技革命的到来，作为一项前沿技术，3D打印正在发挥着越来越重要的作用。本文重点针对3D打印的相关算法进行了研究，先分析了几种应用广泛的传统快速成型技术，后对其进行改进，提出基于裹层喷涂理念的3D打印算法，使得3D打印更具有高效率、高强度以及高精度。
【关键词】3D打印算法；快速成型技术；裹层喷涂理念
1 3D打印概述
3D打印（3D printing）是一种依赖于三维绘图软件，运用多种可粘合材料，通过激光或热加工工艺以逐层堆积的方式来打印模型的技术。近年来，随着计算机的普及推广及互联网的发展，3D打印已经越来越成为一项迅猛发展的新兴科技，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。作为一项前沿科技，3D打印被广泛地应用于工业制造、文化创意、数码娱乐、航空航天、国防、生物医疗等多个领域。
现有的3D打印基本流程如下：当用户确定了想得到的模型后，先在CAD、ProE等三维绘图软件中绘制所需模型以实现模型设计，并定义相应尺寸比例及原料，由软件自行对模型空间结构进行分析；随后软件将分析结果与用户需求一并发送给打印机，由打印机重新进行尺寸、规格的衡量并启用相应算法进行模型打印，传统的打印方式为逐层打印。当打印完成后，由机器的后续功能继续对模型进行精加工处理以得到最终的实物。
2 传统成型算法
传统的3D打印都采用逐层打印的方式实现快速打印，目前的3D打印机主要运用以下几种快速成型算法[1-2]：
（1）立体光固化成型法（Stereo lithography Appearance，SLA）
该方法通过紫外线来照射液态光敏树脂。激光从底层开始扫描，当光照射到材料表面时会对液态树脂起到固化作用，一旦该层材料凝固后控制台会使得材料移动一个固有高度来实现下一层的固化，如此循环往复，层层固化叠加，最终得到一个完整的三维模型。这种传统成型技术的优点是精度及材料利用率高，缺点则是价格昂贵，且可以实现的技术有限。
（2）选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）
选择性激光烧结技术采用高功率的激光，先烧制好一个平整的底座，随后将材料粉末均匀地铺洒在已成形零件的上表面，并用激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面进行烧制，与下面已成形的部分粘接。如此层层堆叠，得到所要打印的成品。该技术可选材料多，烧制种类广泛；但不足之处在于粉末式堆叠使得模型精度不高，同时加工工艺繁琐昂贵。
（3）分层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）
该方法采用片状材料，同样采取分层堆叠式加工，先通过计算机软件获得基底层模型的外观轮廓，并用激光器将背面涂有热熔胶的纸张切割出工件的内外轮廓，层与层之间利用热粘压装置相粘合，如此循环切割粘合，最终得到所需模型。该算法使得成品的强度有较大提高，但工序较为繁琐，效率不高。
（4）熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）
该技术采用塑性纤维材料，在特定的位置高度上，通过电加热模块将丝材料加热至熔融状态并经喷头挤压而出，通过控制喷头按照特定的轮廓轨迹运动，使得材料沉积在指定位置后固化成型，随后改变喷头高度进行下一次打印。这种技术成型精度高，运作成本低，但是成型实物的强度较低，打印速度慢。
通过以上分析可以看出，传统快速成型方式各有利弊。从3D打印的实用性及高效性方面考虑，本文提出一种基于裹层喷涂理念的3D打印算法对传统打印方式进行改进。
3 基于裹层喷涂理念的3D打印算法
考虑到传统的逐层堆叠打印方式并没有较高的效率，且精度也不能保证，因此本文创新性地提出了一种从内向外的、基于裹层喷涂理念的3D打印算法，先进行整体轮廓的制作，再在其表面进行精加工。
该算法的主要步骤如下：
（1）在接收到打印指令后，分析计算物体的大致尺寸轮廓；
（2）用打印机喷头将塑料物质融化成液态喷涂在铸模托盘上形成团状结构，并置于紫外线下进行固化处理，以此获得所要打印物体的“内核”；
（3）对固化后的“内核”继续进行喷涂使其完全包裹于新的液态材料中，再进行固化处理，以此循环裹层喷涂的粗加工过程，最终获得模型的大致轮廓；
（4）再使用粉末微粒作为打印介质喷撒在已固化的大致轮廓外，形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化以进行表面的细加工，最终得到所要打印的物体。
具体流程图如下：开始→计算物体的大概尺寸→喷涂“内核 ”→裹层喷涂处理→粉末喷涂细加工→结束
这种先粗后细的方式理论上可以节省逐层堆叠所用的时间，并有效提高打印精度。与此同时，目前市场上已有的打印机大多为塑料材质，并不能满足人们的需求。因此可在原材料中加入金属元素形成混合材料，以此提高打印的种类及打印模型的刚度。
4 结论
本文提出一种基于裹层喷涂理念的3D打印算法作为对传统打印技术的改进。该算法具有以下优点：
4.1 高效率
与传统逐层打印方式相比，该算法在粗加工过程中对模型的精度没有严格要求，不需要精确计算模型的轮廓轨迹，只需喷涂出模型的大致尺寸，因而节约了机器运行的时间，使得打印更为高效。
4.2 高强度
传统的打印方式为逐层打印，这使得层与层之间的粘合不够紧密，各层之间涂料分布不均匀，且由于冷却时间不同，各层之间的强度会相互影响，易产生断裂；而裹层式喷涂以团状原材料为内核，使各部分之间粘合更为均匀牢靠，大大提高了模型的强度。
4.3 高精度
该算法的最后以粉末微粒作为打印介质实现精加工，对粗加工的材料进行了更细致的处理，对模型的完成度给予了高度保障。
【参考文献】
[1]李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014，35（1）：1-5.
[2]杨猛.3D打印驱动电路设计及文件切片算法研究[D].北京：北京印刷学院，2014.
[责任编辑：刘帅]