CN115455508B - 一种基于3d打印技术的镂空结构板材制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，涉及装饰板材加工工具技术领域，包括建立镂空板材结构的几何模型，然后通过有限元分析确定镂空板材结构的薄弱区域，再基于3D打印完成镂空板材壳体结构的制作，并对镂空板材结构的薄弱区域进行加固处理，最后使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充。本发明通过3D打印完成镂空板材壳体结构的制作，然后在镂空板材壳体内浇筑填充料，从而完成镂空板材的制造，与人工雕刻的方式相比，本发明可节约大量的工作时间，不用依赖雕刻家的技艺，从而避免了材料的浪费，进而提高了产品的成品率，也大大地降低了生产成本，确定镂空板材的薄弱区域并对其加固处理，可提高整体强度。

Description

一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法

技术领域

本发明涉及装饰板材加工工具技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法。

背景技术

板材镂空可以使平板透明，具备更加时尚和个性的装饰效果。目前，市面上大部分镂空板材为金属板或其他非金属板材如陶板、水泥纤维板等，由于制作工艺的限制，均以实体板制备，最后通过雕刻等技艺镂空。然而这种方式存在雕刻时间长、过分依赖雕刻家本身的技艺，人力成本高、材料浪费、等问题，同时受材料性能的影响，镂空程度受到极大限制。

发明内容

目的在于提供一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，通过3D打印完成镂空板材壳体结构的制作，然后在镂空板材壳体内浇筑填充料，从而完成镂空板材的制造，解决了目前采用雕刻等技艺对实体板进行加工来制作镂空板材，但这种制作方式需要的雕刻时间长以及过分依赖雕刻家本身的技艺的技术问题，使用本发明可节约大量的工作时间，不用依赖雕刻家的技艺，从而避免了材料的浪费，进而提高了产品的成品率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，包括：

建立镂空板材结构的几何模型；

通过有限元分析确定镂空板材结构的薄弱区域；

基于3D打印完成镂空板材壳体结构的制作；

对镂空板材结构的薄弱区域进行加固处理；

使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充。

进一步的，建立镂空结构板材的几何模型包括：

确定镂空板材结构的几何形状及基本尺寸；

基于3D建模软件建立镂空板材结构模型。

进一步的，通过有限元分析确定镂空板材结构的薄弱区域包括：

通过有限元软件，基于镂空板材的使用环境，对其几何模型进行有限元分析；

确立镂空板材的薄弱区域。

进一步的，基于3D打印完成镂空板材壳体结构的制作：

将3D建模软件中导出的镂空板材结构外轮廓路径导入3D打印机的控制器中；

基于镂空板材结构外轮廓路径在3D打印的工作板面上打印镂空板材结构壳体结构模型。

进一步的，对镂空结构板材的薄弱区域进行加固处理包括：

在薄弱区域加入钢筋网或FRP格栅。

进一步的，使用填充料对3D打印完成的镂空板材壳体结构进行填充包括：

向镂空板材壳体结构内浇筑透明材料、半透明材料或水泥。

进一步的，在使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充之前还包括：

将连接件分布固定设置在所述镂空板材结构壳体中。

进一步的，所述镂空板材结构的厚度为5cm-100cm，所述镂空板材结构长度为0-2m,所述镂空板材结构的宽度为0-2m。

进一步的，在使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充之后还包括：

将镂空板材结构与工作平面分离；

对镂空板材结构进行抛光打磨处理。

进一步的，镂空板材壳体结构由热塑性材料或光敏材料打印而成。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过3D打印完成镂空板材壳体结构的制作，然后在镂空板材壳体内浇筑填充料，从而完成镂空板材的制造，与人工雕刻的方式相比，本发明可节约大量的工作时间，不用依赖雕刻家的技艺，从而避免了材料的浪费，进而提高了产品的成品率，也大大地降低了生产成本；其中，通过对镂空板材进行有限元分析，并确定镂空板材的薄弱区域，然后对薄弱区域进行加固处理，提高了镂空板材的整体强度，从而提高了该镂空板材的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为有限元对具有连接件镂空板材分析的位移云图；

图2为有限元对镂空板材正面风压试验的变形示意图；

图3为有限元对镂空板材正面风压试验的损伤因子分布示意图；

图4为本发明镂空板材的正视图；

图5为本发明镂空板材的立体结构示意图；

图6为本发明的镂空板材进行加固处理的结构示意图；

图7为本发明的FPR格栅结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，如图1-图7所示，包括：

建立镂空板材结构2的几何模型；

通过有限元分析确定镂空板材结构2的薄弱区域；

基于3D打印完成镂空板材壳体结构的制作；

对镂空板材结构的薄弱区域进行加固处理；

使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充。

本发明通过3D打印完成镂空板材壳体结构的制作，然后在镂空板材壳体内浇筑填充料，从而完成镂空板材的制造，与人工雕刻的方式相比，本发明可节约大量的工作时间，不用依赖雕刻家的技艺，从而避免了材料的浪费，进而提高了产品的成品率，也大大地降低了生产成本。

对上述实施例地进一步优化，建立镂空结构板材的几何模型包括：

确定镂空板材结构的几何形状及基本尺寸，其中，基本尺寸包括镂空板材的长度、宽度和厚度等。

基于3D建模软件建立镂空板材结构模型。

3D建模软件使用现有的CAD软件，例如Solidworks，UG，Pro/ENGINEER等，在3D建模软件中可随意的更改和设计镂空板材的具体形状，操作简单且十分高效。

对上述实施例地进一步优化，通过有限元分析确定镂空板材结构的薄弱区域包括：

通过有限元软件，基于镂空板材的使用环境，对其几何模型进行有限元分析；

确立镂空板材的薄弱区域。

有限元分析(Finite Element Analysis)是将连续体结构离散成有限个单元体，相邻单元体间利用单元的节点相互连接形成整体，对于每一个节点都能计算出单元刚度矩阵，最后利用结构的平衡条件和边界条件，把各个单元按原来的结构重新联接起来形成整体。

利用有限元软件可以计算出不同边界条件下，结构整体的应力分布、位移分布等，从而判断出薄弱区域，如强度不够局部应力过大、刚度不够局部变形过大等设计缺陷(强度和刚度是结构设计中最重要的因素)，从而提前采取相应的局部增强措施。

对镂空板材的几何模型进行有限元分析，以图4-图5所示的镂空结构板材为有限元分析的对象，如图1-图3所示面板承受垂直于表面的正风压，镂空板材背栓位置如图1所示，在正风压作用下，图中红色区域变形过大。

图中A区域为变形过大的区域，我们可以通过局部配筋，增强连接区域B的刚度，从而降低图示A区域的变形。

图3为正风压作用面板的受拉损伤分布(损伤因子越大，说明局部越薄弱)，由图3可知薄弱区域位于连接区域，因此在制作过程中，通过在连接区域配筋，可以增强面板的整体强度。

对上述实施例地进一步优化，基于3D打印完成镂空板材壳体结构的制作：

将3D建模软件中导出的镂空板材结构外轮廓路径并导入3D打印机的控制器中；

基于镂空板材结构外轮廓路径在3D打印的工作板面上打印镂空板材结构壳体结构模型。

3D打印机会将三维的实体的数字模型(CAD文件)离散化成切片模型，再将切片模型转化为打印头的行走轨迹，通过打印头将材料不断添加到打印件上去，这样材料就按照打印轨迹不断的被添加，逐层打印起来，就形成了最终的实体打印件。与传统制造中通过模具铸造、机加工精细处理的方式获得最终成品不同，3D打印直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品，极大的简化了生产的流程，降低了材料的生产成本，缩短了产品的设计与开发周期。就3D打印的主要技术类型而言，现在存在着许多不同的实现形式。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层的构建堆叠出打印件。

目前3D打印的主要技术类型有选择性激光烧结、液态光敏聚合物选择性固化、熔融沉积技术和薄形材料选择性切割，由于镂空板材需要具有一定的强度和装饰效果，因此，本申请中采用熔融沉积技术完成对镂空板材壳体结构的制作。熔融沉积成型技术，是需要把3D的模型薄片化，具体工作原理是把材料变为高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后立即固化，通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。

对上述实施例地进一步优化，对镂空结构板材的薄弱区域进行加固处理包括：

在薄弱区域加入钢筋网或FRP格栅等增强加固材料。其中，钢筋网或FRP格栅通过粘着剂或螺栓等连接件安装在镂空板材壳体结构内部，最后通过向镂空板材壳体结构内浇筑填充材料使钢筋网或FRP格栅固定在镂空板材中。

镂空板材应用于露天等场所作为装饰物时，由于刮大风等极端的恶劣环境，镂空板材的一些强度不够的薄弱区域会在强风的作用下被大风破坏，钢筋网或FRP格栅的设置可增加镂空板材的整体强度，从而增加了镂空板材的使用寿命。

对上述实施例地进一步优化，使用填充料对3D打印完成的镂空板材壳体结构进行填充包括：

向镂空板材壳体结构内浇筑透明材料、半透明材料或水泥，与人工雕刻的方式相比，采用浇筑的方式可提高镂空板材的制造效率，从而提高生产速度，也降低了生产成本。

镂空区域填充一些透明材料、半透明材料等，能提高镂空板材平面整体强度，并且与灯光配合，具有更强的艺术展现力。

对上述实施例地进一步优化，在使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充之前还包括：

将连接件分布固定设置在所述镂空板材结构壳体中。连接件可设置多个，根据实际的需要分布设置在镂空板材的相应位置，连接件的设置是为了便于镂空板材的使用安装，将连接件的一端通过粘着剂或螺栓等方式固定在镂空板材结构壳体内部，然后通过向镂空板材结构壳体内部浇筑填充料使其固定在镂空板材结构中。

目前对镂空板材进行连接件的安装多采用打孔等方式，而镂空板材大多为大理石等材料，打孔的方式会破坏镂空板材的整体强度，连接件的安装不仅需要相应的钻孔设备进行安装工作还需要操作人员具有较高的工作经验。

预埋连接件，是针对需要尺寸较大、需要通过多块板材装配连接形成的立面造型，根据具体的立面造型进行合理板块划分，进行连接件设计，形成各种不同造型的板材。这种方式工序简单，能避免如花岗岩、大理石连接时须打孔带来的破坏，增强平面整体强度。

对上述实施例地进一步优化，镂空板材结构的厚度为5cm-100cm，所述镂空板材结构长度为0-2m,所述镂空板材结构的宽度为0-2m，镂空板材结构长度、宽度和厚度可根据实际的需求进行设计。

对上述实施例地进一步优化，在使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充之后还包括：

将镂空板材结构与工作平面分离；具体而言，使用水或油性脱模剂将制作完成的镂空板材结构进行分离，与直接敲击将镂空板材结构从工作面板分离相比，采用脱模剂的方式不会对镂空板材结构造成损伤。

对镂空板材结构进行抛光打磨处理。经过浇筑完成后的镂空板材的表面比较粗糙，为了保证镂空板材的美观，使用一些打磨工具对浇筑完成后的镂空板材的表面进行打磨抛光处理，从而使镂空板材更加地美观。

对上述实施例地进一步优化，镂空板材结构由热塑性材料或光敏材料打印而成。该热塑性材料为FDM熔融沉积成型热塑性3D打印材料，该材料具有强度好、韧性好、防撞性好、抗溶剂力强、耐久性稳定的材料特性，可以保证镂空板材的整体强度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，其特征在于，包括：

建立镂空板材结构的几何模型；

通过有限元分析确定镂空板材结构的薄弱区域：通过有限元软件，基于镂空板材的使用环境，对其几何模型进行有限元分析，确立镂空板材的薄弱区域；

基于3D打印完成镂空板材壳体结构的制作：将3D建模软件中导出的镂空板材结构外轮廓路径导入3D打印机的控制器中，基于镂空板材结构外轮廓路径在3D打印的工作板面上打印镂空板材结构壳体结构模型；

对镂空板材结构的薄弱区域进行加固处理：在薄弱区域加入钢筋网或FRP格栅；钢筋网或FRP格栅通过粘着剂或螺栓连接件安装在镂空板材壳体结构内部，最后通过向镂空板材壳体结构内浇筑填充材料使钢筋网或FRP格栅固定在镂空板材中；

使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充：向镂空板材壳体结构内浇筑透明材料、半透明材料或水泥；

镂空板材壳体结构由热塑性材料或光敏材料打印而成；

在使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充之前还包括：将连接件分布固定设置在所述镂空板材结构壳体中；将连接件的一端通过粘着剂或螺栓方式固定在镂空板材结构壳体内部，然后通过向镂空板材结构壳体内部浇筑填充料使其固定在镂空板材结构中。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，其特征在于，建立镂空结构板材的几何模型包括：

确定镂空板材结构的几何形状及基本尺寸；

基于3D建模软件建立镂空板材结构模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，其特征在于，所述镂空板材结构的厚度为5cm-100cm，所述镂空板材结构长度为0-2m，所述镂空板材结构的宽度为0-2m。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的镂空结构板材制作方法，其特征在于，在使用填充料对3D打印完成的镂空板材结构壳体进行填充之后还包括：将镂空板材结构与工作平面分离；

对镂空板材结构进行抛光打磨处理。