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3D打印技术在轮船造型上的应用内容解析

文章来源:西安锐普打印机有限公司 人气:142 发表时间:2021-01-14 11:40:20

  3D打印技术在轮船造型上的应用。船舶海工产业面临升级转型,一方面,高技术船舶(智能船舶、新能源船舶)成为关注的重点;另一方面,游船(包括游艇、豪华游轮)的发展迎来了新的发展机遇,游船以「人为主要运载对象,满足人的旅游、观光、休闲、度假、娱乐、商务交流、水上运动等为主要功能。随着船东和乘客对船舶审美、文化、舒适性等方面的需求不断增长,造型创意设计在游船设计中的重要性凸显,游船的造型设计不仅是游船功能的载体,更具有凸显地方文化魅力、展现城市发展形象、带动地方相关行业发展的重要作用。和其它产品设计一样,游船造型创意设计的评审、验证和展示离不开实物模型;而船舶具有单件或小批量、体量大、造型复杂、材质多样化等特点,传统设计验证的模型制作多采用泡沫、油泥、层板雕刻、木模等,不可避免的存在成型难、精确度不高、效率低下等缺点。

  相反,这正是3D打印技术的优势所在,它是根据所设计的3D模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。3D打印的全过程数字化制造具有按需打印,更快的速度、更标准的精度以及更少的手工操作的优点。为探索3D打印技术在游船造型设计中应用的有效性,优化3D打印游船模型的步骤与方法,以251客位45米双体游船为例,在分析游船造型特征基础上,应用Rhino进行船体建模和数据优化,进行非金属3D打印技术设备与工艺选型、参数设置、3D打印,完成实物三维模型的制作。

西安3D打印技术

  游船造型特征解析

  从工业设计视角审视游船,游船具有以下特征:

  (1)体量大、通常为单件或小批量。游船以运载人为主,像一座座水上建筑,设计与建造投入大,根据船东需求,游船通常是小批量甚至单件,相对于一般的工业产品,体量非常大,通常几十米到上百米。

  (2)造型复杂。船体类型有单体、双体、三体等不同类型,船体部分包括船壳、动力系统(螺旋桨、舵)、主甲板三大部分,其中船壳和螺旋桨都具有复杂空间曲面。

  (3)材质多样化特点。甲板、围壁、门、窗、梯、护栏、通信通导设备等通常具有不同的材质。

  以45米双体游船为例,在初步设计的基础上,主要技术参数和总布置图如表1、图1所示。船舶航行区域为云南金沙江水域,属于B航区,J2航段,建造数量为2条。船体为双体结构,双桨双舵,从影响外观造型的材质包括油漆、铜、玻璃、塑胶地板、不锈钢、木材、橡胶等10余种材质。

  3D打印技术在游船造型设计中的应用方式

  结合3D打印技术的成型优势,从游船设计研发来看,3D打印技术在游船造型设计中的应用方式有三种:

  (1)创意的呈现与推敲;

  (2)船型的开发与验证;

  (3)成果展示与展览。

  概念设计阶段以创意的呈现和推敲为主要目的,随着船东和游客对审美的提升,在满足功能的基础上,造型美学、地域文化特色呈现等方面均需设计师充分发挥创意,模型成为阶段评审和设计交流的重要媒介,船体、上建的造型以及船体和上建的协调关系是3D打印模型需要呈现的关键。船型开发与验证主要从船舶工程视角考量船舶造型与船舶稳性、阻力性能等方面的关系,应用于新船型的开发或目标设计船型的安全性验证,需要借助船舶模型做相关的科学实验,取得美学与科学性的完美统一。

  3D打印模型的关键在于船体造型的精准呈现。展览展示,是设计研发成果的最终展示和交流,以企业形象和产品品牌的塑造为主要目标,3D打印模型追求的是设计效果的真实再现,在造型形态准确的基础上更加重视色彩、材质的表达,精细的表面处理与装配是保证最后游船CMF视觉效果完整呈现的关键。

  3D打印技术在游船造型设计中的应用流程

  游船3D打印的流程主要包括:(1)数字化模型建立;(2)三维数据的优化;(3)工艺的选择;(4)3D打印技术设备与工艺选型、参数设置、3D打印;(5)表面处理;(6)装配。

  游船三维数字化模型建立3D打印技术在轮船造型上的应用

  Rhino是美国RobertMcNeel公司推出的基于数学方程的NURBS为主的三维数字化建模软件,具有软件小巧、界面友好、曲面造型功能强大等优点,成为游船游艇设计重要软件之一,本模型采用Rhin06.0建立,建模比例为1:1。

  251客位45米双体游船总体上是对称结构、船体没有球鼻艏、方尾构造。总体思路采用对称方法,先根据二维平面图纸建一半再镜像、合并完成对象。船壳部分采用放样方法进行整体建模;根据型线图,将站位按图纸规定间隔在犀牛软件中依次排列好,重新构建每条站位曲线,确保每条曲线的控制点个数相同,且排列有序依次对应,在船体形状变化较大的部位依据其他视角的剖面图补画站位图,尝试放样并逐步修改,确保船体表面顺滑且符合型线图;螺旋桨具有复杂的扭转曲面,首先采用放样方法建立螺旋桨叶片所在曲面,然后按照正视图修剪出螺旋桨形状,便于曲面加厚叶片曲面并倒角,而螺旋桨整流罩是回转体,由侧视图旋转成型即可,舵为厚度不均匀的片体,采用放样成型;甲板为中部稍高的近似平面,对照布置图及侧视图扫掠得一层甲板,完成效果如图5所示。

  上层建模相较于船体部分约束较小,大范围的造型曲面主要采用双轨扫掠和放样的操作。首先确定好上层甲板高度、舱室位置和面积以及楼梯步道的空间,接下来即可按照设计草图建构上建外观;上层大范围的外包围装饰从侧面着手,配合顶视图生成空间内的立体曲线,扫掠得曲面;舱室外壁对上下面的轮廓线进行放样;水密门、舷窗、通导设备、锚机、系缆设备和探照灯等按照国标或图纸建模,大舱室门、护栏、露天坐具等按照设计图建模。涉及挤出、旋转、沿曲线生成圆管、修剪、阵列、布尔运算等操作。

  游船三维数据的优化

  游船实物模型拟采用1:100的比例,即45cm长度。实体化过程多采用向内偏移曲面、剪切等方法,大曲面如船体、侧舷、上层外包围、舱室墙体及曲面玻璃等适用,根据模型比例偏移曲面保证实物厚度在1.5mm-3mm范围内最佳,以便保证打印件结构强度并尽可能降低成本;水密门、舷窗、通导设备、锚机、系缆设备和探照灯等成型后较为细小的零件必须为封闭实体,局部壁厚过小处需加厚(满足加工条件与视觉效果);建模时,各部件都是独立状态,并未组合,在最后的实体化过程中,将最后需要表现的材质相同的、相连的、不影响表面处理的部件布尔运算联集,部件连接处考虑连接方法作适当增减或削平。

  游船模型3D打印

  由于船体长宽厚方向上尺寸差异较大,考虑到大体积薄片状物体容易扭曲变形,选择FDM工艺进行3D打印;而其他曲面此处选择SLA技术为主,是因其成型复杂、零件精细,有较高的精度,表面质量优良的特点。船体采用FDM熔融堆积的3D打印技术,保证主体结构强度,减少变形。主要材料为PLA,ultimaker3打印机,主要参数如图8,层高0.2mm,壁厚1.2mm,走线宽度0.4mm,填充密度25%,打印温度195℃,打印平台温度65℃,回抽距离5mm,回抽速度60mm/s,打印速度50mm/s,起始层速度25mm/s,支撑悬挂角度60°,支撑密度15%,打印平台附着brim。FDM打印件因其成型原理导致层高较大(通常为0.1mm-0.3mm)。