基于木塑SLS的图片转浮雕模型3D打印及后处理研究

工作原理

选择性激光烧结利用高能激光束的热效应有选择性地使粉末材料软化或熔化，粘结成一系列薄层并使其层层叠加而形成三维实体零件，工艺原理如图1所示。

工作时供粉缸上升，通过铺粉辊将粉末在成型缸上均匀铺上一层，高能激光束在计算机控制下根据制件各层截面的路径规划数据，有选择地对粉末层进行扫描，被扫描区域的粉末材料由于烧结或熔化粘结在一起，而未被扫描的区域粉末仍呈松散状，可反复利用。粉末扫描完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制激光束再扫描烧结新层，新加工层与前一层粘结为一体。重复上述过程，层层叠加直到加工出整个零件为止。最后，将未烧结的粉末回收到供粉缸中，取出成型件，进行适当后处理（如清粉、打磨等）[15-16]。木塑复合材料在选择性激光烧结过程中需经过物理熔融、化学交联和固化成型，其烧结过程可分为：固相PES在CO2激光器的作用下熔融成液相；木粉纤维颗粒调整位置并重新排列，各成分之间发生一定的化学反应而形成相应的化学键；形成固相而使颗粒黏结。

2 3D浮雕模型的生成

随着浮雕造型设计在工业生产中的应用日益广泛，浮雕的加工与数控技术的结合也更加紧密。虽然浮雕存在一种对“平面”或“墙面”的依赖关系，但3D打印和浮雕都属于立体造型，在形体、空间方面存在相似性，因此通过3D打印研究浮雕具有重要意义。

选择图2的照片作为研究对象，利用软件将彩色图片2制作成灰度图图3，再利用Photoshop中的图层样式、横排文字工具、栅格化、蒙版等命令在灰度图中添加“one penny”“2016”等文字，制作出图4；同样，选择图5所示的图片为研究对象，运用magics软件处理并输出“stl”格式的大白的3D模型图6，将大白3D模型导入Geomagic软件，点击右侧工具栏的矩形选框，在大白模型上框选出需要贴图的区域，在“多边形”下选择“细化”工具，并设置参数：4倍细分，点击“应用”。选择“偏移”，找到“浮雕命令”选项，加载图片，设置参数：点选“密度”选项，“修改图像”选择“负图像”。在之前用矩形框选出的面内，框选出图片的位置，图片的大小可以根据实际的情况调整好导入。点击“应用”可以查看效果，如果可以，点击“确定”。在“多边形”下的“去钉状物”等修复功能使浮雕效果更佳完善。如图7所示。

3 木塑复合材料选择性激光烧结实验

实验使用的木塑复合材料为粉末状（160目），木与塑的比例为1∶4，并添加适量添加剂（偶联剂等）。

打印前，首先将建立好的模型进行切片和路径规划，将实验制备的木塑复合材料通过选择性激光烧结法制备成型件，其中烧结加工参数如下：预热温度为80 ℃，扫描方向为X、Y方向交替，扫描路径优化为深度-广度混合原则，激光扫描速度2 000 mm/s，扫描线宽0.2 mm，激光功率12 w，分层厚度0.1 mm。

打印后，使用高压空气清浮粉的方式清粉，由于木塑复合材料内部呈多孔状态，本身强度不高，表面光洁度较低，另外，化学镀铜过程中，需要在强碱溶液中进行，本文对木塑基材进行渗蜡后处理以保护基材不受强碱溶液破坏，故将制件融于70 ℃的石蜡中进行渗蜡处理以降低制件的表面粗糙度、降低材料孔隙率以提高力学强度。

4 模型后处理

化学镀铜需要在具有催化活性的基体表面上进行，而木塑复合材料为非金属，不具有催化活性，因此必须对其表面进行适当的预处理方可进行化学镀铜[16-17]。为了使化学镀铜反应在基体表面上顺利进行，必须在基体表面上形成一层金属微粒作为铜沉积的催化还原中心。化学镀前的活化[18]对化学镀本身影响极大。活化效果的好坏直接关系到化学镀能否进行，镀层是否均匀，镀层与基体结合力是否达标等。本文采用的活化处理方法为银氨活化法，在洁净的烧杯中加入3.00 g/L 硝酸银溶液300 mL，缓慢加入氨水并振荡至溶液澄清，即得活化用银氨溶液。在室温（约24 ℃）下对基材活化10 min。本文采用分析纯试剂和蒸馏水配制化学镀铜液，具体配方和工艺条件为：CuSO4.5H2O 15 g/L，37%（质量分数）甲醛15 mL/L，酒石酸钾钠15 g/L，乙二胺四乙酸二钠20 g/L，亚铁氰化钾0.01 g/L，NaOH 适量，pH为11.5～12.0，装载量3 dm2/L，温度50 ℃，时间20 min。以甲醛为还原剂的化学镀铜工艺的优点是原料易得，较便宜，工作温度较低。化学镀铜完毕后，充分水洗镀片10 min，置于恒温烘箱中50 ℃干燥1 h。处理前模型如图8所示，得到处理好的模型如图9所示。

5 结论

3D打印技术的应用日益广泛，本文研究了将二维图片转换为3D浮雕的方法。由于SLS的分层烧结思想，能够实现复杂形状零件的快速制造，本文利用SLS打印出实际浮雕模型，使图片的内容更加形象化、多样化，烧结过程中选用了具有成本低廉、抗老化、尺寸稳定性好，容易着色，具有木材的质感且可循环利用等优点的木塑复合材料作为打印材料。为在非金属基材上进行化学镀铜，在镀铜前须进行渗蜡和银氨活化预处理，本文使用化学镀铜的后处理方式使已打印的模型表面金属化。

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