0 引　言

舰船管系的三维建模应用中，3D打印技术为设计师和工程师提供了一种全新的设计和制造方式^[1]。设计师可以使用3D打印技术，快速制作舰船管系的模型，在早期阶段发现并解决潜在的设计问题^[2]。这种灵活性使舰船管系的设计过程更加高效，减少了后期修改的成本和时间^[3]。通过3D打印技术，设计师可以制作出具有复杂形状、内部通道和精细结构的管系部件。通过打印出的舰船管系模型进行性能测试和验证，设计师可以更好地了解舰船管系的布局和走向，进一步优化舰船管系设计方案。对于特殊或定制化的舰船管系部件，3D打印技术可以快速、经济地实现小批量生产，满足特殊需求。

近年来，众多学者针对舰船三维建模技术进行研究。何丽丝等^[4]针对船体结构三维模型的数据转化进行研究，该方法能够快速将船体结构设计结果从二维图纸转化为三维模型，提高设计效率。该方法能够处理和转换多种CAD数据格式，满足不同的应用需求。但是该方法需要使用特定的软件或工具进行建模操作，转换过程中，需要确保数据的完整性和安全性，防止船体结构数据丢失或被篡改。陈志飚等^[5]研究了三维船体建模与稳性计算，该方法可以精确地计算船体稳性，提高船体设计的可靠性和安全性。但是该方法需要考虑所应用软件的兼容性，容易出现数据不兼容或软件冲突问题。针对以上方法在舰船三维建模中存在的问题，研究3D打印技术在舰船管系三维建模设计中的应用。通过该方法简化舰船管系设计流程，使得复杂结构的舰船管系设计与制造成为可能。

1 3D打印技术的舰船管系三维建模设计 1.1 建立舰船管系三维模型

将3D打印技术应用于舰船管系三维建模设计中，包括舰船管系建模、舰船管系切割分层、舰船管系逐层打印以及后期处理4个部分。考虑舰船管系的布局、连接方式、材料属性等因素，利用CAD等软件构建舰船管系的二维图形信息，将其转换为舰船管系三维实体模型。

舰船管系的打印成型过程中，将Z轴向作为舰船管系三维模型打印成型的正方向。对舰船管系每个三角面片的内部顶点，依据Z轴坐标排序处理。按照从大到小的顺序，重新排列每个顶点。将舰船管系的顶点坐标，移动至新矩阵$ \boldsymbol{A} $的相同行中。转置处理矩阵$ \boldsymbol{A} $的法向量矩阵，获取结果用$ \boldsymbol{B} $表示。将舰船管系的法向量坐标矩阵与节点坐标矩阵合并，获取结果用$ \boldsymbol{C} $表示。矩阵$ \boldsymbol{C} $中的每行，均包含舰船管系三角片面的顶点信息与法向量信息。

舰船管系三维模型由多个三角片面组成，其中的三角面片可能存在相交情况。舰船管系三角面片交线段的表达式如下：

$ M = \left[ {{a_1},{a_2}, \cdots ,{a_n}} \right] \times H 。$

(1)

式中，$ H $与$ {a_i} $分别表示整合参数以及相交的点。

依据舰船管系三角面片交线段，排序舰船管系的三角片面。依据舰船管系三角面片交线段的顺序，确定舰船管系三角面片中的点、线、面的关系。

舰船管系三维模型中，各偏置点表达式如下：

$ {D_i} = {L_i} + {U_j} \times K。$

(2)

式中：$ K $与$ {L_i} $分别为顶点偏置距离以及沿$ i $方向的偏移参数，$ {U_j} $为舰船管系连接点$ j $的偏置向量。

获取舰船管系的全部偏置点后，重新组合各偏置点，形成舰船管系的三角面片，获取切片之后的舰船管系的轮廓。

舰船管系三维模型轻量化处理流程如图1所示。依据偏置点的舰船管系各管件的关系，轻量化处理三维模型后，获取偏置后的舰船管件的轮廓，完成舰船管系三维模型的建立。

1.2 舰船管系的3D打印切片处理

将舰船管系的三维模型进行3D打印切片处理，生成舰船管系的3D打印路径，设置合适的打印材料和打印参数。将舰船管系三维模型，导入切片软件中，利用切片软件对舰船管系三维模型切片处理。依据预先设置的打印层高，切片引擎在X方向分层处理舰船管系模型，遍历所获取的舰船管系三维模型分层轮廓信息集。切片引擎在舰船管系各分层轮廓环内，依据预先设置的填充方式、填充密度、填充角度以及外壳厚度等3D打印工艺参数，对舰船管系的分层轮廓环实施路径规划。依据规划的路径生成Gcode文件可识别的G代码。将G代码文件导入3D打印机，实施舰船管系三维模型的3D打印。

3D打印机利用双喷头打印舰船管系三维模型。将切换喷头过程加入舰船管系3D打印过程中，利用连续碳纤维材料，增强3D打印技术的高分子材料打印性能。3D打印切片处理过程，利用碳纤维材料增强打印材料，灵活选择舰船管系各层次的打印材料，调整打印路径以及打印工艺参数。基于舰船管系模型的3D打印需求，舰船管系3D打印切片算法过程如下：设置多喷头3D打印机喷头的起始位置为$ S = \left( {{s_1},{s_2}} \right) $，其中$ {s_1} $与$ {s_2} $分别表示双喷头打印机喷头1与喷头2的三维起始点坐标。用$ P $表示连续碳纤维材料的增强处理层区间集合，舰船管系三维模型打印时，设置连续碳纤维材料增强处理的层号信息。舰船管系模型分层处理后，获取的分层轮廓环信息集合用$ R $表示。分层处理舰船管系三维模型后，所获取的舰船管系单层轮廓环信息集合用$ E $表示。$ R $与$ E $需要满足$ R = {E_i} $的关系，$ i $表示舰船管系模型的切片层数。

舰船管系三维模型的3D打印切片处理流程如图2所示。舰船管系模型3D打印切片处理流程如下：输入舰船管系三维模型的STL格式文件，设置多喷头起始位置与舰船管系增强层区间集合，作为3D打印机的初始设置参数。利用3D打印切片引擎增强处理算法，对舰船管系三维模型实施切片处理，输出舰船管系三维模型的Gcode代码文件。完成舰船管系三维模型分层处理后，规划舰船管系模型的分层轮廓环。

1.3 舰船管系3D打印的连续性路径规划

舰船管系模型的3D打印时，选取的成型材料需要满足3D打印工艺的技术标准，同时满足舰船管系测试的技术要求。采用Z字填充方法，进行舰船管系3D打印连续性路径规划的流程如图3所示。

采用Z字填充法进行舰船管系3D打印的材料填充。Z字填充法具有方向可调的优势，保证舰船管系3D打印具有连续性路径，减少3D打印机的打印头跳转次数。识别舰船管系模型界面的内外轮廓，依据扫描间距分组并标记界面轮廓。确定舰船管系轮廓线与扫描线的交点，依据奇偶原则配对并连接各交点形成交线。基于舰船管系三维模型的关联交线连接结果，形成Z字填充的3D打印的连续性路径。将打印材料放入3D打印机中，按照打印路径逐层堆积材料，形成舰船管系的三维实体模型。对打印完成的舰船管系三维模型进行后处理，包括去除支撑结构、打磨等操作，使模型达到最终要求，为舰船管系设计调整提供模型依据。

2 结果分析

利用所研究方法进行舰船管系三维模型的3D打印。选取创想三维品牌的3DSL-600型的光固化3D打印机，作为舰船管系三维模型设计的3D打印设备。利用该3D打印机，打印舰船管系三维模型，作为舰船管系设计的基础。

设置光敏树脂材料作为舰船管系3D打印材料。采用Z字填充法，规划舰船管系3D打印的连续性路径。统计Z字填充法不同填充角度时的跳转次数，并与固定角度填充的跳转次数对比。舰船管系3D打印的单层扫描成型过程中，3D打印机的跳转次数如表1所示。可知，采用Z字填充法进行舰船管系3D打印材料的填充，不同填充角度时的3D打印机跳转次数明显低于固定角度填充。对于不同的舰船管系管件，需要依据实际情况，设置最佳的填充角度。舰船管系模型3D打印时，设置Z字填充法的最佳角度，降低3D打印机的跳转次数，满足舰船管系3D打印的连续性规划需求。

采用3D打印技术打印舰船管系中不同管件的三维模型，管件材料样件的打印尺寸的误差变化如图4所示。采用本文方法打印舰船管系中各管件的三维模型，具有良好的尺寸精度水平。3D打印技术打印舰船管系成型件的内外质量相同，利用较小的打印尺寸误差，更为完整地表达舰船管系内管件的细节。本文研究的3D打印技术打印的舰船管系三维模型尺寸偏差较小，打印效果较稳定，可以获取良好的舰船管系三维模型打印效果。

采用本文方法打印舰船管系中，发动机的进气歧管三维模型。舰船发动机进气歧管模型的3D打印结果如图5所示。可以看出，本文方法利用3D打印技术打印的舰船管系三维模型，外表光滑，细节信息丰富。打印的舰船管系管件与真实管件相差较小，有助于舰船管系设计方案的修改。所获取的舰船管系3D打印件，材料的密实程度较高，充分填补了材料之间的空隙，材料之间紧密结合，满足舰船管系的设计需求。

3 结　语

将3D打印技术应用于舰船管系三维建模中，利用舰船管系三维模型精准地完成管系设计，缩短产品研发周期，提高产品质量。3D打印技术为复杂形状、精细结构的舰船管系部件的三维建模提供了可靠的依据，扩展了舰船管系设计的自由度。通过实验验证，3D打印技术有助于更好地了解舰船管系的布局和走向，进一步优化设计方案。