CN107545091A - 一种可拆装多元相图模型及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可拆装多元相图模型及其制备方法和应用；特别涉及一种基于3D打印技术的可拆装多元相图教学模型及其制备方法和应用。所述模型为3D实体模型；所述3D实体模型的Z轴方向表示温度，底面表示各元素含量不同时的成分组成；所述3D实体模型由N块可拆装模块组成了；任意模块表示一个相区。其制备方法包括：1.建立虚拟整体3D模型；2.对所建立的虚拟整体3D模型，按照拆分原则进行拆分；得到N个3D虚拟子模型；每个子模型表示一个相区，3.按每个3D虚拟子模型，制备其对应的实体子模型；将各个实体子模型拼接起来，得到可拆装多元相图模型。本发明所设计和制备的多元相图模型整体科学合理；各子模块精度高；制备工艺简单，便于大规模的应用，尤其适用于教学。

Description

一种可拆装多元相图模型及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种可拆装多元相图模型及其制备方法和应用；特别涉及一种基于3D打印技术的可拆装多元相图教学模型及其制备方法和应用。

背景技术

相图是用来表示相平衡系统中，元素的成分组成与温度之间关系的一种图，在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。而多元相图作为一种复杂的空间模型，在理解和学习中具有很大的难度，对空间想象力要求极高。

针对多元相图的教学要求，多元相图模型应既能够体现转变点、转变线、相界面、相区的具体形状，又能够体现它们的相对位置，即整个多元相图的具体形状。最好还能够进行对典型成分随温度变化而发生相变化的分析演示，且要求其制作容易，成本低，易实现批量生产。

在多元相图的教学中，目前教师常用的相图模型是铁丝焊接成的铁丝模型，只能体现转变点、转变线，无法描绘相区和相界面的具体形状和空间位置，且其本身需要手工制作，不仅存在制作过程麻烦且成本高的问题，还存在对制作人员的有着严苛的专业素养要求。

基于此，目前亟需一种满足所有多元相图教学要求的实物模型来辅助教师教学，帮助学生学习。

发明内容

针对现有模型存在的问题，本发明提供了一种可拆装多元相图模型及其制备方法。

本发明一种可拆装多元相图模型；所述模型为3D实体模型；所述3D实体模型的Z轴方向表示温度，底面表示各元素含量不同时的成分组成；所述3D实体模型由N块可拆装模块组成了；任意模块表一个相区；在同一相区内相组成具有共同的相组元。即所谓的一致性；所述一致性指当成分组成和温度所确定的点落在某一个相区内，此成分组成在此温度的相的数量和种类是一定的。

本发明一种可拆装多元相图模型；多元相图模型为三元相图模型模型。

作为优选，本发明一种可拆装多元相图模型；所述3D实体模型的底面为等边三角形，所述等边三角形的三条边分别表示构成三元相图的三种元素；且按顺时针或逆时针方向，从边的一端到另一端，元素的含量从0-100％变化。

本发明一种可拆装多元相图模型的制备方法；包括下述步骤：

步骤一

根据已有多元相图，建立虚拟整体3D模型；

步骤二

对步骤一所建立的虚拟整体3D模型，按照拆分原则进行拆分；得到N个3D虚拟子模型；每个子模型表示一个相区，即拆分后得到N个相区；所述拆分原则为：每个模块表一个相区；在同一相区内相组成具共同的相组元。即所谓的一致性；所述一致性指当成分组成和温度所确定的点落在某一个相区内，此成分组成在此温度的相的数量和种类是一定的。

步骤三

按每个3D虚拟子模型，制备其对应的实体子模型；将各个实体子模型拼接起来，得到可拆装多元相图模型。

本发明一种可拆装多元相图模型的制备方法；步骤三中，按每个3D虚拟子模型，通过3D打印，制备其对应的实体子模型。

本发明一种可拆装多元相图模型的制备方法；将各个实体子模型拼接起来时，尝试了下述方法：

方法一采用外部实物框架进行固定；

方法二采用孔棍式的方式，对多元相图的设计进行一定的改变来进行固定；

方法三采用复合式进行固定；

方法四在磁力的作用下，使松散的相区实物模型吸引固定。

对这4种方法进行详细阐述：

方法一中，所述采用外部实物框架进行固定，具体步骤包括：

a.针对多元相图的具体形状，设计满足径向和轴向固定的框架形状；

b.建立框架的虚拟模型；

c.对框架的虚拟模型进行3D打印，获得框架的实物模型；

d.在框架中，将每个独立的相区实物模型，按照其在相图中原本的空间位置，从下至上进行拼装；

其中，具体的框架形状分类包括：

角钢轴式，底部为一正三角形，其三个顶点处分别有一根垂直于三角形的圆柱，每根圆柱沿底边三角形的边伸展出两个长方体构成角钢结构，以角钢结构来实现对松散的分区实物模型的固定。该框架最突出的优点是三根圆柱可以作为多元相图纵坐标——温度轴的实物还原，刻上数值后，可用于某一个具体完善的实例多元相图的制作；但其最明显的缺点是角钢的周向固定能力有限，不能固定周向上相区数量较多且分散的多元相图。

由于角钢轴式还存在一些不足，发明人尝试了斜边轴式；

所述斜边轴式是在角钢轴式的基础上，沿角钢的两边各设计一定数量的斜棍，扩大角钢的周向固定能力，斜棍的数量根据不同相图的相区多少来决定。

方法二中，所述采用孔棍式的方式，对多元相图的设计进行一定的改变来进行固定，具体步骤包括：

2a.使用建模软件，在多元相图的实体模型中，选择合适成分点设计一竖直的孔，孔穿过各个相区，并设计直径与孔相同，长度略大于孔的固定棍进行各个相区的固定。打孔的数量和位置要满足这样的原则：在能够完成每个相区的固定的前提下，选择能够尽量避免破坏相区外观形状的地方，选择最少的数量；

2b.再对打孔的多元相图实体模型，按照上述方案中所述的拆分方法，进行3D打印，获得带孔的每个相区的实物模型；

2c.对固定棍进行3D打印，获得固定棍的实物模型；

2d.使用固定棍和孔的配合进行拼装。

孔棍式最大的优点是，孔棍可用作相图中典型成分随温度变化时，相组成的变化演示，即成分分析演示；但其缺点是当有的相区在底面投影较小时，为了固定该相区而打一竖直穿过其的孔所以导致其实施具有一定的难度，同时也对对应相区的外观形状破坏较大。

方法三中，所述采用复合式进行固定，复合式是指角钢轴式或斜边轴式与孔棍式的结合，二者的优缺点可以相互组合和弥补。

方法四中，所述在磁力的作用下，使松散的分区实物模型吸引固定，具体还包括：

在相界面上使用磁力贴或涂上磁性涂层，按照多元相图原本的形状，使相邻的相区利用相界面上磁力，能够实现贴合固定。或各实体子模型打印时，先预留一层，预留层打印时，采用磁性材料进行打印，进而在相面上形成一层磁性层；以便固定、组装、拆卸。

本发明所设计和制备的可拆装多元相图模型；特别适用于教学。

作为优选方案，本发明采用3D打印技术可以打印任意形状的实体模型，打印操作简单方便，批量生产时成本低，可以实现自动化生产等优点，本发明拟采用3D打印技术制作可拆装多元相图实物模型，制作出的可拆装多元相图实物模型能满足多元相图的教学要求。

作为优选方案，本发明采用3D打印技术与整体建模、按相区拆分并分区打印以及特有的固定组装模式，可以最大精度的保证所的组装后所得模型以及各相区的科学性。

原理和优势

本发明首次尝试了采用3D打印技术与整体建模、按相区拆分并分区打印以及特有的固定组装模式来制备多元相图的技术；解决了现有铁丝模型在教学展示时，不能直观地体现出相界面和相区的形状的不足；本发明所制备的模型能完成成分分析展示的要求；还能完成可拆装多元相图的拼装要求。本发明所采用的制备方法还解决了当相界面是异形曲面时，常规加工方法无法加工或加工困难的问题。

本发明中所述拆分原则具体可解释为：

多元相图中特殊点代表一个具体的反应；特殊的线条代表一种转变或溶解度的变化规律；由线条构成的相界面代表一种相变；由相界面构成的相区代表，在这个区域范围的任意成分和温度的相都是一定的，跨越相界面从一个相区进入另一个相区，相的组成和数量都发生变化；由每个相区按一定的顺序拼合起来就形成了多元相图。

但是，具有特定形状的相区形状复杂且扭曲，必须单独制作出来才能展示出它具体的形状，因此必须使用可拆分的多元相图实物模型，必须要对多元相图实体模型进行拆分。并且，拆分后相界面就可以暴露出来了，可直观地看到相界面的具体形状。

本发明所设计和制备的可拆装多元相图模型，够利用可拆装多元相图实物模型进行多元相图的教学演示，满足教学要求，且制作容易便宜，易批量生产。尤其是有助于本领域技术人员包括学生深刻理解异形曲面的相界面和复杂的相区的形状以及物理意义。

附图说明

附图1为本发明的制备流程图；

附图2为课本上三元互不溶解共晶相图的平面图形；

附图3为现有铁丝模型；

附图4为用犀牛软件构建三元互不溶解共晶相图的线条模型；

附图5为用犀牛软件建立的三元互不溶解共晶相图的实体模型；

附图6为用犀牛软件构建的打孔的三元互不溶解共晶相图的实体模型；

附图7为用犀牛软件构建的固定棍的实体模型；

附图8为用犀牛软件构建的角钢轴式框架实体模型；

附图9为用犀牛软件构建的拆分后的打孔三元互不溶解共晶相图实体模型；

附图10为带孔相区实物模型和固定棍实物模型；

附图11为角钢轴式框架实物模型；

附图12为拼装好的复合式三元互不溶解共晶相图实物模型；

附图13为含有不同数量斜棍的斜边轴式固定装置。

从图1中可以看出本发明的基本流程。

从图2中可以看出多元相图中最简单的三元互不溶解共晶相图线条也比较复杂混乱，立体感不强。

从图3中可以看出铁丝模型不能体现出相界面和相区，在教学中描述起来十分吃力等缺点。

从图4中可以看出：首先，要对相图模型分区，从各个相变点出发一一对应地连线。

从图5中可以看出：再由共同相区的边界线构筑相界面。

从图6中可以看出：由于相界面基本为三维异型曲面，难以拼接。在整体模型上开孔为拼接相图模型构件做准备。

从图7中可以看出：在开孔之后，对应设计圆柱型定位销。

从图8中可以看出相图模型设计拆装用的框架。

从图9中可以看出：在软件程序中将相图模型的各个相区拆分。

从图10中可以看出：用3D打印机分别制造各个相区部件，并将它们拼装。

从图11中可以看出：用3D打印机制造相图模型的框架。

从图12中可以看出：拼装后的可拆装相图模型。

从图13中可以看出含有不同数量斜棍的斜边轴式固定装置的示意结构。

具体实施方式

为了能够制造出精度较高的可拆装多元相图实物模型，本发明提供一种3D打印的方法，所述方法包括：多元相图的实体建模；对多元相图的实体模型按照一定原则进行拆分，获得相区实体模型；打印相区实体模型，得到每一个相区的实物模型；相区实物模型的拼装，实现可拆卸和可拼装。其中拼装方法又有：角钢轴式、斜边轴式、孔棍式、复合式、磁力拼装。

下面通过附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

实施例一

本实施例提供，可以进行成分分析演示的，以复合式框架进行拼装的可拆装三元不溶共晶相图实物模型的建模方法、拆分方法、打印方法、拼装方法。其中复合式框架模型指角钢轴式框架模型和孔棍式框架模型的同时使用。整体流程图如图1所示。

所述建模方法包括：打孔的三元互不溶解共晶相图实体模型的建立、角钢轴式框架模型的建立。

所述打孔的三元互不溶解共晶相图实体模型的建立，具体包括：

根据课本上三元互不溶解共晶相图的平面图形(如图2所示)和铁丝模型(如图3所示)，先用犀牛软件构建三元互不溶解共晶相图的线条模型(如图4所示)，然后根据线条模型建立实体模型(如图5所示)。此处，建立的三元互不溶解共晶相图实体模型只是一个简单的立体三元相图的轮廓，不能表现出相界面和每个相区的形状和位置。然后在三元互不溶解共晶相图的实体模型上，从上至下设计4个竖直的孔，如图6所示。并设计4根固定棍，其直径与孔直径相等，长度略大于孔的深度，如图7所示。孔的数量和位置要满足这样的原则：在能够完成每个相区的固定的前提下，选择能够尽量避免破坏相区外观形状的地方打孔，选择最少的数量。

所述角钢轴式框架模型的建立，具体包括：

使用犀牛软件设计一个很薄的正三角形底座，在底座三角形的三个顶点处设计三根圆柱体，由每个圆柱体沿底边三角形延伸出来的两个小长方体形成的角钢结构。其尺寸大小严格按照恰好能够内置所设计的三元互不溶解共晶相图的大小设计，并建立成实体模型，如图8所示，并保存为STL格式。

所述拆分方法具体包括：

在打孔的三元互不溶解共晶相图的实体模型的基础上，由线条模型中的线条所形成的相界面，将实体模型拆分成7个单独的相区，如图9所示。每个相区的物理意义是，当成分和温度都落在该相区中，此成分在此温度下的相组成种类是一定。这里拆分出来的7个相区是严格按照三元互不溶解共晶相图的特征来建立的，对于所有三元互不溶解共晶类型的体系都具有普适性。然后分别保存每个打孔的相区实体模型的STL文件。

所述打印方法具体包括以下步骤：

步骤一，选定打印机和打印材料，因为不同打印机和不同材料打印精度不同，设置的打印参数不同。此处我们以PLA材料和Wiiboox打印机为例。

步骤二，利用Cura-Wiiboox软件(或ReplicatorG-Wiiboox定制版软件)分别打开每个打孔的相区实体模型的STL格式文件，以及角钢轴式框架的实体模型的STL格式文件，还有固定棍实体模型的STL格式文件。

步骤三，对STL格式的带孔相区实体模型、角钢轴式框架实体模型以及固定棍的实体模型进行合适的调整和打印参数设定，然后依次转换成Gcode和X3g格式文件，得到打印机可打印的数据文件。

其中，合适的调整包括：

①合适的比例大小缩放：由于等尺寸打印会导致拼装和拆卸困难，所以需要调整框架和固定棍的缩放比例。角钢轴式框架按照1～1.2放大确保能框住相图并起固定作用；固定棍按照0.8～1缩小确保能和相图模型中的孔配合，且方便插取；

②选择打印方向：根据具体的相区形状，尽量采用最大的平面为底面打印，使之能少使用支撑，又确保其在打印过程中不会塌陷，这里三元互不溶解共晶相图的每个相区打印都采用最大平面为底面；

③底部支撑的有无：考虑底面是否平面，若不是平面则需要底部支撑；

④结构支撑的类型：根据相区具体的形状，秉着尽量少用支撑又要确保能打印成功，选择无支撑，外部支撑、全支撑，这里三元互不溶解共晶相图的每个相区打印都选择无支撑；

其中，Cura-Wiiboox软件打印参数设置如下：

参数	参数值
		层高(厘米)	0.1-0.2
外壳层厚(毫米)	1.2
		底部/顶部厚度(毫米)	1.2
打印速度(毫米/秒)	60
		打印温度(摄氏度)	200-220
打印平台温度(摄氏度)	50
		支撑类型	Touching buildplate
打印平台粘附底座类型	Brim
		流动率	100％
喷头尺寸(毫米)	0.5
		料丝回抽速度(毫米/秒)	20.0
料丝回抽距离(毫米)	1
		起始层厚度(毫米)	0.3
起始层线宽比例因数(％)	100
		切除模型底部(毫米)	0.0
双喷头挤出叠加量	0.15
		喷头运动速度(毫米/秒)	150.0
底层打印速度(毫米/秒)	20
		填充速度	0.0
外表面打印速度(毫米/秒)	25
		内表面打印速率	30
每层花费的最少时间(秒)	5

ReplicatorG-Wiiboox定制版软件某次打印参数设置如下：

参数	参数值
		模型填充率(％)	20
送丝时喷头移动速度(毫米/秒)	60
		不送丝时喷头移动速度(毫米/秒)	80
层高度(毫米)	0.1-0.2
		额外的外壳层数	1
挤出器加热温度(摄氏度)	200-220
		加热板温度(摄氏度)	50

步骤四，对所述待打印模型进行3D打印，获取各个相区的3D打印实物模型。

具体地，利用SD卡将带孔相区实体模型、角钢轴式框架实体模型、固定棍的实体模型的X3g格式与3D打印机建立连接，对它们进行3D打印。带孔相区实物模型和固定棍实物模型如图10所示，角钢轴式框架实物模型如图11所示。

不同类型的相区分别采用不同颜色的耗材以示区别，这里，三元互不溶解共晶相图可以分3个固液两相区(L+α，L+β，L+γ)、3个固态两相区(α+β，β+γ，α+γ)、1个固态三相区(α+β+γ)，共三种类型，分别打印成三种颜色。

步骤五，对所述实物模型进行后期处理，具体包括：

清除多余的支撑结构，去除打印时残留的丝，修整打印末端产生的融滴状缺陷，打磨相邻相区接触面。

所述拼装方法具体包括：将带孔相区按照三元互不溶解共晶相图中的确定位置关系堆叠起来，将固定棍插入孔中，并置于角钢轴式框架内，如图12所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可拆装多元相图模型；其特征在于：所述模型为3D实体模型；所述3D实体模型的Z轴方向表示温度，底面表示各元素含量不同时的成分组成；所述3D实体模型由N块可拆装模块组成了；任意模块表示一个相区；在同一相区内相组成具有共同的相组元。

2.根据权利要求1所述的一种可拆装多元相图模型；其特征在于：所述多元相图模型为三元相图模型。

3.根据权利要求2所述的一种可拆装多元相图模型；其特征在于：所述3D实体模型的底面为等边三角形，所述等边三角形的三条边分别表示构成三元相图的三种元素；且按顺时针或逆时针方向，从边的一端到另一端，元素的含量从0-100％变化。

4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述可拆装多元相图模型的方法；其特征在于包括下述步骤：

步骤一

根据已有多元相图，建立虚拟整体3D模型；

步骤二

对步骤一所建立的虚拟整体3D模型，按照拆分原则进行拆分；得到N个3D虚拟子模型；每个子模型表示一个相区，即拆分后得到N个相区；所述拆分原则为：每个模块表示一个相区；在同一相区内相组成具共同的相组元；

步骤三

按每个3D虚拟子模型，制备其对应的实体子模型；将各个实体子模型拼接起来，得到可拆装多元相图模型。

5.根据权利要求4所述的一种可拆装多元相图模型的制备方法；其特征在于：步骤三中，按每个3D虚拟子模型，通过3D打印，制备其对应的实体子模型。

6.根据权利要求4所述的一种可拆装多元相图模型的制备方法；其特征在于；将各个实体子模型拼接起来方法包括下述几种：

方法一采用外部实物框架进行固定；

方法一中，所述采用外部实物框架进行固定，其步骤包括：

a.针对多元相图的具体形状，设计满足径向和轴向固定的框架形状；

b.建立框架的虚拟模型；

c.对框架的虚拟模型进行3D打印，获得框架的实物模型；

d.在框架中，将每个独立的相区实物模型，按照其在相图中原本的空间位置，从下至上进行拼装；

或

方法二采用孔棍式的方式，对多元相图进行固定；

所述采用孔棍式的方式，对多元相图进行固定，其步骤包括：

2a.使用建模软件，在多元相图的实体模型中，选择合适成分点设计一竖直的孔，孔穿过各个相区，并设计直径与孔相同，长度略大于孔的固定棍进行各个相区的固定；打孔的数量和位置要满足以下原则：在能够完成每个相区的固定的前提下，选择避免破坏相区外观形状的地方，选择最少的数量打孔；

2b.再对打孔的多元相图实体模型，按照上述方案中所述的拆分方法进行拆分，并进行3D打印，获得带孔的每个相区的实物模型；

2c.采用3D打印，获得固定棍的实物模型；

2d.使用固定棍和孔的配合进行拼装。

7.根据权利要求6所述的一种可拆装多元相图模型的制备方法；其特征在于；将各个实体子模型拼接起来方法为：

采用复合式进行固定；

所述采用复合式进行固定，复合式是指角钢轴式或斜边轴式与孔棍式的结合。

8.根据权利要求5所述的一种可拆装多元相图模型的制备方法；其特征在于；将各个实体子模型拼接起来方法为：在磁力的作用下，使松散的相区实物模型吸引固定；

所述在磁力的作用下，使松散的分区实物模型吸引固定，包括：

在相界面上使用磁力贴或涂上磁性涂层，按照多元相图原本的形状，使相邻的相区利用相界面上磁力，能够实现贴合固定。或各实体子模型打印时，先预留一层，预留层打印时，采用磁性材料进行打印，进而在相面上形成一层磁性层；以便固定、组装、拆卸。

9.根据权利要求6或7所述的一种可拆装多元相图模型的制备方法；其特征在于；

其中，框架包括角钢轴式和/或斜边轴式；

所述角钢轴式，底部为一正三角形，其三个顶点处分别有一根垂直于三角形的圆柱，每根圆柱沿底边三角形的边伸展出两个长方体构成角钢结构，以角钢结构来实现对松散的分区实物模型的固定；

所述斜边轴式是在角钢轴式的基础上，沿角钢的两边各设计一定数量的斜棍，扩大角钢的周向固定能力，斜棍的数量根据不同相图的相区多少来决定。

10.一种如权利要求1-3任意一项所述可拆装多元相图模型的应用；包括将其用于教学。