基于3D打印技術(shù)的實驗教學(xué)

成思源， 周小東， 楊雪榮， 張湘?zhèn)ィ?郭鐘寧

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

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基于3D打印技術(shù)的實驗教學(xué)

成思源， 周小東， 楊雪榮， 張湘?zhèn)ィ?郭鐘寧

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

3D打印作為快速制造領(lǐng)域的一種新興的技術(shù)，正在迅速崛起，將成為未來制造業(yè)的重要組成部分。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力以及對先進數(shù)字化技術(shù)的了解和掌握，對基于3D打印技術(shù)的實驗教學(xué)進行了建設(shè)和實踐。學(xué)生通過三維數(shù)字化建模，數(shù)據(jù)處理和操作3D打印機生成實物模型的全過程，加深對3D打印技術(shù)的認(rèn)識和理解，將有助于順應(yīng)產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的最新需求，提高學(xué)生運用先進設(shè)計和制造技術(shù)的綜合能力。

3D打印； 快速制造； 數(shù)字化設(shè)計； 實驗教學(xué)

0 引 言

實驗教學(xué)是高校教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，在應(yīng)用性和創(chuàng)新性的人才培養(yǎng)體系中有著重要的意義。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)發(fā)展了很大的變化，為了提高產(chǎn)品開發(fā)速度, 已經(jīng)研究出許多先進的設(shè)計與制造技術(shù)[1]。快速成型(Rapid Prototyping 簡稱RP) 技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)，該技術(shù)由最初的發(fā)展期步入成熟期, 近年來RP新工藝、新裝備仍是最活躍的領(lǐng)域。與傳統(tǒng)制造方法不同,RP 是從零件的CAD幾何模型出發(fā),通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng), 用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它將復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加, 因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件, 極大地提高了生產(chǎn)效率[2]。該技術(shù)可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵3]，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。由于快速成型技術(shù)的諸多特點，用于高校實驗教學(xué)可使學(xué)生學(xué)到三維CAD 軟件知識、計算機輔助制造技術(shù)，并深入了解利用高科技手段進行工程設(shè)計的概念[4]。

3D打印(3D Printing)作為快速成型領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，目前在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注，已逐步應(yīng)用于航天、軍工、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，正成為一種迅猛發(fā)展的潮流。在國外3D打印機有的已經(jīng)走進了教室，應(yīng)用于課堂教學(xué)。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，成本的大幅降低使其已經(jīng)從研發(fā)的小眾空間向主流市場進軍，成為被社會廣泛關(guān)注、民用市場迅速崛起的新領(lǐng)域，在生產(chǎn)應(yīng)用方面有著巨大的潛力，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣筟5-6]。該技術(shù)將大大縮短新產(chǎn)品研制周期,降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本，目前產(chǎn)品開發(fā)普遍使用3D打印技術(shù)制作樣品，并可實現(xiàn)按需訂制,滿足了人們對個性化產(chǎn)品的需求，受到了消費者的普遍歡迎[7-8]。因此，高校通過開展3D打印技術(shù)的實驗教學(xué)將順應(yīng)產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的最新需求，有助于加深學(xué)生對先進設(shè)計和制造技術(shù)的了解和掌握，進一步提高學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力，對于培養(yǎng)掌握先進數(shù)字化技術(shù)的未來的工程師有著重要的意義。

1 3D打印設(shè)備及工藝

1.1 設(shè)備選擇

實驗室引進的是3D Systems生產(chǎn)的CubeX3D打印機，圖1(a)所示為其外形圖；1(b)所示的為CubeX3D打印機內(nèi)外部結(jié)構(gòu)圖。CubeX3D打印機有3個噴嘴，它可以在18種顏色中自由選擇3種顏色同時進行打印；打印材料有PLA 和ABS，可以根據(jù)所需要的打印模型的性能來進行選擇相應(yīng)的材料。打印的模型最大可達到275 mm× 265 mm× 240 mm。該設(shè)備設(shè)計簡單，使用方便，只需要在顯示面板上按幾個按鍵就能快速地打印模型，因此非常適合學(xué)生的實踐操作訓(xùn)練。而且和其他3D打印系統(tǒng)相比之下，成本比較低，經(jīng)濟實用，是很好的實驗教學(xué)設(shè)備。

1.2 3D打印機的工藝過程及原理

快速成型的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有4 種基本類型: 光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結(jié)法和熔融沉積制造法[9]。CubeX3D打印機采用的工藝為熔融沉積制造法， 3D打印時首先需要對零件的三維CAD模型按照一定的厚度進行分層切片處理，生成控制3D打印機噴頭移動軌跡的二維幾何信息。噴頭在計算機的控制信息作用下，進行零件堆砌所需的運動，送絲機構(gòu)把絲狀材料送進熱熔噴頭，加熱頭把熱熔性材料(ABS、PLA等)加熱至一定溫度成熔化狀態(tài)時，同時，噴頭擠壓出成型材料，成型材料很快沉積固化為精確的零件薄層。通過升降系統(tǒng)下降來完成接下來的新薄層，這一過程反復(fù)進行，層層堆積，緊密黏合，自下而上逐漸形成一個完整的三維零件實體。3D打印的工藝原理如圖2所示[10]。

(a) CubeX3D打印機的外形圖

(b) CubeX3D打印機的結(jié)構(gòu)圖

A、B-操作按鈕, C-噴嘴清理器, D、Z-主軸, E-工作臺, F-USB接口, G-電源, H、K-噴頭1, I、L-噴頭2, J、M-噴頭3, N、O、P-噴頭1、2、3的模型材料盒安裝基座

圖1 CubeX3D打印機

圖2 3D打印機的原理圖

一般來說，3D打印成型過程主要包括建模、分層、成型和后期處理四個主要階段[11-12]。

(1) 建模。3D打印成型通常是建立在CAD軟件生成的三維實體模型的基礎(chǔ)之上，因此，首先要利用CAD設(shè)計軟件(如UG、Pro/E等)，按照構(gòu)思設(shè)計出三維模型；另外也可利用數(shù)字測量方法對已有的實物模型進行掃描，并直接根據(jù)點云數(shù)據(jù)設(shè)計三維模型。

(2) 分層。 3D模型并不能直接操作3D打印機。當(dāng)3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機配備的專業(yè)軟件Cubex來進一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規(guī)格決定。CubeX3D打印機的配套軟件可設(shè)置的分層層厚有0.1 mm、0.25 mm、0.5 mm。對零件三維模型進行分層處理是3D打印技術(shù)的一個很重要的環(huán)節(jié)，無論是通過CAD造型還是通過逆向建模軟件生成，都必須經(jīng)過分層處理，才能將成型數(shù)據(jù)輸入到3D打印機中。

(3) 成型。3D打印機的零件造型過程包括兩個方面：支撐的制作和零件實體制作。在打印的區(qū)域內(nèi)，噴頭沿著由Cubex軟件計算出的精確路徑，擠出液態(tài)的模型和支撐材料，零件一層一層由下到上成型。

(4) 后期處理。3D打印技術(shù)的后處理包括：去除支撐材料和對部分有精度要求的表面的處理，使原型零件達到精度的要求。

2 3D打印教學(xué)實驗

在實驗教學(xué)中，主要的實驗內(nèi)容是：熟悉應(yīng)用CubeX軟件及3D打印機的操作面板—掌握3D打印機的操作步驟( 開機、裝材料、面板操作、機器維護等) —導(dǎo)入設(shè)計模型文件—處理STL 文件—參數(shù)設(shè)置—打印完成自己設(shè)計的零件。其中導(dǎo)入的設(shè)計模型文件可以由學(xué)生自主進行設(shè)計，既可以來源于學(xué)生的創(chuàng)意構(gòu)思，也可以是通過對已有實體模型進行掃描后，再設(shè)計后得到的模型[13]。

我們以本實驗中的CubeX3D打印機的配套軟件CubeX操作為例，其具體的操作步驟如下：

(1) 打開CubeX軟件。

圖3 連桿模型圖

圖4 調(diào)整位置后的連桿模型

(a) 切片設(shè)置對話框

(b) 切片后的模型

圖5 連桿模型切片處理

(6) 將U盤插入到CubeX3D打印機的USB接口中，在打印機操作面板中選中所保存的模型，點擊打印即可，最終打印出來的連桿如圖6所示。

圖6 打印出的連桿模型

3 結(jié) 語

基于3D打印技術(shù)實驗教學(xué)的開展將讓學(xué)生受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 加深學(xué)生對先進數(shù)字化技術(shù)的認(rèn)識。3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，具有很高的科技含量[14-15]。通過開展3D打印技術(shù)的實驗教學(xué)，可使學(xué)生接觸到三維CAD技術(shù)、逆向工程技術(shù)、熔融沉積制造技術(shù)等先進設(shè)計和制造技術(shù)，同時讓學(xué)生了解行業(yè)前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、對產(chǎn)品的設(shè)計、加工制作過程有更全面的認(rèn)識，從而拓寬學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2) 提高學(xué)生的工程實踐能力。通過實驗教學(xué)，讓學(xué)生的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實的實物，理論與實踐相結(jié)合，使設(shè)計理念和原型制作融會貫通。學(xué)生通過完成一個零件的設(shè)計制作，并對過程中遇到的模型的設(shè)計、工藝參數(shù)的優(yōu)化等問題的討論解決，不但有助于提高其動手能力和DIY興趣，還對產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、產(chǎn)品研制過程有了直觀地了解。

(3) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計意識和能力。3D打印實驗結(jié)合CAD造型、逆向工程技術(shù)，形成開放式的創(chuàng)新設(shè)計訓(xùn)練。實驗過程中，可充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，結(jié)合已有的感興趣實物模型，自主設(shè)計創(chuàng)意模型，并快速打印出實物模型，對設(shè)計構(gòu)思進行驗證及改進。有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，為學(xué)生今后進一步參加機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等學(xué)科競賽打下基礎(chǔ)。

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Experimental Teaching Based on 3D Printing Technology

CHENGSi-yuan，ZHOUXiao-dong，YANGXue-rong，ZHANGXiang-wei，GUOZhong-ning

(College of Electromechanics Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

3D printing is a rapidly emerging technology of rapid manufacturing, and it will become an important part of the manufacturing in the future. In order to develop students’ ability of engineering practice, and to understand and master the advanced digital technology, experimental teaching of 3D printing technology was carried out. Students adopted three-dimensional modeling, data processing and 3D printer operation to obtain the physical model The reform could deepen the awareness and understanding of 3D printing, and comply with the talent cultivation requirement to improve the students' comprehensive ability of using advanced design and manufacturing technology.

3D printing; rapid manufacturing; digital design; experimental teaching

2014-09-01

廣東省高等教育教學(xué)改革項目(2012143，JGXM025)；廣東省學(xué)位與研究生教育改革研究項目(09JGXM-ZD10)；廣東工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項目(2012Z009)

成思源(1975-)，男，重慶人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，教學(xué)副院長，主要從事逆向工程技術(shù)、機械CAD、機械設(shè)計技術(shù)與實驗教學(xué)研究。Tel.: 020-39322217; E-mail: imdesign@ gdut.edu.cn

TP 391

A

1006-7167(2015)08-0158-04