基于提高學生工程實踐能力的3D打印訓練項目建設

趙青

摘 要： 為培養學生的工程實踐能力、創新意識和創新精神，作者進行了3D打印訓練項目的建設，讓學生通過概念設計、三維建模、格式轉換、數據處理、制造零件原型的全過程，加深對生產工藝知識的理解，提高學生的綜合工程實踐能力。

關鍵詞： 3D打印 工程實踐 能力培養

高等院校培養工程技術人才不僅需要理論，更需要工程實踐、工程規范、工程經驗和具有豐富想象力的創新思維。工程實踐教學作為一個重要環節，對學生學習基礎工藝知識，培養創新精神和創新意識，鞏固及加深理論知識，提高綜合工程素質具有重要作用。

1.項目建設思路

工程訓練教學體系在不斷改革與創新，從傳統技能訓練逐步拓展為先進的制造技術，加強新工藝、新材料、新技術的實踐內容，并注重學科交叉，注重培養學生發現問題的能力，獨立獲取知識的能力，綜合運用知識的能力和獨立思維的能力，養成不滿足現狀和求新求變的良好習慣，懂得不同行業的技術規范和技術標準，獲取基本的工程閱歷和經驗，為未來的發明創造奠定豐厚的知識、思維、素質和實踐基礎。為順應新形勢的發展，工程訓練中心開發創建了3D打印訓練項目。

3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構造物體的技術[1]。3D打印技術可以制造出傳統生產技術無法制造出的外形，讓人們更有效地設計出有自己的創意的東西，并且生產出的零件更精細輕盈。建設3D打印實訓項目，可以使學生學到三維CAD軟件知識、學到計算機輔助制造技術，并深入了解利用高科技手段進行工程設計的概念，掌握從概念設計到原型制造的一般工藝流程，有利于提高學生的創新能力和培養學生的創新意識[2]。

2.建設內容

2.1設備選型

由于是讓學生了解一些3D的快速成型技術，掌握一般的工藝流程及原理，中心購買了杭州先臨三維科技股份有限公司生產的Einstart3D打印機（見圖1），其攜帶方便、操作簡易。只需要幾個按鍵就可以很容易地制造出自己喜歡的模型，可使用的材料是ABS、PLA成型材料。ABS塑料具有優良的綜合性能，有極好的沖擊強度、尺寸穩定性好、電性能、耐磨性、抗化學藥品性、染色性，成型加工和機械加工較好；PLA成型材料具有最良好的抗拉強度及延展度，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，應用十分廣泛。

圖1 Einstart3D打印機結構

2.2工藝過程及原理

3D打印技術的工藝方法有幾十種之多，其中比較具有代表性的工藝方法是：分層實體成型工藝、立體光固化成型工藝、選擇性激光燒結工藝、熔融沉積成型工藝、三維印刷工藝。Einstart3D打印機采用的工藝是FDM熔絲沉積成型工藝（見圖2），它是將絲狀熱熔性材料加熱到臨界狀態，使其呈現半流體狀態，然后加熱頭會在軟件控制下沿CAD確定的二維幾何軌跡運動，同時噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層。這個過程與二維打印機的打印過程很相似，但從打印頭出來的不是油墨，而是ABS樹脂等材料的熔融物。同時因為3D打印機的打印頭或底座能夠在垂直方向移動，所以它能讓材料逐層進行快速累積，并且每層都是CAD模型確定的軌跡打印出確定的形狀，所以最終打印出設計好的三維物體。

圖2 熔融沉積成型FDM工藝原理示意圖

3D打印的工藝過程分以下幾個步驟：

2.2.1設計CAD三維模型。由CAD軟件設計出所需零件的計算機三維曲面或實體模型。

2.2.2三維CAD模型的近似處理。采用STL格式的文件轉換數據，將3D實體用小三角形進行逼近，形成STL格式近似模型文件。

2.2.3分層切片，加入支撐。讀入TSL文件，將STL格式的三維CAD模型轉化為快速成型制造系統可接受的層片模型。對TSL文件切片，求出支撐區域，路徑規劃，生成支撐掃描路徑。

2.2.4熔融沉積成型。熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行疊加沉積新的一層，如此反復最終實現零件的沉積成型，生成三維模型。

2.2.5快速成型的后處理。主要是清理零件表面，去除實體的輔助支撐結構，對部分實體表面進行處理，僅需要幾min到15min的時間，使原型精度、表面粗糙度等達到要求。

2.3教學方案

根據學生的專業不同，制訂出以下兩種有針對性的教學方案：

2.3.1非機類學生重點講解3D打印的基本概念以及常見的幾種成型方法原理及過程，3D打印技術應用。目的是使學生了解3D打印技術的工藝原理與應用，培養學生的創新思維與創新意識。非機類學生由于時間短，訓練項目多，只能演示3D打印機的工作過程，制作演示件。

2.3.2機類學生重點介紹3D打印技術的基本原理與概念、制造的工藝過程及其應用，講解典型的幾種成型方法。要求學生牢固掌握3D打印的原理；了解3D打印技術的應用特點，進一步了解3D打印技術的加工過程；掌握3D打印設備的使用方法。

訓練內容：做出創新設計方案→設計圖紙→學習CAD或UG等軟件的應用→利用三維軟件畫出三維模型→掌握三維打印機的操作步驟（開機、裝材料、機器維護等）→導入STL文件→參數設置→制作自己設計的零件。

圖3 學生3D打印作品

3.結語

3D打印實訓項目的建設將有助于增強學生對先進制造技術的認識，學到的不只是單一工種的技能訓練，而是學習CAD/CAM技術、CNC技術、激光技術、新材料技術及逆向工程等多種知識，此訓練可以把學生的設計方案變為現實的工具，使原型和設計理念融會貫通。學生完成一個零件的制作，不但提高工程實踐能力，還對產品設計和開發、產品研制、企業的競爭能力有一定了解。通過此訓練擴大學生的知識面，增強知識連貫性，提高綜合分析問題能力和工程實踐能力。

參考文獻：

[1]薛晶晶，王志奎.淺談3D打印技術[J].無線互聯科技，2014（6）.

[2]張國玲，吳濤，張功國.快速成型訓練項目的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（07）.