3D打印的教學(xué)組織研究

鮑開美 李曉峰

摘 要：3D打印技術(shù)作為一門新興的熱門加工技術(shù)，將成為未來制造工藝中的重要組成部分，開設(shè)3D打印課程，讓學(xué)生充分了解3D打印的原理、工藝方法及從三維建模到操作3D打印機(jī)生成實(shí)物加工的全過程，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的對(duì)工程訓(xùn)練的興趣和自主創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)理解、掌握先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向——自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化這一認(rèn)知有著重要意義。

關(guān)鍵詞：3D打??；快速制造；教學(xué)組織；三維建模

1 緒論

3D打印技術(shù)，被認(rèn)為是20 世紀(jì)最偉大的制造技術(shù)革命，[1]集成了機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，[2]因其加工原理的具有極強(qiáng)的靈活性，能夠適應(yīng)單件及小批量產(chǎn)品的迅速開發(fā)而不額外增加成本，對(duì)機(jī)械加工甚至藝術(shù)加工工藝是一種很好的補(bǔ)充。[3]目前3D打印技術(shù)也正以極快的速度融入我們的生活之中。針對(duì)需要不斷與時(shí)俱進(jìn)、接受新鮮知識(shí)的大學(xué)生來說，開設(shè)3D打印工程實(shí)踐課程，有著必要性。

2 教學(xué)案例

2.1 3D打印的工藝原理及工藝方法

3D打印的工藝原理為：建模，通過計(jì)算機(jī)軟件或逆向工程技術(shù)建立所需零件的三維模型；模型 “微分”，即沿Z軸對(duì)模型進(jìn)行“切片”，得到每層截面數(shù)據(jù)信息；計(jì)算機(jī)根據(jù)每層截面信息，建立材料堆積路徑和方式；實(shí)體“積分”，即3D打印機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)路徑有序堆積材料，層層制造，逐層疊加成形零件實(shí)體。[4]

3D打印因其加工原理的特殊性，導(dǎo)致在加工不同材質(zhì)的時(shí)候采用的工藝方法都有所不同，且因?yàn)?D打印技術(shù)的不成熟性，各種技術(shù)方法層出不窮，課堂上主要介紹幾種經(jīng)典及較為前沿的技術(shù)方法，根據(jù)加工材質(zhì)的不同進(jìn)行分類，分為光敏樹脂材質(zhì)、金屬材質(zhì)及塑料材質(zhì)。

（1）光敏樹脂材質(zhì)。光固化成型（SLA）的工藝過程：以液態(tài)光敏樹脂充滿液槽；由計(jì)算機(jī)控制激光束掃描層狀截面軌跡；受到激光照射的液體樹脂固化成型；升降臺(tái)下降一層高度，激光束掃描下一層切片的截面軌跡；新的一層粘結(jié)在前一層的表面上；如此不斷重復(fù)直到整個(gè)零件完成。

連續(xù)液面提取（CLIP）的工藝過程：是光固化成型的改型工藝，巧妙利用氧氣在液槽底部形成“死區(qū)”，將制件和透光板完全分隔開；利用激光束投影出該層切片形狀即可直接成型一個(gè)片層；升降臺(tái)上升一層，激光束投影下一層切片形狀；如此不斷重復(fù)以上步驟直至完成零件加工。相較光固化成型技術(shù)，連續(xù)頁面提取技術(shù)的工藝水平更好，在加工精度和加工速度上都有了很大提升。

（2）金屬材質(zhì)。選擇性激光燒結(jié)（SLS）的工藝過程：采用合金粉末作為成型材料，在工作臺(tái)上鋪上一層粉末；激光束掃描切片的截面形狀，進(jìn)行燒結(jié)；被燒結(jié)部分固化成型構(gòu)成零件的實(shí)心部分；鋪下一層粉末，燒結(jié)固化下一層切片；不斷重復(fù)直至完成零件加工。

納米液體噴射（NPJ）的工藝過程：采用類似噴墨打印頭進(jìn)行加工，層層噴射含有金屬納米顆粒的“墨水”；采用一定高溫汽化“墨水”載體，只留下金屬部分；逐層加工成型。相較選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，納米液體噴射技術(shù)的加工精度和加工速度都有了大大的提升，制造成本也進(jìn)一步降低。

（3）塑料材質(zhì)。熔融沉積成型（FDM）的工藝過程：一般以絲狀供料，材料絲通過加熱器加熱并以半液態(tài)形式從噴頭中擠出；噴頭按照一定規(guī)律沿零件截面形狀行走，材料迅速凝固并成型；不斷重復(fù)直至完成零件加工。

大面積增材制造（BAAM）的工藝過程：與熔融沉積成型原理一樣，加工區(qū)域巨大化，因此可以直接加工大型物體，例如汽車、家具甚至建筑等等。相比熔融沉積成型技術(shù)，其加工速度獲得極大提升，相對(duì)應(yīng)的加工精度則遠(yuǎn)低于熔融沉積成型技術(shù)。

2.2 構(gòu)建三維模型

課堂采用Win10系統(tǒng)自帶的3D Builder軟件進(jìn)行三維模型構(gòu)建，該軟件的特點(diǎn)是操作簡便直觀，對(duì)于課堂面向的沒有三維建?；A(chǔ)的大二學(xué)生比較友好。該軟件提供了一些基礎(chǔ)的形狀，例如立方體、圓柱體、球體等，或者通過網(wǎng)上下載及圖片導(dǎo)入的方式生成其他的基礎(chǔ)形狀，用戶可以以“堆積木”的形式，配合移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、復(fù)制、粘貼、鏡像等命令將不同的基礎(chǔ)形狀堆積，搭建出大致的模型，再利用簡化表面、拆分、平滑、浮雕、合并、相交、剪除、挖洞等編輯命令完善模型。

2.3 3D打印機(jī)的操作

課堂中選用的3D打印機(jī)型號(hào)為北京太爾時(shí)代公司的UP！桌面式三維打印機(jī)，操作軟件為UP！軟件，因此主要介紹圍繞該軟件展開。

（1）選擇并確定模型的大小及方位：啟動(dòng)UP！程序，并利用“打開”功能載入模型；利用“旋轉(zhuǎn)”功能改變模型在打印平臺(tái)上的方位，產(chǎn)生最少的支撐；

（2）利用“縮放”功能將模型調(diào)整到合適大小，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成打印任務(wù)。打印該模型：利用“自動(dòng)布局”功能將模型自動(dòng)放置在平臺(tái)中央；

（3）初始化3D打印機(jī)，使打印噴頭及打印平臺(tái)都返回初始位置；

（4）“打印預(yù)覽”界面設(shè)置模型打印精度、片層厚度、支撐參數(shù)及填充選項(xiàng)等，可使模型滿足不同的需求；

（5）3D打印機(jī)工作，層層堆積材料，完成模型的成型；

（6）將打印底板從3D打印機(jī)上取下，使用平口鏟刀將模型從打印底板上剝離；

（7）使用偏口鉗等工具去除模型上的底座及支撐結(jié)構(gòu)，使用什錦銼刀等工具對(duì)模型進(jìn)行打磨修整，完成對(duì)模型的后處理。

從目前開展的教學(xué)反饋來看，3D打印課程因其為學(xué)生提供了一個(gè)自主設(shè)計(jì)、并可快速完成作品加工的平臺(tái)而深受學(xué)生的歡迎，促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。圖下為學(xué)生自己設(shè)計(jì)、建模，最后完成的3D打印作品。

3 結(jié)語

目前來說，3D打印課程在高校中一般以金工實(shí)訓(xùn)的一個(gè)工種的形式組織開展，面向的學(xué)生群體主要是工科學(xué)生。然而3D打印技術(shù)除了在機(jī)械工程、工業(yè)工程等領(lǐng)域之外，還在食品、藝術(shù)設(shè)計(jì)、珠寶、玩具、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛的認(rèn)同和實(shí)際應(yīng)用。

因此，個(gè)人認(rèn)為今后在3D打印教學(xué)內(nèi)容的組織安排上，一方面課程開設(shè)可以以面向全體學(xué)生的公選課形式開展，除以上基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容外，還可增加與3D打印緊密相關(guān)內(nèi)容的專題教學(xué)，例如3D打印技術(shù)如何與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，從而使兩者都能發(fā)揮更大作用；逆向工程技術(shù)與3D打印的結(jié)合；對(duì)不同三維建模軟件的詳細(xì)學(xué)習(xí)，并與工程圖學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)等課程相結(jié)合，對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生有不同的切入點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，利用三維建模技術(shù)、3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)課本上的模型圖紙或自己繪制的二維圖紙的三維模型建立，到實(shí)物的加工成型整個(gè)過程。另一方面，可以將3D打印與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目、學(xué)科競賽項(xiàng)目、甚至創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目相結(jié)合，讓學(xué)生在實(shí)踐中得到更好的訓(xùn)練。通過多樣化的教學(xué)和實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)將不僅僅停留在三維模型到實(shí)物的操作過程這一表面認(rèn)知，而能夠深刻理解其實(shí)用價(jià)值，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，以及能夠自主思考今后如何將3D打印技術(shù)更好的與自己的行業(yè)相結(jié)合，從而創(chuàng)造更大的社會(huì)價(jià)值。

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