基于三維建模的3D打印技術在教學中的應用

劉靜 李永盼 張道更

【摘 要】創新，是一種能力的培養，提高當代大學生的創新、創業能力已成為一種趨勢。為了培養大學生的創新創業意識，深化高校創新創業教育改革，要求教師在在開展教學過程中，將創新創業精神融入到教學中去。本文以三維建模的教學為例詳細的闡述一下如何在教學中體現創新創業精神。

【關鍵詞】創新；培養；提高

一、三維建模

隨著電腦硬件和CAD軟件的發展，傳統的平面圖設計模式正在被新的模式所取代。傳統的二維圖紙承擔著產品從設計到成品全過程的標準的作用，但眾所周知，特別當產品結構比較復雜時，二維圖紙在很多時候不能完全描述清楚，甚而有時會有理解差異，這樣在產品流程中傳遞時，可能最后產品與設計有差異。

三維建模方式是在設計時以三維模型作為產品全過程的標準，這樣保證了最后產品與設計初衷的吻合性，當然整個過程二維圖也是必不可少的。因此三維建模在機械行業正在被越來越廣泛地應用，而且也是發展方向。

三維軟件是用于三維設計（3D設計）的軟件，三維設計是建立在平面和二維設計的基礎的一種更立體化，更形象化的設計方法。最常見的三維制圖軟件有CAD、3DMAX、PRO/E、Solidworks，但每款三維軟件的應用行業有所區別，如CAD是建筑機械制圖，3dmax主要用于三維動畫渲染和制作，PRO/E主要用于三維建模等，Solidworks則是最早的三維軟件廣泛應用于各個設計行業[1]。

本文以PRO/E三維軟件為例，一套由設計至生產的機械自動化軟件，廣泛應用于汽車、航空航天、消費電子、模具、玩具、工業設計和機械制造等行業[2]。

二、3D打印技術

3D打印技術，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粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

本文以創想三維3D打印機為例，詳細闡述一下如何由三維模型到模型實體的實現。

Dreality 3D（創想三維切片軟件）是由深圳創想三維科技公司推出的一款Cxsw3d創想三維機器專用程序，支持FDM機器打印。可進行3D切片操作，根據不同的打印機和物品進行設置和調整，打印出來的模型作品效果非常逼真，且支持單個或者多個同時打印。如圖1所示為該軟件的主界面。

準備工作：

（1）進料和退料

進料

1.等待噴頭溫度加熱至進絲溫度，將打印絲開頭用剪鉗斜45度剪去一小段打印絲；

2. 向下按壓進料扳手，順應擠出輪將打印絲線推入進絲口的底部；

3. 松開進料扳手，用手向上扯動打印絲，可以明顯感覺到打印絲已被噴頭卡緊，完成進絲！

退料

等待打印噴頭加熱到退料溫度，向下按壓進料扳手，將殘余的打印絲向下擠出噴嘴 2-3 厘米（避免打印完成后的余絲殘留在噴嘴內部），再快速向上將打印絲拔出進絲口，注意不要觸碰噴頭，以防燙傷。不要將余絲殘留在噴頭上，這樣會影響下次打印的效果。

關機時將U盤插入位于機器控制器上的插槽，然后開機：

1）在操作界面點擊打印，然后選擇U盤。

2）選擇想要打印物體的文件，點擊即可。

具體步驟如下：

第一步，將PRO/E所建的以.stl格式保存模型導入到創想三維切片軟件中，以齒輪為例導入后的模型如圖2所示。通過該界面能夠看到打印該模型所需時間和耗材。

第二步，設置參數。如圖2左側所示，操作者可設置層高、壁厚、打印速度等參數。

第三步，變換模型。在該軟件中，可對模型進行旋轉，鏡像，縮放等操作。操作者可通過變換模型，從界面顯示中得到最優的打印時間。

第四步，導出模型。將該模型以.gcode格式導出，存在可移動磁盤中，注意不要以中文擬名，否則打印機將不識別。

第五步，將模型導入打印機。將可移動磁盤插入到打印機中。操作者可選擇準備、控制、語言、存儲卡打印等按鈕進行參數調節。

第五步，設置打印參數，包括噴床溫度、熱床溫度、風扇速度等。設置完畢后即可打印。打印界面中會顯示打印進度，工作時的噴床溫度、熱床溫度、噴床的實時坐標等信息。打印溫度：200℃-220℃之間即可；層高：可調節范圍為 100μm-300μm（即 0.1mm-0.3mm），常用為 200μm，如果需要打印精度更高，可設置為 100μm；填充間距：即內部填充之間的距離，常用設置為 3200μm；打印實體設置為 400 微米即可；4.支撐層：選擇支撐可以為懸空物體提供可移除支撐；打印底座：選擇底座可以幫助你防止打印物體翹邊一般的，噴床溫度

第六步，打印完成。打印完成界面可獲得本次打印時間，耗材損耗等信息。能夠掌握打印信息，做到有據可依，為下次打印做好充分的準備和計劃。

三、總結

傳統的三維軟件教學中，學生們學習完課程后只能在軟件中模擬該模型，而無法直觀的認識所建模型。

以機械專業為例，需要設計某一特定運動的機構。此時，學生通過三維軟件建立所需三維模型，由3D打印機加工出來，組裝零件以完成既定運動的機構。本文通過將3D打印機和三維軟件結合進行教學，一方面不僅深化課堂學習的理論知識，同時激發了學生學習的積極性，使學生多多參與科技創新活動中；另一方面，學生打印的作品可以作為課堂學習的教具，配合課堂教學，又可減少教學開支。最重要的是，陪養了學生創新創業能力，全面提高學生的綜合素質，使學生的專業素養和能力在科技創新活動中得到全面提升，引導學生將科技創新活動中的認識、創意，整理成論文、專利，通過發表論文和申報專利，將學生科技創新成果多元化、最大化。

【參考文獻】

[1]https：//baike.so.com/doc/6708965-6922982.html3D建模

[2]鐘日銘等.編著《Pro/ENGINEER Wildfire5.0》[機械工業出版社].北京：機械工業出版社，2010.