增材制造綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

俞彥勤，王新云，樊自田

增材制造綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

俞彥勤，王新云，樊自田

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

通過(guò)分析增材制造技術(shù)流程，運(yùn)用已有的軟硬件條件，設(shè)計(jì)了三維造型及逆向工程實(shí)驗(yàn)和FDM增材制造實(shí)驗(yàn)。敘述了增材制造綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理、方法與步驟。通過(guò)包括三維數(shù)字建模、模型數(shù)據(jù)處理、FDM加工零件增材制造全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)了學(xué)生在增材制造方面的技能訓(xùn)練，加深了他們對(duì)增材制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)與理解。由于學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)或選擇零件模型，既體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，取得了良好的效果。

增材制造；三維測(cè)量；逆向工程；熔融沉積制造

增材制造也稱為3D打印、快速成形、自由成形等，按美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織F42增材制造技術(shù)委員會(huì)的定義[1]，增材制造是根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)用材料層層堆積的方法來(lái)制作實(shí)體零件的工藝，是近30年來(lái)世界范圍內(nèi)先進(jìn)制造領(lǐng)域興起的集信息技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)控技術(shù)于一體的全新的數(shù)字化成形制造技術(shù)[2]。該技術(shù)利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型，快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，具有加工成本低、周期短，無(wú)需傳統(tǒng)模具、工具等特點(diǎn)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。我國(guó)已將增材制造技術(shù)作為制造強(qiáng)國(guó)的重要發(fā)展方向之一，并已從產(chǎn)業(yè)培育階段發(fā)展到推廣應(yīng)用新階段，2017年12月，工信部等12部委聯(lián)合印發(fā)了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017—2020年）》[3]，充分體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)增材制造產(chǎn)業(yè)的重視。有鑒于此，我國(guó)高校的一些專業(yè)開展了增材制造綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置研究[4-15]，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)增材制造方面的人才需求。我校針對(duì)增材制造的流程特點(diǎn)，結(jié)合自身的優(yōu)質(zhì)資源，針對(duì)材料成形及控制工程本科專業(yè)，設(shè)計(jì)開發(fā)出“增材制造綜合實(shí)驗(yàn)”課程，并形成了自身特色。

1 增材制造技術(shù)流程

增材制造包括三維造型、前處理、打印成形、后處理等4個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 增材制造流程

（1）三維造型階段。三維造型包括兩種方法，一種是根據(jù)零件數(shù)據(jù)信息，如二維尺寸圖等，運(yùn)用三維CAD軟件直接繪制出零件的三維數(shù)字模型，這種方法稱為正向工程；另一種方法是對(duì)已知的零件樣品或模型，利用三維測(cè)量?jī)x器得到零件的三維數(shù)字模型，即逆向工程。

（2）前處理階段。采用正向工程或逆向工程得到計(jì)算機(jī)上的數(shù)字模型后，再通過(guò)三維CAD軟件轉(zhuǎn)化為STL格式的數(shù)據(jù)文件。利用切片軟件對(duì)模型進(jìn)行離散處理，即分層切片，并將各層的信息存儲(chǔ)為打印設(shè)備的路徑文件。

（3）打印成形階段。打印設(shè)備在控制系統(tǒng)指揮下，對(duì)各層進(jìn)行打印，逐層堆積成零件。

（4）后處理階段。對(duì)已打印的零件進(jìn)行打磨、去支撐、拋光等處理。

根據(jù)以上增材制造的流程，構(gòu)建增材制造綜合實(shí)驗(yàn)，包括三維造型與逆向工程實(shí)驗(yàn)和增材制造實(shí)驗(yàn)。

2 三維造型與逆向工程實(shí)驗(yàn)

2.1 基于PowerScan的三維測(cè)量系統(tǒng)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是根據(jù)功能和用途來(lái)進(jìn)行的，即先從概念出發(fā)繪制出產(chǎn)品的二維圖樣，而后制作三維幾何模型，經(jīng)檢查滿意后制造出產(chǎn)品來(lái)，見圖2(a)。逆向工程是先對(duì)已存在的實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)重構(gòu)出數(shù)字模型，再經(jīng)過(guò)分析、檢驗(yàn)、修改及輸出圖樣，最后制造出產(chǎn)品的過(guò)程，見圖2(b)。

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與逆向工程

本實(shí)驗(yàn)課程中的三維測(cè)量系統(tǒng)為我校擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PowerScan測(cè)量系統(tǒng)，它是一種集結(jié)構(gòu)光技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測(cè)量技術(shù)設(shè)備。測(cè)量時(shí)，光柵投影裝置將特定編碼的光柵條紋投影到待測(cè)物體上，攝像頭同步采集相應(yīng)圖像，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理等解算出攝像機(jī)與投影儀公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。通過(guò)三維掃描儀軟件界面可以實(shí)時(shí)觀測(cè)相機(jī)圖像以及生成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)操作流程如圖3所示。

圖3 三維測(cè)量系統(tǒng)操作流程

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)逆向工程得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用逆向工程數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio進(jìn)行處理，使實(shí)物零件的掃描點(diǎn)云生成準(zhǔn)確的增材制造的STL格式文件。其操作流程如圖4所示。

即對(duì)導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其處理為整齊、有序及可提高建模效率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面平滑與光順優(yōu)化處理，消除錯(cuò)誤的三角形網(wǎng)格面片，提高模型重構(gòu)的質(zhì)量。經(jīng)軟件處理后的模型，存儲(chǔ)為STL格式文件，以備后續(xù)增材制造實(shí)驗(yàn)之用。圖5為Geomagic Studio軟件對(duì)“大衛(wèi)頭像”點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的模型效果。

圖4 Geomagic Studio數(shù)據(jù)處理流程

圖5 數(shù)據(jù)處理后的模型

3 增材制造實(shí)驗(yàn)

3.1 增材制造方式

增材制造大致分為以下5種方式：光固化成形（SLA）；疊層實(shí)體制造（LOM）；熔融沉積制造（FDM）；選擇性激光燒結(jié)（SLS）；三維印刷成形（3DP）。其原理都是對(duì)零件三維數(shù)字模型進(jìn)行分層切片，得到各層截面的二維輪廓，再將二維輪廓順序疊加成三維零件。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)設(shè)備環(huán)境的要求及實(shí)驗(yàn)效率、效益、噪音污染等方面考慮，熔融沉積制造（FDM）方式最適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.2 實(shí)驗(yàn)用材料

目前用于FDM增材制造的材料主要是有機(jī)高分子材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龍（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）等，具有硬度高、韌性好、塑性強(qiáng)等特點(diǎn)。從耐熱變形性能、成形穩(wěn)定性、加工性能等方面綜合考量，一般選擇PLA，而且PLA是一種環(huán)境友好型材料，來(lái)源于再生資源，無(wú)毒、無(wú)味、可降解，符合現(xiàn)代綠色制造的要求[16]。

3.3 FDM設(shè)備工作原理

圖6為我校擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HTS系列FDM設(shè)備工作原理簡(jiǎn)圖。計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿沿R方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)送料輥，將PLA絲料送入擠壓頭；由于電熱棒的加熱作用，擠壓頭中的絲料呈熔融狀態(tài)；熔融的絲料在轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿連續(xù)推擠下流向噴嘴；計(jì)算機(jī)針對(duì)零件的數(shù)字三維模型沿高度方向（Z向）的切片結(jié)果，將截面層的輪廓數(shù)據(jù)傳送至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)截面層的輪廓數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)成形頭及工作臺(tái)沿X-Y方向做合成運(yùn)動(dòng)，使絲料涂覆并凝固在工作臺(tái)基底紙板上，從而完成相應(yīng)截面層輪廓的涂覆；控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)成形頭上升一個(gè)截面層厚度（一般為0.1~0.2 mm），進(jìn)行下一層截面輪廓的涂覆；如此各層截面有序堆積，直至完成整個(gè)零件的堆積成形。

圖6 FDM設(shè)備工作原理簡(jiǎn)圖

3.4 FDM實(shí)驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括以下步驟：

（1）加工基底準(zhǔn)備。將270×240×1 mm的基底紙板，用雙面膠帶紙粘接到清潔的工作臺(tái)上。

（2）安裝PLA絲料。將卷筒狀的PLA絲料安裝在存儲(chǔ)輥上，并拖拽一端使其通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)中的送料輥、導(dǎo)向套進(jìn)入加熱腔。

（3）設(shè)備加電預(yù)熱。開機(jī)預(yù)熱設(shè)備5~10 min，然后檢查控制面板上擠壓頭的溫度上升至設(shè)定值。

（4）運(yùn)行軟件。啟動(dòng)控制軟件HTS，選擇硬件設(shè)置，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行硬件初始化，讀入準(zhǔn)備加工的STL格式的零件文件。HTS系統(tǒng)軟件具有對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單編輯、模擬加工、加工時(shí)間估計(jì)等功能。

（5）參數(shù)設(shè)置。在制作零件之前，必須對(duì)成形過(guò)程的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括“工件參數(shù)”和設(shè)備“速度參數(shù)”，如零件位置、層高等。

（6）支撐設(shè)計(jì)。根據(jù)加工零件的具體形狀，設(shè)置好支撐參數(shù)，系統(tǒng)將自動(dòng)生成零件支撐。

（7）生成填充數(shù)據(jù)。包括生成路徑及路徑檢查。

（8）加工前檢查。包括成形頭檢查和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)檢查。成形頭檢查就是檢查熔融的絲料是否能連續(xù)、順暢地從成形頭的下端噴嘴擠出；平臺(tái)運(yùn)動(dòng)檢查就是將成形頭X、Y、Z方向的坐標(biāo)調(diào)整到合適的位置。

（9）開始零件加工。點(diǎn)擊菜單欄上的“加工”按鈕，系統(tǒng)開始自動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行加工，圖7為HTS系列FDM加工設(shè)備。完成零件加工后，機(jī)器自動(dòng)停機(jī)。取出已加工好的零件，并對(duì)零件進(jìn)行后處理。

圖7 HTS系列FDM加工設(shè)備

4 結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)課程通過(guò)包括三維數(shù)字建模、模型數(shù)據(jù)處理、FDM加工零件增材制造的全過(guò)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)了學(xué)生在增材制造方面的技能訓(xùn)練，加深了學(xué)生對(duì)增材制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)與理解。其教學(xué)成效主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)或選擇零件模型，既體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)；

（2）該綜合實(shí)驗(yàn)將包括獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一些科研成果，轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成了自身特色；

（3）該實(shí)驗(yàn)課程已應(yīng)用于我校材料成形及控制工程專業(yè)本科教學(xué)中，效果良好；

（4）本實(shí)驗(yàn)除應(yīng)用于材料成形及控制工程專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)外，還可應(yīng)用于該專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)其他相近工程專業(yè)增材制造實(shí)驗(yàn)課程也有借鑒意義。

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Research on comprehensive teaching experiment for additive material manufacturing

YU Yanqin, WANG Xinyun, FAN Zitian

(School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the analysis of the technological process and the existing hardware and software conditions, 3D modeling and reverse engineering experiments and FDM experiments are designed. The principle, method and steps of the comprehensive teaching experiment of additive material manufacturing are described. Through the experimental teaching including 3D digital modeling, model data processing and the whole process of FDM processing parts, the students’ skill training in the aspect of additive material manufacturing has been strengthened, and their knowledge and understanding of such manufacturing technology has been deepened. Because students can design or choose the part models independently, it not only embodies the “student-centered” teaching idea, but also helps to cultivate students’ consciousness of scientific and technological innovation. Good results have been achieved in practical teaching application.

additive material manufacturing; 3D measurement; reverse engineering; fused deposition manufacturing

G423.31；TP391

A

1002-4956(2019)09-0164-05

2019-01-15

湖北省高校省級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2016070）；華中科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2016007）

俞彥勤（1963—），男，湖北武漢，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)椴牧暇艹尚喂に嚰澳＞咴O(shè)計(jì)。

E-mail: yuyq@hust.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.042