3D打印實訓(xùn)項目在機械工程創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用

周渝明 閻漢生 何軍擁

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力，基于3D打印增材制造技術(shù)開展了工程實踐訓(xùn)練項目，學(xué)生通過創(chuàng)意設(shè)計、零件數(shù)字化建模、3D打印增材制造、裝配等環(huán)節(jié)的培訓(xùn)，開闊了視野，提高了動手能力，為構(gòu)建新型機械工程實踐教學(xué)體系奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三維打印;機械工程;實訓(xùn)項目

3D打印技術(shù)是當(dāng)下的一種新型快速成型技術(shù)，然而其實早在上世紀(jì)90年代這門技術(shù)就有了雛形。這門技術(shù)即是在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上，以微小直徑顆粒金屬或聚乙烯材料進行高度方向的堆砌。（即“積層造形法”）。這一技術(shù)過去幾十年一般用在模型的鑄造或者工業(yè)設(shè)計中模型的搭建。而如今科技進步下已經(jīng)被用在各個行業(yè)的直接生產(chǎn)中。在機械工程的實踐教學(xué)，要求理論知識的完備與實踐操作能力相結(jié)合，而在實踐教學(xué)中，3D打印實訓(xùn)項目的建設(shè)，可以提供非常好的輔佐。從而提高機械專業(yè)實踐教學(xué)的課程質(zhì)量。[1]

一、結(jié)合3D打印技術(shù)的機械專業(yè)教學(xué)

我們使用3D軟件（Pro/e、UG、Slidworks等）來構(gòu)建一個經(jīng)典的模型，然后將其導(dǎo)入3D打印機打印出實體模型，以便學(xué)生可以更直觀地觀察模型，便于修改和優(yōu)化模型，這有利于課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)。

二、3D打印技術(shù)簡介

“3D打印”技術(shù)是1990年代開發(fā)的先進制造技術(shù)。它的開發(fā)過程經(jīng)歷了多個階段，過程可以大概總結(jié)為“孕育期-快速原型-直接增材制造”。它是CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、新材料、精密伺服驅(qū)動技術(shù)與激光技術(shù)的集成，它不同于傳統(tǒng)的減法加工技術(shù)，從多到少，從粗到精，對工件毛坯或半成品進行加工，并逐步滿足模型的技術(shù)要求。它是將計算機上設(shè)計的三維數(shù)字化模型進行分層切片，再根據(jù)分層結(jié)果，一層一層地逐步積累材料，最終形成三維實體，以滿足圖案技術(shù)的指標(biāo)要求。將3D制造簡化為3D加工的想法是制造業(yè)向前邁出的一大步。[2]使用RP技術(shù)可以處理任何復(fù)雜表面的工件，而不需要考慮從逐層疊加到零件的整個過程，從而大大降低了新產(chǎn)品的成本與開發(fā)周期。目前，“3D打印”技術(shù)是一個世界性的研究領(lǐng)域。受到了航空航天、汽車工業(yè)、模具工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品、玩具、人體工程學(xué)、服裝、數(shù)字博物館、藝術(shù)品仿造、人體組織損傷修復(fù)等各行業(yè)廣泛的應(yīng)用。PR技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，應(yīng)用的途徑也各異萬千。因此，3D打印技術(shù)實訓(xùn)項目的開設(shè)不可或缺，理工科的學(xué)生如果能夠掌握這一技術(shù)，那么在很大意義上也說明他能夠滿足大規(guī)模工程和大規(guī)模制造在工程教育背景下的需求。并達到產(chǎn)業(yè)對高創(chuàng)新能力人才的要求，適應(yīng)這個競爭激烈行業(yè)的壓力。自本世紀(jì)初以來，各大院校工程培訓(xùn)中心時時都在推動這項先進技術(shù)與學(xué)生工程訓(xùn)練的結(jié)合。

三、3D打印技術(shù)對機械生產(chǎn)行業(yè)的影響

3D打印技術(shù)通過高度方向的材料堆積完成生產(chǎn)，首先利用計算機對生產(chǎn)對象進行數(shù)字建模，然后將其分層疊加轉(zhuǎn)換為適用于各行業(yè)的3D實體模型。縱觀傳統(tǒng)的工業(yè)加工過程所存在的弊端，通過3D打印技術(shù)可以完美解決。所以三維打印技術(shù)在機械生產(chǎn)行業(yè)受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，使機械生產(chǎn)行業(yè)得到了穩(wěn)步的發(fā)展。[3]

（一）縮短機械工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)周期

機械工業(yè)產(chǎn)品一般來說，對于產(chǎn)品的質(zhì)量要求一直都比較高，因此在機械工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)生產(chǎn)過程中，首先就需要做好產(chǎn)品的市場調(diào)研工作，以便對產(chǎn)品的各項情況，有充分的了解和認(rèn)知，而這就容易導(dǎo)致機械工藝產(chǎn)品的研發(fā)周期被拉長，其對于產(chǎn)品研發(fā)工作的有序?qū)嵤嶋H上是極為不利的。但是3D打印技術(shù)的應(yīng)用則使得相關(guān)問題迎刃而解。機械工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)需要不斷的創(chuàng)新，也需要保證產(chǎn)品的精密程度。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)計師的設(shè)計思想到產(chǎn)品的快速實現(xiàn)。在此過程中，設(shè)計師可以有更大的設(shè)計空間，修改和重組產(chǎn)品以實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。同時，由于3D打印技術(shù)設(shè)計模型的有效功能，設(shè)計人員可以在項目過程中的任何時間實踐他們的設(shè)計思想，并證明了3D打印可以實現(xiàn)虛擬模型到現(xiàn)實產(chǎn)品的完美轉(zhuǎn)化。可以在不進行市場考察和市場調(diào)研的情況下隨意修改模型，節(jié)省了大量產(chǎn)品研發(fā)過程中的寶貴時間。

（二）有助于機械工程產(chǎn)品設(shè)計理念的創(chuàng)新

傳統(tǒng)的預(yù)處理方法對機械制造企業(yè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求很高。這就要求企業(yè)為產(chǎn)品的生產(chǎn)建立幾種結(jié)構(gòu)，這就增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的經(jīng)濟效益。公司的發(fā)展將不可避免地受到更大的制約，重大案件將導(dǎo)致公司破產(chǎn)。三維打印技術(shù)的應(yīng)用很好地幫助了機械工程公司解決了這個問題。利用三維打印技術(shù)生產(chǎn)機械工程產(chǎn)品不需要太多人力，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，加工零件的穩(wěn)定性和集成度高于傳統(tǒng)的零件加工方法。同時，利用三維技術(shù)生產(chǎn)機械工程產(chǎn)品，極大地方便了零件的設(shè)計和加工，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。比如航空零件的生產(chǎn)，產(chǎn)量很小，但是對產(chǎn)品的生產(chǎn)有極高的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，航天航空零部件的物理外形千萬種，每種形狀的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)工藝各不相同。制造難度極高。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程中，需要數(shù)百道工藝的往復(fù)循環(huán)才能生產(chǎn)出少量達到標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，而在3D打印技術(shù)的加持下，模具的生產(chǎn)依舊是建模打印的步驟[4]。

（三）節(jié)省企業(yè)科研開支

機械工程產(chǎn)品的自動化和智能化生產(chǎn)是機械工程制造的重要組成部分。使用傳統(tǒng)的加工和生產(chǎn)零件的方法進行生產(chǎn)需要很長時間。它還需要使用多種設(shè)備進行輔助生產(chǎn)，例如夾具、機床等。一方面降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。產(chǎn)品一旦生產(chǎn)，市場需求可能會在很短時間發(fā)生變化，這不利于企業(yè)的產(chǎn)業(yè)競爭;另一方面，產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊達不到市場要求，產(chǎn)量也難以與市場匹配。檢驗，如果檢驗不合格，必須退回工廠進行更正，這一過程無疑是生產(chǎn)周期的不定因素。3D打印技術(shù)在該方面具有非常突出的優(yōu)勢，不需要返場只需要不斷進行模型的改變就可以逐漸匹配要求。3D打印技術(shù)，不僅可以提高工業(yè)生產(chǎn)的速度，計算機精密測算的條件下，產(chǎn)品的質(zhì)量，精度也都得到了提升。修改時間很短，節(jié)省了人力、物力、財力等，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。此外，還可以省略許多傳統(tǒng)的處理程序，并使用3D打印技術(shù)計算機程序進行控制，從而促進機械工程產(chǎn)品生產(chǎn)中自動化和智能化的發(fā)展。

除了以上優(yōu)勢之外，3D打印實訓(xùn)項目在機械工程創(chuàng)新實踐教學(xué)中有效應(yīng)用，也一定程度上降低了實訓(xùn)的難度，激發(fā)了學(xué)生參與各類實訓(xùn)項目的積極性，其對于教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展有著較為積極的促進作用，使得相應(yīng)的教學(xué)工作得以朝著更好的方向發(fā)展。比如說，過去實踐教學(xué)實施過程中，有些實踐項目由于比較復(fù)雜，課堂上的教學(xué)條件有限，實施難度大，因此往往難以在課堂上直觀的呈現(xiàn)，但是在應(yīng)用了3D打印實訓(xùn)項目之后，相關(guān)問題則得到了有效的解決，學(xué)生的實踐平臺得以不斷擴寬。

四、3D打印技術(shù)在機械教學(xué)中的應(yīng)用

（一）在機械教學(xué)中使用FDM桌面型3d打印技術(shù)進行實驗設(shè)計

實驗采用太爾時代公司生產(chǎn)的“up_box”FDM桌面型3D打印機。該設(shè)備具體的3d打印過程為：（1）打開計算機和3d打印機后置開關(guān)。打印機熱床下方的led燈以橘色點亮。這表示設(shè)備正常開啟。（2）在計算機桌面上雙擊up_studio程序的快捷方式，啟動3d打印模型處理和切割程序，以備處理模型。（3）開始軟件后，鼠標(biāo)點擊該軟件的左欄up字樣圖標(biāo)，進入該程序窗口的操作界面，然后在該窗口中點擊初始化圖標(biāo)。這時，打印機熱床從打印機的底部移動到中間，發(fā)出咕嘟的響聲。初始化之后，熱床下led指示燈變成綠色，代表初始化完畢，等待打印工作。（4）將stl格式文件導(dǎo)入程序中，鼠標(biāo)單擊旋轉(zhuǎn)圖標(biāo)來調(diào)整模型方向，然后單擊縮放、移動和放置模式（如需改變大小），也可單擊添加/減號圖標(biāo)，以放大或縮小模型。在完成加載和放置模型后，單擊“打印”按鈕，就會出現(xiàn)一個配置窗口。根據(jù)模型特征來選擇層厚、填充方式、打印質(zhì)量。同時判定是否選擇底座，是否采用薄壁模型。結(jié)合本次要打印的模型（軸承），打印設(shè)備不選用任何支架，非薄壁打印和打印底座。配置好后，點擊“打印”按鈕，軟件會根據(jù)前述設(shè)置參數(shù)將模型切割分層，計算出所需時間和材料的重量，完成后進入自動打印階段。打印完成后，取下熱隔板，用鏟子將模型取下，剝?nèi)サ鬃纯赏瓿勺罱K的軸承模型生產(chǎn)。

（二）在機械教學(xué)中使用三維打印技術(shù)的應(yīng)用能力支持

常用的臺式三維打印機模型分層軟件，在支撐和優(yōu)化上比較弱。支持本機的up_studio軟件也是如此。打印模型時，軟件可以選擇是否自動添加支撐。如果需要添加或減少支撐的數(shù)量，則可以改變支撐的范圍角度。對于軸承的打印，由于軸承里的珠子與軸承內(nèi)、外圈間僅為點接觸，珠子打印過程中材料處于在空中懸浮狀態(tài)，所以必須加上支撐。如果軟件自身增強支撐，則在打印完成后，珠子將彼此粘貼，或者在打印過程中珠子移動，而不能形成一個完整的部件。在建立軸承模型時，直接繪制支架為一部分，在打印過程中，點擊“無支撐打印”。這使軸承部件能夠成功地打印，但支架的形狀和類型還必須按照型號設(shè)計。打印軸承采用了四種支架方式：無支撐的自動扶柱、無支撐的扶柱、立柱和環(huán)狀支撐。其中環(huán)狀支撐效果最好，最后打印完成模型，在其他形式下，珠子被移動和打印都失敗了。根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)的特點，在模型打印時，由于滾珠存在，必須加強支撐設(shè)計。圓柱形的支撐和球體之間的接觸很小，這有助于球打印及支撐去除;環(huán)形支持固定在與球接觸的區(qū)域，并在打印時支撐球以保證對其的修復(fù)。

五、3d打印實訓(xùn)項目建設(shè)思路

在計算機輔助設(shè)計模型文件的基礎(chǔ)上，通過高溫熔化、固化金屬或塑料等可粘合材質(zhì)，逐層對三維部件進行原型打印。有四個典型的代表工藝：光敏樹脂固化成型（sla）、選擇激光粉末燒結(jié)成型（sls）、層壓成型（lom）和熔絲堆疊成型（fdm），其中fdm熔絲堆疊成型（fdm）發(fā)展很快，因其操作便于維護、簡單、成本低，可制造復(fù)雜度高的諸多的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高校工程訓(xùn)練領(lǐng)域。FDM熔絲堆疊成型的過程是：熱熔嘴由電腦控制，在X-Y方向做平面運動，ABS或PLA材質(zhì)塑料絲通過熱熔腔加熱，熔融后經(jīng)噴嘴擠出并逐層堆疊成型，直到打印完成。

結(jié)論：3D打印作為一種新型的智能制造技術(shù)，可以引入對機械專業(yè)學(xué)生的專業(yè)教育，實踐教學(xué)可以將課程中的文本知識轉(zhuǎn)化為實際操作，提高學(xué)生操作能力與學(xué)習(xí)熱情，開闊視野，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計與創(chuàng)新意識，增加學(xué)生就業(yè)機會。教師應(yīng)充分把握打印對象和3D打印機設(shè)備的特點，合理優(yōu)化打印過程，特別是匹配設(shè)計，總結(jié)技能，確保實踐過程中設(shè)備正常工作。

參考文獻：

[1]周玉環(huán).3D打印技術(shù)對機械工程的影響探析[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018：70-71.

[2]白鶴，陳濤，周有源，王核心，何石磊.3D打印技術(shù)在高職機械教學(xué)中的實踐及應(yīng)用技巧[J].電工技術(shù)，2018：100-101+103.

[3]林宗德.3D打印技術(shù)在機械創(chuàng)新實驗教學(xué)的應(yīng)用研究[J].機械管理開發(fā)，2019：159-160.

[4]孫倫業(yè)，張新.3D打印實訓(xùn)項目在機械工程創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用??[J].《考試周刊》，2016：109-110

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