3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目建設(shè)的探索與實(shí)踐

楊 洋,周 亮,李曉春

（吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,長(zhǎng)春 130025）

3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目建設(shè)的探索與實(shí)踐

楊 洋,周 亮,李曉春

（吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,長(zhǎng)春 130025）

為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)行了3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的建設(shè)，學(xué)生通過(guò)概念設(shè)計(jì)、三維建模、格式轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理、制造零件原型的全過(guò)程，加深了對(duì)生產(chǎn)工藝知識(shí)的了解，提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

3D打印；工程訓(xùn)練；創(chuàng)新

0 引 言

工程實(shí)踐教學(xué)作為高等院校培養(yǎng)工程類人才的重要環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)工藝知識(shí)，開創(chuàng)創(chuàng)新思維，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力和工程意識(shí)，鞏固及加深理論知識(shí)具有重要作用[1]。工程訓(xùn)練課程體系在不斷地創(chuàng)新與改革，從傳統(tǒng)的技能訓(xùn)練逐步拓展為先進(jìn)的制造技術(shù)，加強(qiáng)了新工藝、新技術(shù)、新材料的實(shí)踐內(nèi)容，并注重學(xué)科交叉，注重培養(yǎng)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)能力、獨(dú)立自主的設(shè)計(jì)與制作能力[2]。我校工程訓(xùn)練中心為順應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展開發(fā)創(chuàng)建了3D打印訓(xùn)練模塊。

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)零件制造方法，不需機(jī)械加工或任何模具，它是以CAD模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造零件原型。3D打印技術(shù)可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱鳌⑿庐a(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段[3]。建設(shè)3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目，可以讓學(xué)生了解前沿制造技術(shù)，掌握從概念設(shè)計(jì)到原型制造的一般工藝流程，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

1 建設(shè)內(nèi)容

1.1 設(shè)備選型

中心購(gòu)買的是北京太爾公司生產(chǎn)的up便攜式桌面3D打印機(jī)，up使用的材料是ABS成型材料，該成型材料使模型尺寸穩(wěn)定，且堅(jiān)固耐用。

圖1 up三維打印機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工藝過(guò)程及原理

3D打印技術(shù)的工藝方法目前有幾十種，其中具有代表性的工藝方法是：液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型、分層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積成型。up采用的工藝是FDM熔融沉積成型，其工藝過(guò)程是：噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)計(jì)算機(jī)給出的截面輪廓信息，做x-y-z運(yùn)動(dòng)。絲材（如塑料絲）由送絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱、熔化，選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，并快速冷卻固化，一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，再進(jìn)行后一層的涂覆，如此循環(huán)直到形成三維產(chǎn)品。

圖2 熔融沉積成型FDM工藝原理示意圖

3D打印的工藝過(guò)程分以下幾個(gè)步驟：

（1）CAD建模 由CAD軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型。

（2）格式的轉(zhuǎn)換 采用STL格式的文件轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將3D實(shí)體用小三角形進(jìn)行逼近，形成STL格式近似模型文件。

（3）分層 將3D模型沿Z向離散為一系列2D層片。

（4）處理層面信息 根據(jù)分層的輪廓信息，規(guī)劃工藝，進(jìn)一步選擇加工的參數(shù)，生成數(shù)控加工代碼。

（5）打印模型。

（6）后處理 清理零件表面，去除輔助支撐結(jié)構(gòu)，僅需要幾min到15 min 的時(shí)間，剝離支撐后模型即可使用。

1.3 教學(xué)方案

根據(jù)學(xué)生的專業(yè)，制定出三種有針對(duì)性的教學(xué)方案：

（1）非機(jī)類學(xué)生（2學(xué)時(shí)）重點(diǎn)講解3D打印的概念以及常見的幾種成型方法原理與過(guò)程，3D打印技術(shù)應(yīng)用。目的是使學(xué)生了解3D打印技術(shù)的工藝原理與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新思維。非機(jī)類學(xué)生由于時(shí)間短，訓(xùn)練項(xiàng)目多，只能演示3D打印機(jī)的工作過(guò)程，制作演示件。

（2）機(jī)類學(xué)生（8學(xué)時(shí)）重點(diǎn)介紹3D打印技術(shù)的基本原理與概念、制造的工藝過(guò)程及其應(yīng)用，講解典型的幾種成型方法。要求學(xué)生牢固掌握3D打印的原理；進(jìn)一步了解3D打印技術(shù)的加工過(guò)程；了解3D打印技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，掌握3D打印設(shè)備的使用方法。

訓(xùn)練內(nèi)容：做出創(chuàng)意設(shè)計(jì)方案—設(shè)計(jì)圖紙—利用三維軟件畫出三維模型—掌握三維打印機(jī)的操作步驟（開機(jī)、裝材料、機(jī)器維護(hù)等）—導(dǎo)入stl文件—參數(shù)設(shè)置—制作自己設(shè)計(jì)的零件。

圖3 學(xué)生打印作品

2 結(jié)語(yǔ)

3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的建設(shè)將有助于加深學(xué)生對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)，其中包括了CAD/CAM技術(shù)、CNC技術(shù)、激光技術(shù)、新材料技術(shù)及逆向工程等，使學(xué)生了解先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[1]楊洋，曲曉海，李曉春.車床主軸箱虛擬拆裝系統(tǒng)在拆裝實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝配制造技術(shù)，2013（07）.

[2]張國(guó)玲，吳濤，張功國(guó).快速成型訓(xùn)練項(xiàng)目的建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011（07）.

[3]鄭紅梅，高正一.工程實(shí)踐訓(xùn)練中的快速原型制造技術(shù)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（01）.