3D打印機教具

簡介

3D打印機是可以“打印”出真實3D物體的一種設備，功能上與激光成型技術一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體，與傳統的去除材料加工技術完全不同。把這種設備稱為“打印機”，是因為它分層加工的過程與噴墨打印機十分相似。3D打印機相對于其他的添加劑制造技術而言，具有速度快，價格便宜，易用性高等優點。

3D打印技術屬于當今世界的前沿科技領域，發達國家的中小學課堂上已經引入了這一技術。3D打印機是輔導學生科技創新的一件利器，但目前市場上的3D打印機成品價格太高，不利于推廣應用。所以，我開始自己研制3D打印機教具。經過一年多的努力，我的研究獲得成功，讓自己和身邊的科技輔導員、學生用上了低成本的3D打印機。

項目研究的基本思路

◇了解3D打印機的原理、功能、性能。了解國際國內3D打印技術的現狀、未來的發展趨勢。

◇進行設計、論證，確定制作方案。

◇按照方案制作購買材料、工具。

◇制作、調試設備。

◇試用。

◇根據反饋情況進行改進。

◇定型推廣。

3D 作品的制作

選擇設計軟件

市面常見作圖軟件中，AUTOCAD主要用于平面制圖，也可以用于三維制圖；3DMAX主要面向室內外裝飾制圖，三維功能較強；Pro/E和UG主要用于機械制圖。以上幾種專業的軟件均不太適宜中小學生使用。我經多方探索，最終選擇了草圖大師（Sketchup）作為設計軟件。草圖大師是一款面向設計過程的三維設計軟件，通過簡單的推拉建模，方便方案的快速表達，通過設置能輸出手繪風格的圖片。在實際的試用中發現，中小學生學用這款軟件時都很容易上手。

三維設計

3D打印的設計過程是：先通過設計軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用多個三角面來近似模擬物體的表面。每個三角面越小，其生成的物體表面精度越高。

工作步驟

3D打印采用了分層加工、疊加成型來完成3D實體打印。每一層的打印過程分為2步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，然后均勻地噴灑一層粉末，粉末遇到膠水會迅速固化，而沒有沾上膠水的粉末仍保持松散狀態。這樣一層膠水一層粉末交替地噴灑，實體模型就能“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環利用。自己制作的打印頭見圖1，打印機教具成品見圖2。

制作完成

3D打印機的打印精度對大多數應用來說已經足夠，要獲得更高表面精度的物品可以通過如下方法：先用3D打印機打出稍大一點的物體，再將其表面稍加打磨即可得到表面光滑的高精度物品。有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的材料（如可溶材料）作為支撐物。打印成品見圖3。

我的部分創新

對打印平臺的改進

在打印過程中，為了提高精度，每一層的厚度都不到1mm。由于厚度太小，打印材料又會熱脹冷縮，打印的第一層很難做到鋪平，因為打上層的時候，下層由于溫度降低會收縮，導致其脫離打印平臺，從而打印過程中經常出現成品凸凹不平的問題。

我試了很多材料，最后找到了芙蓉板。因為芙蓉板由纖維絲壓成，上邊有不少毛細孔，用它制作打印平臺，第一層擠出的料會滲入毛細孔并緊密咬合，不易出現脫離現象。圖4就是用芙蓉板作平臺打出的作品，可看出其底面非常平整。

對擠出頭的改進

使用常規擠出頭時，打印時出絲不流暢、不易成型，容易出現空心等瑕疵。擠出頭改進后，彈性可調，所以打出的作品成型好。

對程序的調整

程序調整前，擠出機收邊不好，成品會出現毛邊現象，我為此調整了打印程序，改進回程時的數據冗余，并調整了同步帶張緊程度和角度。

教具的使用情況和進一步完善的設想

經過在作者實驗室中的試用和在全國60多所學校半年多的使用，證明我的設計科學合理，能解決實際教學中的問題。下一步打算制定標準，開發模具，向更大的范圍推廣。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，在通常的3D打印機結構改進上有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。項目資料齊全，研究報告書寫規范。展板內容齊全，選手答辯語言流暢。希望能在配套軟件方面加以改進，使操作更為便捷。