3D打印在大學生創新實驗中的應用研究

高 奇，曾 紅，張德強

（遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001）

3D打印技術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黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的新型的快速成型技術，3D打印是“第三次工業革命最具標志性的生產工具”，在產品設計、建筑、航空航天、醫學、教育等領域具有廣闊的應用空間［1－3］。隨著3D 打 印技術的發 展，3D 打 印 在 教 育 領域中的應用受到研究者的關注，正帶來教學、學習和研究領域的創新。大學生創新是一個民族的靈魂，是社會發展的不竭動力，而制造業是國民經濟的基礎，是國家安全的保障，是國家競爭力的重要體現，現代制造技術水平的高低已成為一個國家經濟發展的主要標志［4－6］。3D打印技術將帶給現代制造技術深刻的影響，本文以大學生創新創業項目為依托，闡述3D打印技術在高校創新實驗中的應用。

1 創新實驗條件

實驗室現有實驗設備有非接觸式REVscan自定位手持式三維激光掃描儀、西安交通大學SPS450B快速成型機、ZK500硅膠注型機、噴砂機等。大學生創新性實驗的開設以項目驅動為主導，服務于創新產品的快速設計與制造，給學生直觀的樣機體驗，激發學生的創新思維和創新意識，提高創新能力和實踐能力。實驗項目開設方式有：

（1）課程實驗。圍繞“先進制造技術”、“機械原理”、“機械創新設計”等課程相關內容，開設課程創新實驗，鼓勵學生完成機械類零部件創新設計和3D打印。

（2）創新大賽。如國家級的“挑戰杯”大賽、機械設計創新大賽、大學生工程訓練能力競賽，指導學生進行創新產品設計和3D打印物理樣機的調試。

（3）開放實驗。包括手機外殼、葉片、法蘭盤等零件的逆向工程與3D打印，學生也可自主選題。

2 創新實驗項目案例分析

以遼寧省大學生創新創業訓練項目“3D打印的汽車起動機殼體”為例，學生在經過相關課程的理論學習和實驗設備的培訓后，以創新團隊為小組的模式進行任務設計、分工，保證項目的實施，具體的工藝流程如下。

2.1 三維建模

三維模型是3D打印的基礎，通常可以有2種方式來獲得三維模型。

第一種正向造型，可使用Pro/E、SolidWorks、UG等主流軟件按照起動機殼體的零件圖尺寸要求來精確地創建三維模型，如圖1所示。端蓋一般分為2部分（前端蓋和后端蓋），起固定轉子、定子、整流器和電刷組件的作用。端蓋一般用鋁合金鑄造，一是可以有效地防止漏磁，二是鋁合金散熱的性能好。

圖1 三維模型

第二種可通過逆向工程技術［7－9］，使用非接觸式REVscan自定位手持式三維激光掃描儀對殼體零件進行數據采集，通過軟件來對獲取的點云數據進行擬合、光順等一系列處理后，同樣獲得3D打印所需要的三維模型，如圖2所示。

圖2 逆向工程

2.2 分割三維數據成二維

3D打印的實質是2D打印的逐層疊加，把起動機殼體的三維模型導入分層處理軟件，將整個三維模型沿水平方向“切割”成一定數量的二維薄片，設定每層厚度（0.1mm）。從理論上講，厚度設定的越小，分割的層數越多，臺階效應越小，那么將來打印出的產品尺寸也就越接近于原始設計數據，精度越高，如圖3所示。

圖3 分層及設定支撐

隨后設定支撐，在端蓋成型過程中，由于未被激光束照射的部分材料仍為液態，它不能使制件界面上的孤立輪廓和懸臂輪廓定位，因此必須設計一些細柱狀或肋狀支撐結構，并在成型過程中制作這些支撐結構，以便確保制件的每一結構部分都能可靠固定，同時也有助于減少制件的翹曲變形。最后，通過仿真觀察它的成型過程并輸出數據。

2.3 3D打印

將分層處理好的數據導入到3D打印機的控制軟件中，設定打印參數就可以執行打印過程了。目前，3D打印比較成熟的方法有：光固化成型、分層實體制造、選擇性激光燒結、熔融沉積成形［10－12］。

本實驗使用的這臺設備（SPS450B快速成型機）是基于光固化成型原理的3D打印機，計算機控制激光束對作為原料的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，這樣就形成零件的一個薄層。

隨后工作臺下移一個層厚的距離，刮板將黏度較大的樹脂液面刮平，然后進行下一層的掃描加工，如此反復，直到整個原型制造完畢。經過一段時間后，一個完整的起動機殼體便制造出來，如圖4所示。3D打印好的零件經過固化、去除支撐，清洗、修整、上色等操作后，就可以實驗使用了。

圖4 3D打印

通過汽車起動機殼體的3D打印過程，證明了該技術的突出的優點，無需準備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產品設計（CAD）數據，通過該數據直接驅動3D打印系統生產出任意復雜形狀三維物理實體，并可以進行快速模具制造，極大地縮短了產品的生產周期。區別于傳統的“減材制造技術”，可以提高原材料的利用率，降低生產成本。

3 3D打印創新實驗應用分析

3.1 教與學的創新

3D打印將抽象概念和設計引入現實世界，對教學內容中的某些科學過程或抽象概念進行可視化展現，使學習者獲得更多的認知體驗，將數字模型轉化為可觀察、可觸摸的實體模型，提高思維能力，促進學習者立體化地獲取和理解知識，拓展創造性思維，從而提高學習效果。

3D打印在知識和技能、理論和現實之間架起了橋梁，豐富了學生的學習體驗，為教師講解該內容提供了一種更直觀的“觸覺教學”方法。

3.2 團隊創新能力的培養

各項創新大賽及實驗項目的實施，為3D打印技術的推廣提供了廣闊的空間。產品從設計到打印、裝配、調試，都需要學生參與完成，將促進學習者操作能力、制作能力和團隊協作創新能力的發展，學習者可以從設計、制作、展示、參與等角度融入學習過程中，有效地激發學生實踐的積極性，提高學習熱情。培養學習者的創新性和創造力。

4 結論

通過3D打印技術在汽車起動機殼體中的應用，對3D打印技術在大學生創新實驗中的教學方法和作用進行了研究，結論如下：

（1）實驗教學過程中，通過理論講解和現場案例演示的實驗指導，讓學生團隊基于項目驅動的創新實驗參與實驗室的創新活動，在實驗過程中，讓學生掌握從三維掃描到3D打印獨立完成，可培養學生的實踐能力和創新能力。

（2）實驗設備的使用，REVscan激光掃描儀完成實體掃描，通過后處理創建三維模型，送入到SPS450B快速成型機中完成3D打印過程，完成一體化設計與制造，實驗內容體現了先進制造技術的最新發展趨勢，可見在現代機械工業中3D打印具有良好的應用空間。

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