3D打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助三維造型制作課程中的應(yīng)用

麥海英 陳威

一、引言

3D打印，又稱(chēng)為增材制造、快速成型，是一種以3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏結(jié)材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造實(shí)體的技術(shù)。3D打印技術(shù)作為快速成型領(lǐng)域的一種充滿(mǎn)活力并具有巨大市場(chǎng)的一種新興技術(shù)，目前正成為一種迅猛發(fā)展的潮流。特別是從2012年以來(lái)，3D打印已成為熱門(mén)的科技概念，小到戒指、杯子，大到無(wú)人飛機(jī)、汽車(chē)，3D打印的產(chǎn)品越來(lái)越多，從生產(chǎn)到生活，從工業(yè)到民用，從高端到大眾，3D打印正在將“所想即所得”變成現(xiàn)實(shí)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及先進(jìn)技術(shù)在生活、科研等方面的廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)校紛紛將現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)3D打印技術(shù)引入學(xué)校。我校作為第二批國(guó)家立項(xiàng)改革建設(shè)示范學(xué)校，順著這股東風(fēng)，學(xué)校買(mǎi)回了10臺(tái)型號(hào)為GCY75打印機(jī)（融熔材料三維打印機(jī)），學(xué)校開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助三維造型制作這門(mén)課程，3D打印技術(shù)在中職學(xué)校教學(xué)中的應(yīng)用還是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，有許多問(wèn)題值得去研究。

本文通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助三維造型制作課程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。學(xué)生通過(guò)Pro/E設(shè)計(jì)出的虛擬作品利用3D打印機(jī)制作出實(shí)物，這樣有助于營(yíng)造出一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

二、3D打印設(shè)備及工藝

1.3D打印設(shè)備

學(xué)校引進(jìn)的是超軟公司生產(chǎn)的GCY75型號(hào)打印機(jī)（第二代機(jī)子），圖1所示的是GCY75型號(hào)打印機(jī)外形圖。GCY75型號(hào)打印機(jī)打印的材料有PLA和ABS，可以依據(jù)打印模型的性能需要來(lái)進(jìn)行選擇相應(yīng)的材料。打印的模型規(guī)模最大的可達(dá)到350mmx150mmx135mm。該設(shè)備設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，操作也很方便，只需要打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以快速地打印模型，最后獲得模型實(shí)物，所以非常適合學(xué)生實(shí)踐操作訓(xùn)練。并且該設(shè)備成本比較低，打印材料價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是很好的教學(xué)設(shè)備。

2.3D打印機(jī)的工藝過(guò)程

目前，快速成型的工藝主要以5種工藝為主，融熔沉積成型，選擇性激光燒結(jié)，光固化成型，分層實(shí)體制造，多頭噴射技術(shù)。不同類(lèi)型的打印機(jī)有著不同的成型方式和打印過(guò)程，需要的打印材料也不盡相同。GCY75型號(hào)打印機(jī)采用的工藝是融熔沉積成型（FDM），3D打印時(shí)首先要對(duì)零件的三維CAD模型轉(zhuǎn)換為STL格式，再通過(guò)GCY75型號(hào)打印機(jī)自帶的GCY三維打印系統(tǒng)軟件GCY3DPRZNT生成G代碼，也就是按照設(shè)定的厚度進(jìn)行分層切片處理，生成控制噴頭的移動(dòng)軌跡。噴頭在電腦的控制作用下，按照生成G代碼噴頭移動(dòng)軌跡的二維幾何信息運(yùn)動(dòng)，送絲機(jī)構(gòu)將絲狀的熱塑性材料通過(guò)噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴，材料以一定的壓力擠壓出來(lái)，同時(shí)噴頭在同一水平面上移動(dòng)，被擠壓出來(lái)的材料與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面打印完成后，工作臺(tái)就會(huì)垂直下降一個(gè)層的厚度，這樣層層堆積，直到完成整個(gè)三維造型制作。

3D打印成型過(guò)程如下：

3.三維造型制作教學(xué)案例

在這門(mén)課程中，三維制作的主要內(nèi)容是：熟練應(yīng)用GCY75型號(hào)打印機(jī)自帶的GCY三維打印系統(tǒng)軟件GCY3DPRZNT和掌握GCY75型號(hào)打印機(jī)三維造型制作的步驟，需要導(dǎo)入的三維模型是由學(xué)生用Pro/E軟件自己進(jìn)行設(shè)計(jì)并另存為STL格式文件。

現(xiàn)以GCY75型號(hào)打印機(jī)及自帶的GCY三維打印系統(tǒng)軟件GCY3DPRZNT操作，以打印筆筒為例，具體步驟如下：

（1）打開(kāi)GCY75型號(hào)打印機(jī)的開(kāi)關(guān)上電，接上打印機(jī)和電腦連接的數(shù)據(jù)通訊線。

（2）打開(kāi)GCY三維打印系統(tǒng)軟件，設(shè)置串口號(hào)，單擊鏈接設(shè)備，使打印機(jī)和電腦處于鏈接狀態(tài)。

（3）設(shè)置尺寸操作：回限位點(diǎn)操作，XYZ三軸分別壓到限位開(kāi)關(guān)后，手動(dòng)移動(dòng)三軸到工作臺(tái)中心位置，并定位噴嘴與工作臺(tái)0.5毫米的距離設(shè)置為零點(diǎn)；接著分別點(diǎn)擊XYZ三軸尺寸，最后按設(shè)置尺寸，完成噴頭的尺寸設(shè)置。

（4）裝材料：先設(shè)置擠出機(jī)（200～240）與熱床溫度（70～100），當(dāng)噴嘴溫度與平臺(tái)溫度達(dá)到一致時(shí)即可安裝打印材料，然后點(diǎn)擊擠出按鈕，這時(shí)輕壓材料直至噴嘴有材料順暢流出。

（5）參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)擊配置參數(shù)，進(jìn)行編輯配置，編輯完畢后單擊Save ALL保存。

（6）導(dǎo)入三維模型：?jiǎn)螕魧?dǎo)入模型（把事先已設(shè)計(jì)好的筆筒三維模型STL格式文件導(dǎo)入軟件中），單擊將三維模型放在打印區(qū)域的最佳位置，再單擊三維模型生成GCode模型。

（7）單擊開(kāi)始打印即可。最終打印出來(lái)的筆筒及后處理之后的筆筒如圖3、圖4所示。

三、結(jié)語(yǔ)

基于3D打印技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助造型設(shè)計(jì)與制作課程將讓學(xué)生受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.營(yíng)造了真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境

3D打印技術(shù)學(xué)名快速成型技術(shù)，直接從計(jì)算機(jī)數(shù)字模型快速打印成真實(shí)的三維模型。3D打印技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助三維造型制作課程中運(yùn)用3D打印，為學(xué)生創(chuàng)造了真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境。3D打印使學(xué)生成功地實(shí)現(xiàn)了三維造型設(shè)計(jì)與制作于一體化的同時(shí)，也解決了Pro/E中三維造型“看得見(jiàn)、摸不著”的問(wèn)題。學(xué)生的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力

計(jì)算機(jī)輔助三維造型制作課程在教學(xué)中應(yīng)用3D打印，學(xué)生利用Pro/E設(shè)計(jì)出的三維造型可以直接制作出實(shí)物模型。3D打印將“所想即所得”變成現(xiàn)實(shí)，這樣激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，可以結(jié)合感興趣的實(shí)物，自主地設(shè)計(jì)出創(chuàng)意模型，并通過(guò)3D打印機(jī)打印出實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的連接，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.加深了學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)

在教學(xué)中應(yīng)用3D打印，可讓學(xué)生掌握三維CAD技術(shù)（Pro/E軟件）、熔融沉積成型（FDM）等先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和制作技術(shù)，同時(shí)使學(xué)生了解3D打印前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)模型的設(shè)計(jì)、加工制作過(guò)程有更全面更深入的認(rèn)識(shí)，也擴(kuò)展了學(xué)生的視野。