高校3D打印創新實驗室建設與實驗教學研究

章 偉，羅茂元，周 萍

（四川城市職業學院 汽車與信息工程學院 四川 成都 610101）

高校3D打印創新實驗室建設與實驗教學研究

章 偉，羅茂元，周 萍

（四川城市職業學院 汽車與信息工程學院 四川 成都 610101）

3D打印技術正在迅速崛起，成為未來制造業的重要組成部分。為了培養學生的工程實踐能力和創新思維能力，了解和掌握先進數字化技術，提出了高校創新型3D打印實驗室的建設方案和開放性使用方案，并以汽車專業為例，對基于3D打印的實驗教學進行了研究。基于3D打印的實踐活動，有助于學生掌握專業知識和技能，加深對3D打印技術的認識和理解，同時也有助于提高學生運用先進設計和制造技術的能力。

3D打印；創新實驗室；開放性使用方案；高校；實驗教學

1 引言

3D打印技術（3 Dimensional Printing），是一種新型的增材制造（material additive manufacturing）快速成型技術，它以數字化模型為基礎，運用粉末狀金屬、塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體[1]。由于在制造工藝方面的創新，3D打印被認為是“第三次工業革命最具標志性的生產工具”。3D打印大大降低了設計與制造的復雜度，其未來發展將使大規模的個性化制作與生產成為可能，在工業設計、汽車、建筑、醫學、航空航天、教育等領域具有廣闊的應用前景[2-3]。

通過提供3D打印機等數字工具及其軟硬件資源，可以為大學生學習本專業知識提供適宜的學習環境和學習資源，由此，許多面向大學生學習環境的教育創新應用也應運而生[4]。如美國Paulo Blikstein創設的科學探究與工程教育項目FabLab@School，項目旨在探索如何將3D打印整合到課程中。該課程創設了任務驅動的學習情境，在解決實際問題過程中結合3D打印技術，增強學生對工程與科學抽象概念的理解和應用，體驗與掌握工程和設計的核心概念和準則，促進學生創新能力和動手能力的培養。

3D打印技術越來越成熟，應用日趨廣泛，其優勢也不斷顯現出來，這不僅會給制造業帶來革命性的變化，同樣對教育觀念和教育模式也會產生深遠的影響。在大學校園內建設3D打印創新實驗室，設立創新實驗實訓課程[5]，一方面能極大地發展學生的創新思維和創新能力，加快各專業技術的發展，另一方面也能推動3D打印技術的推廣應用。

本文探索了3D打印實驗室的建設方案與開放性使用方案，并以汽車專業為例，對基于3D打印的實驗教學進行了研究，設計了兩個基于3D打印技術的汽車類3D打印實驗。以汽車類專業教學為例，3D打印實驗室既可供校內教師在《工業設計》、《發動機構造》、《車身修復》、《底盤構造》、《三維建模》等專業基礎課和專業核心課的實驗環節中引入3D打印動手實踐，又可以在專業實訓課、學校創新創業訓練、畢業設計、創新創業競賽等環節為師生們提供實訓設備和基地。

2 3D打印

2.1 3D打印的工作原理

3D打印技術的基本原理是分層打印、疊加成形，即將打印材料逐片打印出來，邊打印邊疊加，最后“打印”出一個立體成品，其從功能上說類似于激光成型技術。3D打印機是3D打印的核心設備，是集機械、控制、計算機技術等為一體的機電一體化系統，它主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，3D打印技術體系還包括新型打印材料、設計與控制軟件、打印工藝等技術。

利用3D打印技術得到的成品精確度較高，即使是中低精度的3D打印機型號，也能打印出精確的成品，比起鑄造、沖壓、蝕刻、模具等傳統方法能更快速地生成原型，特別是對于傳統方法難以制作的特殊結構模型。

2.2 3D打印的工作過程

3D打印成型過程由建模、分層、成型和后期處理四個階段構成，每個階段需要用到不同的軟件、硬件和實現技術，具體流程如圖1所示。在高校教學中，這些技術和工藝可以采用以任務驅動的教學方法，通過邊學習邊實踐、不斷熟悉不斷深入的方法學習和掌握。

（1）建模

利用3D打印技術打印成品前，需要先利用CAD設計軟件設計出成品的三維模型，所以3D打印成型的第一個環節是建立三維模型。3D打印所能接受的CAD軟件有UG、Pro/E、SolidWorks等，可以用這些CAD軟件進行設計。也可以逆向建模，就是用數字測量技術掃描已存在的實物，然后根據點云數據通過逆向建模軟件，設計出三維模型。

（2）分層

分層是把三維模型輸入到電腦，由3D打印機配備的專業軟件CubeX進行處理，生成二維圖形模型的過程。有了三維模型后，并不能直接輸入3D打印機進行打印，還需要進行分層切片處理，即將三維模型切成一層一層的薄片，每個薄片可以設置的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規格決定。無論是直接用CAD軟件設計出三維模型，還是逆向建模得到的三維模型，都需要分層這個處理步驟，生成控制3D打印機噴嘴移動軌跡的二維圖形信息。

（3）成型

以熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印機為例。噴嘴在打印機的分層模型信息和控制信息的作用下，進行零件堆砌，送絲機構把絲狀熱塑性材料送進熱熔噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細噴嘴，將材料以一定壓力噴擠出來，同時噴頭沿水平方向移動，擠出的材料與前一個層面熔結在一起，馬上沉積固化為零件薄層。一層打印完成后，升降系統移動到下一層，繼續打印接下來的新薄層。這一過程反復進行，薄層層層堆積，緊密粘合，從下而上逐漸形成一個完整的三維實體成品。

（4）后期處理

打印完成后，有可能會進行后期處理，包括對部分精確度要求較高的成品的表面處理，彎曲部分、凹凸部分的光滑度處理，去除支撐材料等。

3 3D打印創新實驗室的建設

3.1 3D打印實驗室的建設方案

3D打印機的價格與它所使用的3D打印技術密切相關，因所用技術不同價格差異非常巨大。高校在建立3D打印實驗室時，需要根據實驗室的用途選擇和購買3D打印設備。大部分高校建立3D打印實驗室的目的是用于滿足師生們學習和創新的需要。

目前，3D打印成型技術分為材料擠出（代表技術FDM）、光固化SL、材料噴射PolyJet、粘結劑噴射（代表技術3DP）、粉末床熔化（代表技術DMLS）、直接能量沉積（代表技術LENS）、片材實體成型（代表技術LOM）七種[6]。根據所使用的材料，這七種技術可以劃分為使用半液態熱塑性材料的FDM、使用液態光敏聚合物的SL和PolyJet、用固態粉末的3DP與DMLS及LENS、用片材的LOM[7]。不同材料決定了不同的應用領域和打印成品屬性。

FDM的工作原理決定了它只能用熱塑性材料，但由于使用液化器而非激光材料，設備價格低，且運行過程無污染，易于操作，因而適合在學校、家庭、辦公室等場所使用。熱塑性材料具有一定耐溫性和強度，可用于制造精度要求不高的概念模型、功能測試原型。由于FDM單價較低，簡單易用，從數量上說，FDM是目前銷售量最大的增材制造設備。Stratasys公司是該技術的發明者。

高校建設3D打印實驗室的目的，一方面是用于實驗教學，以培養適應現代化工業所需要的人才，另一方面是培養學生的工程能力和創新思維能力。建立一個小型3D打印實驗室可以按表1所示來配置3D打印設備，并購置相應耗材。

3.2 用于創新的開放性3D打印實驗室

3D打印實驗室除了用于日常教學實驗外，還可以對全校師生開放，為同學們提供三維造型設計、3D打印成品、三維逆向建模等多類開放性實驗。實驗室面向全校師生實行周一至周日全天候開放，除正常上課時間外，師生們都可以在學校官網上預約時間使用實驗室。實驗室開放的目的是鍛煉學生的實踐動手能力，培養學生的自主創新能力和創新意識，提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力和團隊合作意識，為同學們參加創新創業競賽提供平臺。

表1 高校實驗室配置的3D打印設備Tab.1 3D printing equipment in University Labs

時間：除日常3D打印實驗課外的其它時間，周一至周日，網上預約；

開放對象：不分專業，全校師生；

實驗內容：

（1）學習3D打印技術基本知識和3D打印機日常維護方法；

（2）完成指定模型的3D打印；

（3）學習三維掃描儀的用法和基于逆向建模的3D打印；

（4）自行設計三維模型并打印出成品；

（5）參加各類校級、省級、國家級創新競賽。

4 3D打印實驗教學

由1.2小節3D打印的工作過程可知，學生只要具備了用CAD軟件建立三維模型的技能，并經過3D打印設備使用方法的培訓后，就可以基本掌握3D打印技術，再根據自己的設計思路和想法，將手工設計變為三維設計模型，打印出成品。

對于零基礎的學生來說，為了能夠在3D打印實驗室成功地打印出成品，需要學習以下內容：

（1）學習和掌握CAD軟件或其它三維建模軟件、打印機配備的專業分層軟件（如CubeX）；

（2）了解3D打印機的操作面板；

（3）掌握3D打印機的操作方法：開機、裝填打印材料、操作面板、機器維護、后期處理；

（4）學習如何導入和處理分層模型文件，如何設置打印機的參數；

（5）學習如何打印，得到自己設計的成品。

（6）為了更全面地掌握3D打印技術，學生還需要學習基于已有實物重建的逆向建模技術。實物模型重建的核心設備之一是掃描儀，比如手持式激光掃描儀REVscan。學生需要學習手持式掃描儀或其它掃描儀的使用方法和步驟，以及相配套的軟件Geomagic Studio大類，比如手持式掃描儀REVscan使用軟件Geomagic Design Direct。

無論制造類、設計類、IT類、建筑類各工科專業還是藝術設計類專業的學生，三維建模軟件或CAD設計軟件對學生都不陌生，同學們或者開設有學習這些軟件的相關課程，或者雖沒有學習過這些軟件但學習過其它類似軟件，打下了很好的基礎。而學習3D打印機或掃描儀的使用方法，親自操作這些設備，初步掌握一兩種先進的工業技術，會使學生零距離接觸到先進的工業制造設備，親身體驗高端工業制造技術，使同學們受益非淺。

5 3D打印教學實驗舉例

本節設計了兩個適用于汽車類專業學生的3D打印教學實驗。實驗目的是通過3D打印技術打印出汽車基礎零部件，理解汽車專業技術。

5.1 新能源汽車發電電動機的殼體打印

由于機殼各部位發熱量不同，需要位于殼體與冷空氣流之間的不同密度和面積的葉片群達到最佳熱交換形態。取代普通制作工藝，運用3D打印技術制作出來的螺旋導風散熱模具、具有復雜翅翼的新能源汽車電動發電機殼體，能解決傳統精鑄工藝模具復雜、無法快速實現冷卻氣流旋轉方式的問題，優化不同殼體散熱量的最佳效率熱交換形態，解決現代汽車高度集成化后針對內藏式電壓調節器的電動發電機長時間、高溫環境條件下的運轉可靠性問題。

利用3D打印技術制作出來的殼體，可以在實車上進行試驗，用熱電偶實測內部關鍵部件溫度變化曲線，判斷熱平衡點。

運用3D打印技術打印汽車發電電動機的殼體，證明了3D打印技術的突出優點。它可以在無需準備任何刀具、模具、工裝卡具的情況下，直接用CAD軟件設計出三維模型，再啟動3D打印機打印出任意復雜形狀的三維物理實體。利用3D打印也可以進行快速模具制造，極大地縮短產品的生產周期，降低生產成本，提高原材料的利用率。

5.2 打印汽車不同橫截面前導風板、后增壓導板

學生通過3D打印技術制作風洞試驗和輪胎支承水平壓力傳感器，可以體會不同上下弧形的導風（向）板葉片，幫助理解汽車調整運動穩定性的核心因素。

6 結語

3D打印技術越來越成熟，應用日趨廣泛，不僅會給制造業帶來革命性的變化，同樣對教育模式和教育觀念也會產生深遠的影響。如何利用3D打印技術推動教育發展和科技進步，這一研究內容變得越來越重要。本文提出了高校3D打印創新實驗室的建設方案和開放性使用方案，并以汽車專業為例，對基于3D打印的實驗教學進行了研究，設計了基于3D打印的汽車類實驗教學。大學校園內3D打印創新實驗室的建設和創新實驗課程的設立，一方面能極大地提高學生的實踐能力和創新能力，加快各專業技術的發展，另一方面也能推動3D打印技術的推廣應用。

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造(3D打印)技術發展[J].機械制造與自動化，2013，42(4):1-4.

[2] NOVAK J，NOVAKOVA L，BARNA J，et al.Application of FDM rapid prototyping technology in experimental gearbox development process [J]. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette，2012，19(3):689-694.

[3]張楠，李飛.3D打印技術的發展與應用對未來產品設計的影響[J].機械設計，2013，30(7):97-99.

[4]孫江山，吳永和，任友群.3D打印教育創新:創客空間、創新實驗室和STEAM[J].現代遠程教育研究，2015，23(4):96-103.

[5]鄭紅偉，張艷蕊，馬玉瓊.基于創新能力培養的3D打印實驗室開放模式研究與探索[J].實驗技術與管理，2015，32(11):159-162.

[6]CHUA C K， LEONG F， LIM C S. Rapid prototyping:principles and applications[M]. Singapore: World Scientific， 2010: 1-23.

G642;TP391.73-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0175-04

四川省教育廳2017年度科研項目(No.17ZB0242)，四川省教育信息化應用與發展研究中心2017年度科研項目(No.JYXX17-036)。

章偉(1963-)，男，四川樂山人，副教授，本科，主要研究方向為3D打印、新能源汽車(Email:1626276375@qq.com)；

羅茂元(1982-)，男，副教授，主要研究方向為3D打印、物聯網；周萍(1968-)，女，教授，主要研究方向為網絡安全、機器人技術；羅茂元(1981-)，男，漢，四川內江人，副教授，碩士，主要研究方向為3D打印、物聯網；

周萍(1968-)，女，漢，湖北宜都人，教授，博士，主要研究方向為網絡安全、機器人技術。