3D打印的教學組織研究

鮑開美 李曉峰

摘 要：3D打印技術作為一門新興的熱門加工技術，將成為未來制造工藝中的重要組成部分，開設3D打印課程，讓學生充分了解3D打印的原理、工藝方法及從三維建模到操作3D打印機生成實物加工的全過程，培養和激發學生的對工程訓練的興趣和自主創新意識，對理解、掌握先進制造業的發展方向——自動化、數字化、智能化這一認知有著重要意義。

關鍵詞：3D打印；快速制造；教學組織；三維建模

1 緒論

3D打印技術，被認為是20 世紀最偉大的制造技術革命，[1]集成了機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身，[2]因其加工原理的具有極強的靈活性，能夠適應單件及小批量產品的迅速開發而不額外增加成本，對機械加工甚至藝術加工工藝是一種很好的補充。[3]目前3D打印技術也正以極快的速度融入我們的生活之中。針對需要不斷與時俱進、接受新鮮知識的大學生來說，開設3D打印工程實踐課程，有著必要性。

2 教學案例

2.1 3D打印的工藝原理及工藝方法

3D打印的工藝原理為：建模，通過計算機軟件或逆向工程技術建立所需零件的三維模型；模型 “微分”，即沿Z軸對模型進行“切片”，得到每層截面數據信息；計算機根據每層截面信息，建立材料堆積路徑和方式；實體“積分”，即3D打印機根據預設路徑有序堆積材料，層層制造，逐層疊加成形零件實體。[4]

3D打印因其加工原理的特殊性，導致在加工不同材質的時候采用的工藝方法都有所不同，且因為3D打印技術的不成熟性，各種技術方法層出不窮，課堂上主要介紹幾種經典及較為前沿的技術方法，根據加工材質的不同進行分類，分為光敏樹脂材質、金屬材質及塑料材質。

（1）光敏樹脂材質。光固化成型（SLA）的工藝過程：以液態光敏樹脂充滿液槽；由計算機控制激光束掃描層狀截面軌跡；受到激光照射的液體樹脂固化成型；升降臺下降一層高度，激光束掃描下一層切片的截面軌跡；新的一層粘結在前一層的表面上；如此不斷重復直到整個零件完成。

連續液面提取（CLIP）的工藝過程：是光固化成型的改型工藝，巧妙利用氧氣在液槽底部形成“死區”，將制件和透光板完全分隔開；利用激光束投影出該層切片形狀即可直接成型一個片層；升降臺上升一層，激光束投影下一層切片形狀；如此不斷重復以上步驟直至完成零件加工。相較光固化成型技術，連續頁面提取技術的工藝水平更好，在加工精度和加工速度上都有了很大提升。

（2）金屬材質。選擇性激光燒結（SLS）的工藝過程：采用合金粉末作為成型材料，在工作臺上鋪上一層粉末；激光束掃描切片的截面形狀，進行燒結；被燒結部分固化成型構成零件的實心部分；鋪下一層粉末，燒結固化下一層切片；不斷重復直至完成零件加工。

納米液體噴射（NPJ）的工藝過程：采用類似噴墨打印頭進行加工，層層噴射含有金屬納米顆粒的“墨水”；采用一定高溫汽化“墨水”載體，只留下金屬部分；逐層加工成型。相較選擇性激光燒結技術，納米液體噴射技術的加工精度和加工速度都有了大大的提升，制造成本也進一步降低。

（3）塑料材質。熔融沉積成型（FDM）的工藝過程：一般以絲狀供料，材料絲通過加熱器加熱并以半液態形式從噴頭中擠出；噴頭按照一定規律沿零件截面形狀行走，材料迅速凝固并成型；不斷重復直至完成零件加工。

大面積增材制造（BAAM）的工藝過程：與熔融沉積成型原理一樣，加工區域巨大化，因此可以直接加工大型物體，例如汽車、家具甚至建筑等等。相比熔融沉積成型技術，其加工速度獲得極大提升，相對應的加工精度則遠低于熔融沉積成型技術。

2.2 構建三維模型

課堂采用Win10系統自帶的3D Builder軟件進行三維模型構建，該軟件的特點是操作簡便直觀，對于課堂面向的沒有三維建模基礎的大二學生比較友好。該軟件提供了一些基礎的形狀，例如立方體、圓柱體、球體等，或者通過網上下載及圖片導入的方式生成其他的基礎形狀，用戶可以以“堆積木”的形式，配合移動、旋轉、縮放、復制、粘貼、鏡像等命令將不同的基礎形狀堆積，搭建出大致的模型，再利用簡化表面、拆分、平滑、浮雕、合并、相交、剪除、挖洞等編輯命令完善模型。

2.3 3D打印機的操作

課堂中選用的3D打印機型號為北京太爾時代公司的UP！桌面式三維打印機，操作軟件為UP！軟件，因此主要介紹圍繞該軟件展開。

（1）選擇并確定模型的大小及方位：啟動UP！程序，并利用“打開”功能載入模型；利用“旋轉”功能改變模型在打印平臺上的方位，產生最少的支撐；

（2）利用“縮放”功能將模型調整到合適大小，能夠在規定時間內完成打印任務。打印該模型：利用“自動布局”功能將模型自動放置在平臺中央；

（3）初始化3D打印機，使打印噴頭及打印平臺都返回初始位置；

（4）“打印預覽”界面設置模型打印精度、片層厚度、支撐參數及填充選項等，可使模型滿足不同的需求；

（5）3D打印機工作，層層堆積材料，完成模型的成型；

（6）將打印底板從3D打印機上取下，使用平口鏟刀將模型從打印底板上剝離；

（7）使用偏口鉗等工具去除模型上的底座及支撐結構，使用什錦銼刀等工具對模型進行打磨修整，完成對模型的后處理。

從目前開展的教學反饋來看，3D打印課程因其為學生提供了一個自主設計、并可快速完成作品加工的平臺而深受學生的歡迎，促進了學生主動學習，也培養了學生的創新思維能力。圖下為學生自己設計、建模，最后完成的3D打印作品。

3 結語

目前來說，3D打印課程在高校中一般以金工實訓的一個工種的形式組織開展，面向的學生群體主要是工科學生。然而3D打印技術除了在機械工程、工業工程等領域之外，還在食品、藝術設計、珠寶、玩具、醫學等領域都得到了廣泛的認同和實際應用。

因此，個人認為今后在3D打印教學內容的組織安排上，一方面課程開設可以以面向全體學生的公選課形式開展，除以上基礎教學內容外，還可增加與3D打印緊密相關內容的專題教學，例如3D打印技術如何與傳統工藝相結合，從而使兩者都能發揮更大作用；逆向工程技術與3D打印的結合；對不同三維建模軟件的詳細學習，并與工程圖學、機械原理、機械設計、包裝設計等課程相結合，對不同專業的學生有不同的切入點和側重點，利用三維建模技術、3D打印技術實現對課本上的模型圖紙或自己繪制的二維圖紙的三維模型建立，到實物的加工成型整個過程。另一方面，可以將3D打印與大學生創新實踐項目、學科競賽項目、甚至創業項目相結合，讓學生在實踐中得到更好的訓練。通過多樣化的教學和實踐，使學生對3D打印技術將不僅僅停留在三維模型到實物的操作過程這一表面認知，而能夠深刻理解其實用價值，激發創新意識，以及能夠自主思考今后如何將3D打印技術更好的與自己的行業相結合，從而創造更大的社會價值。

參考文獻：

[1]付昱，蒿麗萍，侯麗媛，等.3D打印技術及其對機械教學的啟迪[J].內蒙古電大學刊，2015（1）：101-104，110.

[2]成思源，周小東，楊雪榮，等.基于3D 打印技術的實驗教學[J].實驗室研究與探索，2015（8）：158-161.

[3]安芬菊.3D打印在工程訓練中教學組織的研究[J].實驗科學與技術，2018（2）：138-140.

[4]王志海，舒敬萍，馬晉.機械制造工程實訓及創新教育[M].北京：清華大學出版社，2014.

[5]陳邢凱.基于創新型人才培養的3D 打印實訓室建設與管理的探析[J].湖北函授大學學報，2018（4）：5-6.

[6]盧帥，李瑞華，栗偉周.3D打印在工程圖學課程教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2018（5）：160-161.