3D打印技術在油料教學中的應用

文/李趙杰 曹明寶

3D打印技術，是近年來興起的一項高新制造技術，以數字模型文件為基礎，按一定的算法將計算機軟件建立的三維模型分解成面、線、點后，再進行逐點打印形成線，逐線連接成面，逐面粘合形成完整立體構件，再經過一系列處理后，最終形成完整的三維模型[1]。3D打印技術具有設計方便、修改靈活、單次制作成本低等特點，將3D打印技術引入教學模型模具的制作，可針對教學快速制作出滿足需要，能實現交互動作的教學模型模具，確保教學質量，提升教學效率。

1.常見教學模型制作方法比較

目前在油料教學過程中，為增強直觀認識，提升學習興趣，對于罐、管、泵、閥等常見油料設備設施一般采用教學實物模型進行輔助教學。教學實物一般包括小尺寸的實際設備和其教學模型，教學模型通常采用有機玻璃、塑料或木材等材料經切割、鑄模等工藝后粘接成等比例實物模型，3D打印技術作為一種高新技術也能很好地應用于模型制作。

用實際設備做教學實物，購置方便，體驗真實，但成本較高，僅適用于小尺寸設備，對內部結構進行觀察時還需要拆解或進行切割；教學模型需進行前期制模，制作周期相對較長，其中有機玻璃模型成本較高，但具有透明特性，不需切割即可方便觀察內部構造，采用塑料或木材成本相對低廉，一般制作為剖面結構模型以方便展示內部構造；3D打印技術前期投入大，但單個模型制作成本低，模型可隨時進行修改，制作速度快，復雜結構制造能力好，可將打印對象分解打印再進行配合組裝，實現零部件靈活更換，采用透明材料打印時，還可實現內部構造的直接觀察。各種教學實物模型方法的比較結果如表1所示，成本越低，制作周期越短，可操作性、可維護性越好，精細度越高則評價越高。

表1 教學實物模型方法比較

綜合比較，3D打印技術是一種較優的教學模型制作技術。

2.3 D打印技術選擇

目前，市面上成熟的3D打印技術較多，主要包括以熱塑性塑料、低熔點金屬為材料，在噴頭內加熱融化后擠出成絲狀而后進行粘接，凝固成型的熔融沉積造型技術（FDM）；以金屬絲為材料，送入用電子束槍轟擊金屬表面形成熔池中熔化，再凝固堆積的電子束自由成形制造技術（EBF）；以金屬、陶瓷、塑料粉末為材料，通過燒結熱源將逐層鋪設的粉末加熱融化最終燒結成實體零件的激光燒結（DMLS、SLS、SLM）、電子束融化（EBM）、熱燒結（SHS）等技術[2]；以塑料膜、金屬膜、紙片等為材料，對單層進行切割，層與層之間用熱熔膠粘合形成零件的分層實體制造法（LOM）；以光敏聚合物為材料，通過激光、紫外光層層照射使材料固化形成工件的光固化立體造型（SLA）、多材料噴射即時固化（Polyjet）、數字光處理（DLP）等技術。

在各種3D打印技術中，熔融沉積造型技術（FDM：Fused Deposition Modeling）雖然精度和工件強度相對較低，但設備及材料成本低，對環境的要求低，得到了迅速的推廣，目前市場上多數產品均采用此技術[3]。教學模型不同于實際工件，對精度和強度要求較低，因此，選用成本相對較低的FDM技術進行教學模型打印。

3.3 D模型打印的實現過程

采用FDM技術進行3D打印的過程通常為：先通過計算機建模軟件建模，再用切片軟件將建成的三維模型進行切分成逐層的截面，而后打印機讀取切片數據，對模型進行逐層打印，最終形成三維模型。下面以閘閥的制作為例，介紹3D打印模型的制作過程。

3.1 建立模型

首先，在計算機三維建模軟件中繪制模型，建模軟件很多，如3DMax、ProE、SolidWorks、AutoCAD等，本文采用AutoCAD2014進行閘閥的模型設計，各個零件、連接螺栓均按實物構造單獨設計，為了方便觀察內部構造，工作原理，殼體設計為剖切狀態，模型如圖1所示。

圖1 建立三維模型

圖2 模型切片前后對比

3.2 導出為3D印刷文件

第二步，將建立的模型轉換成3D打印切片軟件之間協作的標準文件格式，如stl、stp、obj格式等，其中stl格式最為常見。

AutoCAD導出的協作文件為stl格式，模型繪制完畢后，選取每個獨立部件，選擇發布->發送到三維打印服務，設置好相關參數后，即可將單個模型生成為stl格式文件。

3.3 進行3D切片

第三步，將3D印刷文件導入3D切片軟件，3D切片軟件可以完成模型切割，并將信息保存為3D打印機可識別的打印文件，如GCode文件，而后進行打印。3D切片軟件較多，如Cura、Repetier、Slic3r等，均能對模型進行切割，切片軟件可設置打印各層的層高，模型外殼的厚度、填充密度、填充形式、打印速度、初始層厚度等參數后。由于打印過程是一層層疊加，當下一層比上一層突出過多，不能被上一層支撐時，可能出現外表粗糙、垂絲甚至打印失敗等情況，這時需要添加支撐，圖2所示為閘閥閘板切片前與切片后的對比圖，由于存在懸空部分，軟件在切片過程中增加了支撐。

圖3 3D打印模型

3.4 進行3D打印

最后，將切片文件發送到3D打印機打印。FDM打印機通過熱熔技術，使打印材料加熱軟化后從噴嘴擠出形成極細的絲，噴嘴作XY向的平面運動，打印平臺作Z向的垂直運動，噴嘴按預定軌跡走過，細絲附著在打印平臺（或上一層材料）上，完成“印線”過程，單層軌跡走完，即完成“印面”過程，而后平臺向下移動一層高度，噴嘴再按預定軌跡走過，完成下一層打印，這樣層層疊加，最終完成“印體”過程。待材料逐漸冷卻凝固后，取下模型，去掉支撐，即完成模型打印，圖3a為打印完成的閘板模型，打印出閘閥的各個零件以及連接部件后，即可和實物一樣進行裝配，圖3b為裝配完成的閘閥打印模型。

4.結論

實踐證明，將3D打印技術引入油料教學，技術可行，成本可控，模型與實物一致，可靈活操作，大大提升了教學對象的學習興趣，確保了教學質量，提高了教學效率，取得了良好的教學效果。隨著3D打印技術的逐漸推廣，3D打印機和耗材的成本還會逐漸降低，3D打印技術在教學行業中具有良好的應用前景。