增材制造綜合教學實驗研究

俞彥勤，王新云，樊自田

增材制造綜合教學實驗研究

俞彥勤，王新云，樊自田

（華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

通過分析增材制造技術流程，運用已有的軟硬件條件，設計了三維造型及逆向工程實驗和FDM增材制造實驗。敘述了增材制造綜合教學實驗的原理、方法與步驟。通過包括三維數字建模、模型數據處理、FDM加工零件增材制造全過程的實驗教學，加強了學生在增材制造方面的技能訓練，加深了他們對增材制造技術的認識與理解。由于學生可以自主設計或選擇零件模型，既體現了“以學生為中心”的教學理念，又有利于培養學生的科技創新意識。在實際教學應用中，取得了良好的效果。

增材制造；三維測量；逆向工程；熔融沉積制造

增材制造也稱為3D打印、快速成形、自由成形等，按美國材料與試驗協會（ASTM）國際標準組織F42增材制造技術委員會的定義[1]，增材制造是根據三維CAD數據用材料層層堆積的方法來制作實體零件的工藝，是近30年來世界范圍內先進制造領域興起的集信息技術、先進材料技術、數控技術于一體的全新的數字化成形制造技術[2]。該技術利用三維設計數據模型，快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，具有加工成本低、周期短，無需傳統模具、工具等特點，發展勢頭迅猛。我國已將增材制造技術作為制造強國的重要發展方向之一，并已從產業培育階段發展到推廣應用新階段，2017年12月，工信部等12部委聯合印發了《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020年）》[3]，充分體現了國家對增材制造產業的重視。有鑒于此，我國高校的一些專業開展了增材制造綜合實驗課程設置研究[4-15]，以適應社會對增材制造方面的人才需求。我校針對增材制造的流程特點，結合自身的優質資源，針對材料成形及控制工程本科專業，設計開發出“增材制造綜合實驗”課程，并形成了自身特色。

1 增材制造技術流程

增材制造包括三維造型、前處理、打印成形、后處理等4個階段，如圖1所示。

圖1 增材制造流程

（1）三維造型階段。三維造型包括兩種方法，一種是根據零件數據信息，如二維尺寸圖等，運用三維CAD軟件直接繪制出零件的三維數字模型，這種方法稱為正向工程；另一種方法是對已知的零件樣品或模型，利用三維測量儀器得到零件的三維數字模型，即逆向工程。

（2）前處理階段。采用正向工程或逆向工程得到計算機上的數字模型后，再通過三維CAD軟件轉化為STL格式的數據文件。利用切片軟件對模型進行離散處理，即分層切片，并將各層的信息存儲為打印設備的路徑文件。

（3）打印成形階段。打印設備在控制系統指揮下，對各層進行打印，逐層堆積成零件。

（4）后處理階段。對已打印的零件進行打磨、去支撐、拋光等處理。

根據以上增材制造的流程，構建增材制造綜合實驗，包括三維造型與逆向工程實驗和增材制造實驗。

2 三維造型與逆向工程實驗

2.1 基于PowerScan的三維測量系統

傳統的產品設計是根據功能和用途來進行的，即先從概念出發繪制出產品的二維圖樣，而后制作三維幾何模型，經檢查滿意后制造出產品來，見圖2(a)。逆向工程是先對已存在的實物模型進行測量，并根據測得的數據重構出數字模型，再經過分析、檢驗、修改及輸出圖樣，最后制造出產品的過程，見圖2(b)。

圖2 傳統設計與逆向工程

本實驗課程中的三維測量系統為我校擁有自主知識產權的PowerScan測量系統，它是一種集結構光技術和計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術設備。測量時，光柵投影裝置將特定編碼的光柵條紋投影到待測物體上，攝像頭同步采集相應圖像，然后通過計算機對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理等解算出攝像機與投影儀公共視區內像素點的三維坐標。通過三維掃描儀軟件界面可以實時觀測相機圖像以及生成的三維點云數據。系統操作流程如圖3所示。

圖3 三維測量系統操作流程

2.2 數據處理

對逆向工程得到的三維點云數據，運用逆向工程數據處理軟件Geomagic Studio進行處理，使實物零件的掃描點云生成準確的增材制造的STL格式文件。其操作流程如圖4所示。

即對導入的點云數據進行預處理，將其處理為整齊、有序及可提高建模效率的點云數據；對三角網格數據進行表面平滑與光順優化處理，消除錯誤的三角形網格面片，提高模型重構的質量。經軟件處理后的模型，存儲為STL格式文件，以備后續增材制造實驗之用。圖5為Geomagic Studio軟件對“大衛頭像”點云數據進行處理后的模型效果。

圖4 Geomagic Studio數據處理流程

圖5 數據處理后的模型

3 增材制造實驗

3.1 增材制造方式

增材制造大致分為以下5種方式：光固化成形（SLA）；疊層實體制造（LOM）；熔融沉積制造（FDM）；選擇性激光燒結（SLS）；三維印刷成形（3DP）。其原理都是對零件三維數字模型進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓，再將二維輪廓順序疊加成三維零件。從實驗教學對設備環境的要求及實驗效率、效益、噪音污染等方面考慮，熔融沉積制造（FDM）方式最適合于實驗室環境下的實驗教學。

3.2 實驗用材料

目前用于FDM增材制造的材料主要是有機高分子材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龍（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）等，具有硬度高、韌性好、塑性強等特點。從耐熱變形性能、成形穩定性、加工性能等方面綜合考量，一般選擇PLA，而且PLA是一種環境友好型材料，來源于再生資源，無毒、無味、可降解，符合現代綠色制造的要求[16]。

3.3 FDM設備工作原理

圖6為我校擁有自主知識產權的HTS系列FDM設備工作原理簡圖。計算機發出控制指令后，步進電機驅動螺桿沿R方向旋轉，同時通過齒輪傳動驅動送料輥，將PLA絲料送入擠壓頭；由于電熱棒的加熱作用，擠壓頭中的絲料呈熔融狀態；熔融的絲料在轉動的螺桿連續推擠下流向噴嘴；計算機針對零件的數字三維模型沿高度方向（Z向）的切片結果，將截面層的輪廓數據傳送至控制系統；控制系統根據截面層的輪廓數據，驅動成形頭及工作臺沿X-Y方向做合成運動，使絲料涂覆并凝固在工作臺基底紙板上，從而完成相應截面層輪廓的涂覆；控制系統驅動成形頭上升一個截面層厚度（一般為0.1~0.2 mm），進行下一層截面輪廓的涂覆；如此各層截面有序堆積，直至完成整個零件的堆積成形。

圖6 FDM設備工作原理簡圖

3.4 FDM實驗過程

整個實驗過程包括以下步驟：

（1）加工基底準備。將270×240×1 mm的基底紙板，用雙面膠帶紙粘接到清潔的工作臺上。

（2）安裝PLA絲料。將卷筒狀的PLA絲料安裝在存儲輥上，并拖拽一端使其通過送絲機構中的送料輥、導向套進入加熱腔。

（3）設備加電預熱。開機預熱設備5~10 min，然后檢查控制面板上擠壓頭的溫度上升至設定值。

（4）運行軟件。啟動控制軟件HTS，選擇硬件設置，同時系統自動執行硬件初始化，讀入準備加工的STL格式的零件文件。HTS系統軟件具有對模型進行簡單編輯、模擬加工、加工時間估計等功能。

（5）參數設置。在制作零件之前，必須對成形過程的一些參數進行設置，包括“工件參數”和設備“速度參數”，如零件位置、層高等。

（6）支撐設計。根據加工零件的具體形狀，設置好支撐參數，系統將自動生成零件支撐。

（7）生成填充數據。包括生成路徑及路徑檢查。

（8）加工前檢查。包括成形頭檢查和平臺運動檢查。成形頭檢查就是檢查熔融的絲料是否能連續、順暢地從成形頭的下端噴嘴擠出；平臺運動檢查就是將成形頭X、Y、Z方向的坐標調整到合適的位置。

（9）開始零件加工。點擊菜單欄上的“加工”按鈕，系統開始自動對零件進行加工，圖7為HTS系列FDM加工設備。完成零件加工后，機器自動停機。取出已加工好的零件，并對零件進行后處理。

圖7 HTS系列FDM加工設備

4 結語

該實驗課程通過包括三維數字建模、模型數據處理、FDM加工零件增材制造的全過程實驗教學，加強了學生在增材制造方面的技能訓練，加深了學生對增材制造技術的認識與理解。其教學成效主要體現在以下方面：

（1）在實驗中，學生可以自主設計或選擇零件模型，既體現了“以學生為中心”的教學理念，又有利于培養學生的科技創新意識；

（2）該綜合實驗將包括獲國家科技進步獎的具有自主知識產權的一些科研成果，轉化為優質實驗教學資源，形成了自身特色；

（3）該實驗課程已應用于我校材料成形及控制工程專業本科教學中，效果良好；

（4）本實驗除應用于材料成形及控制工程專業綜合性實驗外，還可應用于該專業課程設計、畢業設計實驗，對其他相近工程專業增材制造實驗課程也有借鑒意義。

[1] ASTM International. F2792-12a Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies[S]. Pennsylvania: ASTM International, 2009.

[2] 盧秉恒，李滌塵. 增材制造（3D打?。┘夹g發展[J]. 機械制造與自動化，2013, 42(4): 1–4.

[3] 歐陽安. 增材制造從產業培育步入推廣應用新階段：《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020年）》解析[J]. 中國機械工程，2018(12): 2895–2897.

[4] 成思源，周小東，楊雪榮，等. 基于數字化逆向建模的3D打印實驗教學[J]. 實驗技術與管理，2015, 32(1): 30–33.

[5] 朱妍妍，李忠新，呂唯唯. 基于3D打印技術的開放實驗教學模式探索與實踐[J]. 實驗技術與管理，2017, 34(7): 192–195.

[6] 桂亮，金悅，趙衛軍，等. 3D打印技術在創客實踐教學環節中的應用[J]. 實驗技術與管理，2016, 33(10): 181–184.

[7] 朱亮亮. 3D打印：設計革命與倫理反思[J]. 裝飾，2018(5): 140–141.

[8] 李青，王青. 3D打印：一種新興的學習技術[J].遠程教育雜志，2013, 31(4): 29–35.

[9] 王萍. 3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育，2013(8): 83–87.

[10] 高奇，曾紅，張德強. 3D打印在大學生創新實驗中的應用研究[J].實驗技術與管理，2015, 32(11): 28–30.

[11] 高群，鄭家霖. 3D打印技術產業應用型人才培養模式探析[J]. 職業技術教育，2015, 36(29): 20–23.

[12] 趙慶，秦俊男. 3D打印技術在實踐教學領域的應用探討[J]. 塑料工業，2018, 46(6): 124–128.

[13] 邱海飛. 3D打印專業教育人才培養體系研究[J]. 現代制造工程，2018(5): 62–67.

[14] 王宏衛，萬熠，靳一帆. FDM 3D打印技術在機械專業教學中的應用探討[J]. 工具技術，2017, 51(8): 94–97.

[15] 袁曉東. 基于3D打印技術的對話式教學實踐研究[J]. 黑龍江畜牧獸醫，2017(13): 263–266.

[16] 張勝，徐艷松，孫姍姍，等. 3D打印材料的研究及發展現狀 [J]. 中國塑料，2016, 30(1): 7–14.

Research on comprehensive teaching experiment for additive material manufacturing

YU Yanqin, WANG Xinyun, FAN Zitian

(School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the analysis of the technological process and the existing hardware and software conditions, 3D modeling and reverse engineering experiments and FDM experiments are designed. The principle, method and steps of the comprehensive teaching experiment of additive material manufacturing are described. Through the experimental teaching including 3D digital modeling, model data processing and the whole process of FDM processing parts, the students’ skill training in the aspect of additive material manufacturing has been strengthened, and their knowledge and understanding of such manufacturing technology has been deepened. Because students can design or choose the part models independently, it not only embodies the “student-centered” teaching idea, but also helps to cultivate students’ consciousness of scientific and technological innovation. Good results have been achieved in practical teaching application.

additive material manufacturing; 3D measurement; reverse engineering; fused deposition manufacturing

G423.31；TP391

A

1002-4956(2019)09-0164-05

2019-01-15

湖北省高校省級教學改革研究項目（2016070）；華中科技大學教學研究項目（2016007）

俞彥勤（1963—），男，湖北武漢，碩士，高級工程師，研究方向為材料精密成形工藝及模具設計。

E-mail: yuyq@hust.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.042