3D打印實訓項目在機械工程創(chuàng)新實踐教學中的應用

周渝明 閻漢生 何軍擁

摘要：為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力，基于3D打印增材制造技術開展了工程實踐訓練項目，學生通過創(chuàng)意設計、零件數(shù)字化建模、3D打印增材制造、裝配等環(huán)節(jié)的培訓，開闊了視野，提高了動手能力，為構建新型機械工程實踐教學體系奠定了良好的基礎。

關鍵詞：三維打印;機械工程;實訓項目

3D打印技術是當下的一種新型快速成型技術，然而其實早在上世紀90年代這門技術就有了雛形。這門技術即是在數(shù)字建模的基礎上，以微小直徑顆粒金屬或聚乙烯材料進行高度方向的堆砌。（即“積層造形法”）。這一技術過去幾十年一般用在模型的鑄造或者工業(yè)設計中模型的搭建。而如今科技進步下已經(jīng)被用在各個行業(yè)的直接生產(chǎn)中。在機械工程的實踐教學，要求理論知識的完備與實踐操作能力相結(jié)合，而在實踐教學中，3D打印實訓項目的建設，可以提供非常好的輔佐。從而提高機械專業(yè)實踐教學的課程質(zhì)量。[1]

一、結(jié)合3D打印技術的機械專業(yè)教學

我們使用3D軟件（Pro/e、UG、Slidworks等）來構建一個經(jīng)典的模型，然后將其導入3D打印機打印出實體模型，以便學生可以更直觀地觀察模型，便于修改和優(yōu)化模型，這有利于課堂教學和學習。

二、3D打印技術簡介

“3D打印”技術是1990年代開發(fā)的先進制造技術。它的開發(fā)過程經(jīng)歷了多個階段，過程可以大概總結(jié)為“孕育期-快速原型-直接增材制造”。它是CAD/CAM技術、數(shù)控技術、新材料、精密伺服驅(qū)動技術與激光技術的集成，它不同于傳統(tǒng)的減法加工技術，從多到少，從粗到精，對工件毛坯或半成品進行加工，并逐步滿足模型的技術要求。它是將計算機上設計的三維數(shù)字化模型進行分層切片，再根據(jù)分層結(jié)果，一層一層地逐步積累材料，最終形成三維實體，以滿足圖案技術的指標要求。將3D制造簡化為3D加工的想法是制造業(yè)向前邁出的一大步。[2]使用RP技術可以處理任何復雜表面的工件，而不需要考慮從逐層疊加到零件的整個過程，從而大大降低了新產(chǎn)品的成本與開發(fā)周期。目前，“3D打印”技術是一個世界性的研究領域。受到了航空航天、汽車工業(yè)、模具工業(yè)、醫(yī)療設備、消費類電子產(chǎn)品、玩具、人體工程學、服裝、數(shù)字博物館、藝術品仿造、人體組織損傷修復等各行業(yè)廣泛的應用。PR技術的不斷發(fā)展過程中，應用的途徑也各異萬千。因此，3D打印技術實訓項目的開設不可或缺，理工科的學生如果能夠掌握這一技術，那么在很大意義上也說明他能夠滿足大規(guī)模工程和大規(guī)模制造在工程教育背景下的需求。并達到產(chǎn)業(yè)對高創(chuàng)新能力人才的要求，適應這個競爭激烈行業(yè)的壓力。自本世紀初以來，各大院校工程培訓中心時時都在推動這項先進技術與學生工程訓練的結(jié)合。

三、3D打印技術對機械生產(chǎn)行業(yè)的影響

3D打印技術通過高度方向的材料堆積完成生產(chǎn)，首先利用計算機對生產(chǎn)對象進行數(shù)字建模，然后將其分層疊加轉(zhuǎn)換為適用于各行業(yè)的3D實體模型。縱觀傳統(tǒng)的工業(yè)加工過程所存在的弊端，通過3D打印技術可以完美解決。所以三維打印技術在機械生產(chǎn)行業(yè)受到了廣泛的關注與應用，使機械生產(chǎn)行業(yè)得到了穩(wěn)步的發(fā)展。[3]

（一）縮短機械工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)周期

機械工業(yè)產(chǎn)品一般來說，對于產(chǎn)品的質(zhì)量要求一直都比較高，因此在機械工業(yè)產(chǎn)品設計與研發(fā)生產(chǎn)過程中，首先就需要做好產(chǎn)品的市場調(diào)研工作，以便對產(chǎn)品的各項情況，有充分的了解和認知，而這就容易導致機械工藝產(chǎn)品的研發(fā)周期被拉長，其對于產(chǎn)品研發(fā)工作的有序?qū)嵤嶋H上是極為不利的。但是3D打印技術的應用則使得相關問題迎刃而解。機械工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)需要不斷的創(chuàng)新，也需要保證產(chǎn)品的精密程度。3D打印技術可以實現(xiàn)設計師的設計思想到產(chǎn)品的快速實現(xiàn)。在此過程中，設計師可以有更大的設計空間，修改和重組產(chǎn)品以實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。同時，由于3D打印技術設計模型的有效功能，設計人員可以在項目過程中的任何時間實踐他們的設計思想，并證明了3D打印可以實現(xiàn)虛擬模型到現(xiàn)實產(chǎn)品的完美轉(zhuǎn)化。可以在不進行市場考察和市場調(diào)研的情況下隨意修改模型，節(jié)省了大量產(chǎn)品研發(fā)過程中的寶貴時間。

（二）有助于機械工程產(chǎn)品設計理念的創(chuàng)新

傳統(tǒng)的預處理方法對機械制造企業(yè)的內(nèi)部結(jié)構要求很高。這就要求企業(yè)為產(chǎn)品的生產(chǎn)建立幾種結(jié)構，這就增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低了企業(yè)的經(jīng)濟效益。公司的發(fā)展將不可避免地受到更大的制約，重大案件將導致公司破產(chǎn)。三維打印技術的應用很好地幫助了機械工程公司解決了這個問題。利用三維打印技術生產(chǎn)機械工程產(chǎn)品不需要太多人力，可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，加工零件的穩(wěn)定性和集成度高于傳統(tǒng)的零件加工方法。同時，利用三維技術生產(chǎn)機械工程產(chǎn)品，極大地方便了零件的設計和加工，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。比如航空零件的生產(chǎn)，產(chǎn)量很小，但是對產(chǎn)品的生產(chǎn)有極高的規(guī)格標準，航天航空零部件的物理外形千萬種，每種形狀的生產(chǎn)標準，生產(chǎn)工藝各不相同。制造難度極高。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程中，需要數(shù)百道工藝的往復循環(huán)才能生產(chǎn)出少量達到標準的產(chǎn)品，而在3D打印技術的加持下，模具的生產(chǎn)依舊是建模打印的步驟[4]。

（三）節(jié)省企業(yè)科研開支

機械工程產(chǎn)品的自動化和智能化生產(chǎn)是機械工程制造的重要組成部分。使用傳統(tǒng)的加工和生產(chǎn)零件的方法進行生產(chǎn)需要很長時間。它還需要使用多種設備進行輔助生產(chǎn)，例如夾具、機床等。一方面降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。產(chǎn)品一旦生產(chǎn)，市場需求可能會在很短時間發(fā)生變化，這不利于企業(yè)的產(chǎn)業(yè)競爭;另一方面，產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊達不到市場要求，產(chǎn)量也難以與市場匹配。檢驗，如果檢驗不合格，必須退回工廠進行更正，這一過程無疑是生產(chǎn)周期的不定因素。3D打印技術在該方面具有非常突出的優(yōu)勢，不需要返場只需要不斷進行模型的改變就可以逐漸匹配要求。3D打印技術，不僅可以提高工業(yè)生產(chǎn)的速度，計算機精密測算的條件下，產(chǎn)品的質(zhì)量，精度也都得到了提升。修改時間很短，節(jié)省了人力、物力、財力等，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。此外，還可以省略許多傳統(tǒng)的處理程序，并使用3D打印技術計算機程序進行控制，從而促進機械工程產(chǎn)品生產(chǎn)中自動化和智能化的發(fā)展。

除了以上優(yōu)勢之外，3D打印實訓項目在機械工程創(chuàng)新實踐教學中有效應用，也一定程度上降低了實訓的難度，激發(fā)了學生參與各類實訓項目的積極性，其對于教學的創(chuàng)新發(fā)展有著較為積極的促進作用，使得相應的教學工作得以朝著更好的方向發(fā)展。比如說，過去實踐教學實施過程中，有些實踐項目由于比較復雜，課堂上的教學條件有限，實施難度大，因此往往難以在課堂上直觀的呈現(xiàn)，但是在應用了3D打印實訓項目之后，相關問題則得到了有效的解決，學生的實踐平臺得以不斷擴寬。

四、3D打印技術在機械教學中的應用

（一）在機械教學中使用FDM桌面型3d打印技術進行實驗設計

實驗采用太爾時代公司生產(chǎn)的“up_box”FDM桌面型3D打印機。該設備具體的3d打印過程為：（1）打開計算機和3d打印機后置開關。打印機熱床下方的led燈以橘色點亮。這表示設備正常開啟。（2）在計算機桌面上雙擊up_studio程序的快捷方式，啟動3d打印模型處理和切割程序，以備處理模型。（3）開始軟件后，鼠標點擊該軟件的左欄up字樣圖標，進入該程序窗口的操作界面，然后在該窗口中點擊初始化圖標。這時，打印機熱床從打印機的底部移動到中間，發(fā)出咕嘟的響聲。初始化之后，熱床下led指示燈變成綠色，代表初始化完畢，等待打印工作。（4）將stl格式文件導入程序中，鼠標單擊旋轉(zhuǎn)圖標來調(diào)整模型方向，然后單擊縮放、移動和放置模式（如需改變大小），也可單擊添加/減號圖標，以放大或縮小模型。在完成加載和放置模型后，單擊“打印”按鈕，就會出現(xiàn)一個配置窗口。根據(jù)模型特征來選擇層厚、填充方式、打印質(zhì)量。同時判定是否選擇底座，是否采用薄壁模型。結(jié)合本次要打印的模型（軸承），打印設備不選用任何支架，非薄壁打印和打印底座。配置好后，點擊“打印”按鈕，軟件會根據(jù)前述設置參數(shù)將模型切割分層，計算出所需時間和材料的重量，完成后進入自動打印階段。打印完成后，取下熱隔板，用鏟子將模型取下，剝?nèi)サ鬃纯赏瓿勺罱K的軸承模型生產(chǎn)。

（二）在機械教學中使用三維打印技術的應用能力支持

常用的臺式三維打印機模型分層軟件，在支撐和優(yōu)化上比較弱。支持本機的up_studio軟件也是如此。打印模型時，軟件可以選擇是否自動添加支撐。如果需要添加或減少支撐的數(shù)量，則可以改變支撐的范圍角度。對于軸承的打印，由于軸承里的珠子與軸承內(nèi)、外圈間僅為點接觸，珠子打印過程中材料處于在空中懸浮狀態(tài)，所以必須加上支撐。如果軟件自身增強支撐，則在打印完成后，珠子將彼此粘貼，或者在打印過程中珠子移動，而不能形成一個完整的部件。在建立軸承模型時，直接繪制支架為一部分，在打印過程中，點擊“無支撐打印”。這使軸承部件能夠成功地打印，但支架的形狀和類型還必須按照型號設計。打印軸承采用了四種支架方式：無支撐的自動扶柱、無支撐的扶柱、立柱和環(huán)狀支撐。其中環(huán)狀支撐效果最好，最后打印完成模型，在其他形式下，珠子被移動和打印都失敗了。根據(jù)軸承結(jié)構的特點，在模型打印時，由于滾珠存在，必須加強支撐設計。圓柱形的支撐和球體之間的接觸很小，這有助于球打印及支撐去除;環(huán)形支持固定在與球接觸的區(qū)域，并在打印時支撐球以保證對其的修復。

五、3d打印實訓項目建設思路

在計算機輔助設計模型文件的基礎上，通過高溫熔化、固化金屬或塑料等可粘合材質(zhì)，逐層對三維部件進行原型打印。有四個典型的代表工藝：光敏樹脂固化成型（sla）、選擇激光粉末燒結(jié)成型（sls）、層壓成型（lom）和熔絲堆疊成型（fdm），其中fdm熔絲堆疊成型（fdm）發(fā)展很快，因其操作便于維護、簡單、成本低，可制造復雜度高的諸多的優(yōu)點，被廣泛應用于高校工程訓練領域。FDM熔絲堆疊成型的過程是：熱熔嘴由電腦控制，在X-Y方向做平面運動，ABS或PLA材質(zhì)塑料絲通過熱熔腔加熱，熔融后經(jīng)噴嘴擠出并逐層堆疊成型，直到打印完成。

結(jié)論：3D打印作為一種新型的智能制造技術，可以引入對機械專業(yè)學生的專業(yè)教育，實踐教學可以將課程中的文本知識轉(zhuǎn)化為實際操作，提高學生操作能力與學習熱情，開闊視野，培養(yǎng)學生設計與創(chuàng)新意識，增加學生就業(yè)機會。教師應充分把握打印對象和3D打印機設備的特點，合理優(yōu)化打印過程，特別是匹配設計，總結(jié)技能，確保實踐過程中設備正常工作。

參考文獻：

[1]周玉環(huán).3D打印技術對機械工程的影響探析[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018：70-71.

[2]白鶴，陳濤，周有源，王核心，何石磊.3D打印技術在高職機械教學中的實踐及應用技巧[J].電工技術，2018：100-101+103.

[3]林宗德.3D打印技術在機械創(chuàng)新實驗教學的應用研究[J].機械管理開發(fā)，2019：159-160.

[4]孫倫業(yè)，張新.3D打印實訓項目在機械工程創(chuàng)新實踐教學中的應用??[J].《考試周刊》，2016：109-110

廣東工貿(mào)職業(yè)技術學院 周渝明 閻漢生 何軍擁