三峽大學(xué) 白廣華 李立軍

3D 打?。?D printing）技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種。是一種基于離散-疊加原理的快速加工制造方式，也被稱為疊加制造。3D 打印的原理與過程是：首先，得到三維模型，其方法有兩種：一種是正向設(shè)計，通過三維設(shè)計軟件構(gòu)建零件三維模型；一種是逆向設(shè)計，通過輔助設(shè)備（如三維掃描、CT 等）將所需要數(shù)據(jù)收集并整理得到三維模型。模型得到后將模型轉(zhuǎn)換為3D打印系統(tǒng)能夠讀取、接受的格式。然后，將模型導(dǎo)入3D打印系統(tǒng)，根據(jù)加工工藝對模型進行分層切片處理，得到各層片的截面數(shù)據(jù)。最后，按照截面數(shù)據(jù)信息生成加工代碼，控制系統(tǒng)根據(jù)加工代碼將成型材料層層固化連接，最終制造出所需要的部件。3D 打印過程都是一種將材料一層層疊加的過程，只不過根據(jù)材料的形狀和連接方式不同又將3D 打印機分成了很多種類，現(xiàn)在市面比較流行的主要有：光固化成型、分層實體造型、熔融沉積成型、三維噴涂粘接、激光燒結(jié)。

一、成型方式

1.光固化成型。光固化成型 (Stereo Lithography Apparatus.簡稱SLA)技術(shù)也叫立體光刻成型技術(shù)，是當(dāng)今世界上研究比較深入、技術(shù)比較成熟、應(yīng)用比較廣泛的成型技術(shù)。它的原理就是利用紫外激光照射對紫外光非常敏感的液態(tài)光敏樹脂使其固化成型。光固化成型的過程是在一個容器中放入足夠多的光敏樹脂，容器內(nèi)放一與升降臺相連的成型，板并與液面保持一定的距離。經(jīng)過聚焦的紫外激光束在控制器的控制下按照零件的截面數(shù)據(jù)對液態(tài)光敏樹脂進行逐層掃描。被掃描的光敏樹脂瞬間產(chǎn)生光聚合反應(yīng)變?yōu)楣腆w，固化后的樹脂粘到成型板上形成零件的一個層面，此時升降臺下降一個距離，如此反復(fù)直至整個零件制作完畢。此種成型方式的優(yōu)點是成型精度高，表面質(zhì)量好，原料利用率高；缺點是設(shè)備和材料成本高。

2.層片粘接技術(shù)。層片粘接 (Laminated Object Manufacturing簡稱 LOM)技術(shù)也稱薄材疊層制造技術(shù)是利用刀具或激光切割薄層紙、塑料薄膜、金屬薄片或陶瓷薄片等片材，通過熱熔膠或其他方式層層粘接，疊加獲得三維實體模型。分層實體制造僅切割內(nèi)外輪廓，無需加工內(nèi)部成型速度高，造型材料一般用涂有熱熔膠及添加劑的紙張，成本低，但紙張材料的應(yīng)用用途受限，工件的性能不高。

3.熔融沉積成型。 熔融沉積成型 (Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)技術(shù)也稱熔絲沉積制造，是利用電加熱法等熱源熔化熱熔性材料，然后在程序的控制下移動熔化材料，逐層堆積成三維實體。其過程是被制成絲狀的材料通過送絲機構(gòu)進入被加熱到材料熔點溫度的噴頭；噴頭在控制器的控制下沿零件輪廓和填充軌跡輸出材料，擠出材料迅速固化，并與上層的材料黏結(jié)通過層層堆積成型，最終完成零件制造。熔融成型零件強度好，無需激光器等貴重元器件，系統(tǒng)成本低。

4.三維噴涂粘接。 三維噴涂粘接(Three Dimensional Printing，簡稱 3DP)技術(shù)也稱立體印刷技術(shù)，是一種利用微滴噴射的成型技術(shù)。過程與印機相似，其工藝過程為噴頭在微型計算機的控制下，按照得到的數(shù)據(jù)，在鋪好的粉末上，有選擇地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末黏結(jié)，形成一薄層，一層黏結(jié)成型后工作臺下降一個層厚距離，重新鋪粉，繼續(xù)選區(qū)噴射黏結(jié)劑，成型的薄層與已成型的薄層黏為一體，如此重復(fù)，直至工件加工成型。三維噴涂黏結(jié)系統(tǒng)不采用激光器件，成本低，缺點為零件致密度不高且噴頭容易堵塞。

5.選擇性激光燒結(jié)。選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering，簡稱 SLS)技術(shù)也叫激光選取燒結(jié)，是利用具有高能量的激光束的熱效應(yīng)使粉末軟化或熔化，粘接成薄層，并逐層疊加獲得三維實體模型。其工藝過程為先在工作臺鋪一層粉末，高能激光束在計算機的控制下根據(jù)模型的界面數(shù)據(jù)，有選擇地對已鋪粉末進行掃描，被掃描的粉末因燒結(jié)或熔化粘接在一起，未被掃描的粉末起支撐作用并可以再利用，一層加工完畢后，工作臺下降一個層厚高度，重復(fù)上述步驟，新燒結(jié)層與前一層粘結(jié)為一體，如此重復(fù)直到工件加工完畢。選擇性激光燒結(jié)的優(yōu)點為成形材料廣泛，材料利用率高；缺點為無法直接成型高性能的金屬和陶瓷部件，成形大工件易發(fā)生變形，精度很難控制。

上述五種3D 打印技術(shù)雖在市面常用，但用于教學(xué)還要綜合考慮打印機的成本經(jīng)過市場調(diào)研，選擇性激光燒結(jié)、三維噴涂粘接和分層實體制造暫不考慮，主要考慮成本低加工效率相對較高的光固化成型和熔融沉積成型兩種，二者比較如下表。

注：光敏樹脂為進口材料

經(jīng)過反復(fù)調(diào)研最終我們決定選用北京太爾時代科技的up 3D 打印機其打印機主要性能參數(shù)為：

二、3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用

1.前期工作。利用三維軟件繪制三維圖形，支持3D 打印的軟件有很多，如CATIA、UG、pro/E、auto CAD 等軟件，只要能將圖形存為stl 格式即可。圖1為學(xué)生在上課時利用UG 軟件自己設(shè)計的一個鑰匙扣。

圖1

STL 格式的轉(zhuǎn)化 幾種軟件轉(zhuǎn)化為STL 格式的方法：

AutoCAD2007

輸出模型必須為三維圖形，并且xyz 坐標(biāo)為正值，步驟為：

（1）文件—輸出

（2）文件類型為平面印刷STL 格式，給出文件名

（3）然后選擇要輸出的實體

（4）確定輸出實體

NX10

（1）文件—導(dǎo)出—STL

（2）設(shè)置快速成型參數(shù)

（3）給出快速成型文件的名稱

（4）給出文件頭信息

（5）選擇快速成型的體

Pro/E

（1）文件—輸出—模型

（2）設(shè)定文件類型的格式為STL

（3）設(shè)定模型弦高和角度。模型的弦高的設(shè)定為越小越好，到考慮到加工成本貴一半根據(jù)工件形狀大小有關(guān)。

（4）選擇文件名。

圖2 Siemens PLM software NX10 STL格式轉(zhuǎn)化

2.圖形打印.將文件用up 打印機專用的切片軟件打開，然后設(shè)置層高和其他參數(shù)如圖3所示。

圖3

圖4 打印后的模型

三、教學(xué)效果與問題

3D 打印應(yīng)用與實踐課程得到了同學(xué)的一致好評，但是也存在一些問題：打印的圖紙讓學(xué)生自己設(shè)計速度慢，并且學(xué)生沒有很好的軟件基礎(chǔ)，前期的準(zhǔn)備時間較長，給學(xué)生提前準(zhǔn)備圖形讓學(xué)生感到枯燥無味；3D 打印速度慢，學(xué)生設(shè)計一個厚度為3.5mm的小掛飾打印的時間要12 分鐘，一個不是太大的玩偶打印的時間基本上為3 到4 個小時，漫長的時間讓學(xué)生感覺無所事事； 材料價格昂貴，學(xué)生打一個掛飾一般為3g 左右按最便宜的價格一個需要1.5 元左右，一學(xué)期下來材料費很貴；打印機維護費用高，一般情況下維護費用都在2000 元左右； 打印精度低，打印出來的模型精度不高，增加了學(xué)生對模型的處理時間。

四、總結(jié)

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)可以增強學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生的想象力和設(shè)計創(chuàng)新能力?，F(xiàn)在3D 打印技術(shù)已列入國家“863”計劃，得到了國家的重視，并且現(xiàn)在各個高校在大力推廣3D 打印技術(shù)，各種學(xué)生競賽也在突出3D 打印技術(shù)，像全國工程訓(xùn)練綜合能力競賽就專門設(shè)置了3D 打印環(huán)節(jié)。3D 打印技術(shù)雖然在實踐教學(xué)中應(yīng)用不是太成熟，但隨著教學(xué)工作者的不斷探索，在不久的將來會在實踐教學(xué)中起到舉足輕重的作用。