趙青

摘 要： 為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，作者進(jìn)行了3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目的建設(shè)，讓學(xué)生通過概念設(shè)計(jì)、三維建模、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、制造零件原型的全過程，加深對(duì)生產(chǎn)工藝知識(shí)的理解，提高學(xué)生的綜合工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞： 3D打印 工程實(shí)踐 能力培養(yǎng)

高等院校培養(yǎng)工程技術(shù)人才不僅需要理論，更需要工程實(shí)踐、工程規(guī)范、工程經(jīng)驗(yàn)和具有豐富想象力的創(chuàng)新思維。工程實(shí)踐教學(xué)作為一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)工藝知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)，鞏固及加深理論知識(shí)，提高綜合工程素質(zhì)具有重要作用。

1.項(xiàng)目建設(shè)思路

工程訓(xùn)練教學(xué)體系在不斷改革與創(chuàng)新，從傳統(tǒng)技能訓(xùn)練逐步拓展為先進(jìn)的制造技術(shù)，加強(qiáng)新工藝、新材料、新技術(shù)的實(shí)踐內(nèi)容，并注重學(xué)科交叉，注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，獨(dú)立獲取知識(shí)的能力，綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和獨(dú)立思維的能力，養(yǎng)成不滿足現(xiàn)狀和求新求變的良好習(xí)慣，懂得不同行業(yè)的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，獲取基本的工程閱歷和經(jīng)驗(yàn)，為未來的發(fā)明創(chuàng)造奠定豐厚的知識(shí)、思維、素質(zhì)和實(shí)踐基礎(chǔ)。為順應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展，工程訓(xùn)練中心開發(fā)創(chuàng)建了3D打印訓(xùn)練項(xiàng)目。

3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，讓人們更有效地設(shè)計(jì)出有自己的創(chuàng)意的東西，并且生產(chǎn)出的零件更精細(xì)輕盈。建設(shè)3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可以使學(xué)生學(xué)到三維CAD軟件知識(shí)、學(xué)到計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，并深入了解利用高科技手段進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的概念，掌握從概念設(shè)計(jì)到原型制造的一般工藝流程，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[2]。

2.建設(shè)內(nèi)容

2.1設(shè)備選型

由于是讓學(xué)生了解一些3D的快速成型技術(shù)，掌握一般的工藝流程及原理，中心購買了杭州先臨三維科技股份有限公司生產(chǎn)的Einstart3D打印機(jī)（見圖1），其攜帶方便、操作簡(jiǎn)易。只需要幾個(gè)按鍵就可以很容易地制造出自己喜歡的模型，可使用的材料是ABS、PLA成型材料。ABS塑料具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的沖擊強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性好、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性，成型加工和機(jī)械加工較好；PLA成型材料具有最良好的抗拉強(qiáng)度及延展度，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，應(yīng)用十分廣泛。

圖1 Einstart3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2工藝過程及原理

3D打印技術(shù)的工藝方法有幾十種之多，其中比較具有代表性的工藝方法是：分層實(shí)體成型工藝、立體光固化成型工藝、選擇性激光燒結(jié)工藝、熔融沉積成型工藝、三維印刷工藝。Einstart3D打印機(jī)采用的工藝是FDM熔絲沉積成型工藝（見圖2），它是將絲狀熱熔性材料加熱到臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài)，然后加熱頭會(huì)在軟件控制下沿CAD確定的二維幾何軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的材料擠壓出來，材料瞬時(shí)凝固形成有輪廓形狀的薄層。這個(gè)過程與二維打印機(jī)的打印過程很相似，但從打印頭出來的不是油墨，而是ABS樹脂等材料的熔融物。同時(shí)因?yàn)?D打印機(jī)的打印頭或底座能夠在垂直方向移動(dòng)，所以它能讓材料逐層進(jìn)行快速累積，并且每層都是CAD模型確定的軌跡打印出確定的形狀，所以最終打印出設(shè)計(jì)好的三維物體。

圖2 熔融沉積成型FDM工藝原理示意圖

3D打印的工藝過程分以下幾個(gè)步驟：

2.2.1設(shè)計(jì)CAD三維模型。由CAD軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型。

2.2.2三維CAD模型的近似處理。采用STL格式的文件轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將3D實(shí)體用小三角形進(jìn)行逼近，形成STL格式近似模型文件。

2.2.3分層切片，加入支撐。讀入TSL文件，將STL格式的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為快速成型制造系統(tǒng)可接受的層片模型。對(duì)TSL文件切片，求出支撐區(qū)域，路徑規(guī)劃，生成支撐掃描路徑。

2.2.4熔融沉積成型。熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行疊加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型，生成三維模型。

2.2.5快速成型的后處理。主要是清理零件表面，去除實(shí)體的輔助支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)部分實(shí)體表面進(jìn)行處理，僅需要幾min到15min的時(shí)間，使原型精度、表面粗糙度等達(dá)到要求。

2.3教學(xué)方案

根據(jù)學(xué)生的專業(yè)不同，制訂出以下兩種有針對(duì)性的教學(xué)方案：

2.3.1非機(jī)類學(xué)生重點(diǎn)講解3D打印的基本概念以及常見的幾種成型方法原理及過程，3D打印技術(shù)應(yīng)用。目的是使學(xué)生了解3D打印技術(shù)的工藝原理與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識(shí)。非機(jī)類學(xué)生由于時(shí)間短，訓(xùn)練項(xiàng)目多，只能演示3D打印機(jī)的工作過程，制作演示件。

2.3.2機(jī)類學(xué)生重點(diǎn)介紹3D打印技術(shù)的基本原理與概念、制造的工藝過程及其應(yīng)用，講解典型的幾種成型方法。要求學(xué)生牢固掌握3D打印的原理；了解3D打印技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)一步了解3D打印技術(shù)的加工過程；掌握3D打印設(shè)備的使用方法。

訓(xùn)練內(nèi)容：做出創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案→設(shè)計(jì)圖紙→學(xué)習(xí)CAD或UG等軟件的應(yīng)用→利用三維軟件畫出三維模型→掌握三維打印機(jī)的操作步驟（開機(jī)、裝材料、機(jī)器維護(hù)等）→導(dǎo)入STL文件→參數(shù)設(shè)置→制作自己設(shè)計(jì)的零件。

圖3 學(xué)生3D打印作品

3.結(jié)語

3D打印實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的建設(shè)將有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)，學(xué)到的不只是單一工種的技能訓(xùn)練，而是學(xué)習(xí)CAD/CAM技術(shù)、CNC技術(shù)、激光技術(shù)、新材料技術(shù)及逆向工程等多種知識(shí)，此訓(xùn)練可以把學(xué)生的設(shè)計(jì)方案變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的工具，使原型和設(shè)計(jì)理念融會(huì)貫通。學(xué)生完成一個(gè)零件的制作，不但提高工程實(shí)踐能力，還對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)、產(chǎn)品研制、企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力有一定了解。通過此訓(xùn)練擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，增強(qiáng)知識(shí)連貫性，提高綜合分析問題能力和工程實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛晶晶，王志奎.淺談3D打印技術(shù)[J].無線互聯(lián)科技，2014（6）.

[2]張國玲，吳濤，張功國.快速成型訓(xùn)練項(xiàng)目的建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011（07）.