3D打印訓練項目建設的探索與實踐

楊 洋,周 亮,李曉春

（吉林大學 工程訓練中心,長春 130025）

3D打印訓練項目建設的探索與實踐

楊 洋,周 亮,李曉春

（吉林大學 工程訓練中心,長春 130025）

為培養(yǎng)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識，進行了3D打印實訓項目的建設，學生通過概念設計、三維建模、格式轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理、制造零件原型的全過程，加深了對生產(chǎn)工藝知識的了解，提高了學生的綜合實踐能力。

3D打印；工程訓練；創(chuàng)新

0 引 言

工程實踐教學作為高等院校培養(yǎng)工程類人才的重要環(huán)節(jié)，對學生學習基礎(chǔ)工藝知識，開創(chuàng)創(chuàng)新思維，增強工程實踐能力和工程意識，鞏固及加深理論知識具有重要作用[1]。工程訓練課程體系在不斷地創(chuàng)新與改革，從傳統(tǒng)的技能訓練逐步拓展為先進的制造技術(shù)，加強了新工藝、新技術(shù)、新材料的實踐內(nèi)容，并注重學科交叉，注重培養(yǎng)綜合創(chuàng)新實訓能力、獨立自主的設計與制作能力[2]。我校工程訓練中心為順應新形勢的發(fā)展開發(fā)創(chuàng)建了3D打印訓練模塊。

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)零件制造方法，不需機械加工或任何模具，它是以CAD模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造零件原型。3D打印技術(shù)可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新產(chǎn)品設計等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段[3]。建設3D打印訓練項目，可以讓學生了解前沿制造技術(shù)，掌握從概念設計到原型制造的一般工藝流程，有利于培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

1 建設內(nèi)容

1.1 設備選型

中心購買的是北京太爾公司生產(chǎn)的up便攜式桌面3D打印機，up使用的材料是ABS成型材料，該成型材料使模型尺寸穩(wěn)定，且堅固耐用。

圖1 up三維打印機結(jié)構(gòu)

1.2 工藝過程及原理

3D打印技術(shù)的工藝方法目前有幾十種，其中具有代表性的工藝方法是：液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型、分層實體制造、選擇性激光燒結(jié)和熔融沉積成型。up采用的工藝是FDM熔融沉積成型，其工藝過程是：噴頭在計算機的控制下，根據(jù)計算機給出的截面輪廓信息，做x-y-z運動。絲材（如塑料絲）由送絲機構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱、熔化，選擇性地涂覆在工作臺上，并快速冷卻固化，一層加工完成后，工作臺下降一個層厚，再進行后一層的涂覆，如此循環(huán)直到形成三維產(chǎn)品。

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步驟：

（1）CAD建模 由CAD軟件設計出所需零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型。

（2）格式的轉(zhuǎn)換 采用STL格式的文件轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將3D實體用小三角形進行逼近，形成STL格式近似模型文件。

（3）分層 將3D模型沿Z向離散為一系列2D層片。

（4）處理層面信息 根據(jù)分層的輪廓信息，規(guī)劃工藝，進一步選擇加工的參數(shù)，生成數(shù)控加工代碼。

（5）打印模型。

（6）后處理 清理零件表面，去除輔助支撐結(jié)構(gòu)，僅需要幾min到15 min 的時間，剝離支撐后模型即可使用。

1.3 教學方案

根據(jù)學生的專業(yè)，制定出三種有針對性的教學方案：

（1）非機類學生（2學時）重點講解3D打印的概念以及常見的幾種成型方法原理與過程，3D打印技術(shù)應用。目的是使學生了解3D打印技術(shù)的工藝原理與應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新思維。非機類學生由于時間短，訓練項目多，只能演示3D打印機的工作過程，制作演示件。

（2）機類學生（8學時）重點介紹3D打印技術(shù)的基本原理與概念、制造的工藝過程及其應用，講解典型的幾種成型方法。要求學生牢固掌握3D打印的原理；進一步了解3D打印技術(shù)的加工過程；了解3D打印技術(shù)的應用特點，掌握3D打印設備的使用方法。

訓練內(nèi)容：做出創(chuàng)意設計方案—設計圖紙—利用三維軟件畫出三維模型—掌握三維打印機的操作步驟（開機、裝材料、機器維護等）—導入stl文件—參數(shù)設置—制作自己設計的零件。

圖3 學生打印作品

2 結(jié)語

3D打印實訓項目的建設將有助于加深學生對先進制造技術(shù)的認識，其中包括了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，使學生了解先進制造技術(shù)的發(fā)展及應用，有助于提高學生的學習興趣。

[1]楊洋，曲曉海，李曉春.車床主軸箱虛擬拆裝系統(tǒng)在拆裝實訓教學中的應用[J].裝配制造技術(shù)，2013（07）.

[2]張國玲，吳濤，張功國.快速成型訓練項目的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（07）.

[3]鄭紅梅，高正一.工程實踐訓練中的快速原型制造技術(shù)[J].合肥工業(yè)大學學報，2001（01）.