3D打印在大學(xué)生創(chuàng)新實驗中的應(yīng)用研究

高 奇，曾 紅，張德強

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的新型的快速成型技術(shù)，3D打印是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，在產(chǎn)品設(shè)計、建筑、航空航天、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間［1－3］。隨著3D 打 印技術(shù)的發(fā) 展，3D 打 印 在 教 育 領(lǐng)域中的應(yīng)用受到研究者的關(guān)注，正帶來教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的創(chuàng)新。大學(xué)生創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是社會發(fā)展的不竭動力，而制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，是國家安全的保障，是國家競爭力的重要體現(xiàn)，現(xiàn)代制造技術(shù)水平的高低已成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展的主要標(biāo)志［4－6］。3D打印技術(shù)將帶給現(xiàn)代制造技術(shù)深刻的影響，本文以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為依托，闡述3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新實驗中的應(yīng)用。

1 創(chuàng)新實驗條件

實驗室現(xiàn)有實驗設(shè)備有非接觸式REVscan自定位手持式三維激光掃描儀、西安交通大學(xué)SPS450B快速成型機、ZK500硅膠注型機、噴砂機等。大學(xué)生創(chuàng)新性實驗的開設(shè)以項目驅(qū)動為主導(dǎo)，服務(wù)于創(chuàng)新產(chǎn)品的快速設(shè)計與制造，給學(xué)生直觀的樣機體驗，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力和實踐能力。實驗項目開設(shè)方式有：

（1）課程實驗。圍繞“先進(jìn)制造技術(shù)”、“機械原理”、“機械創(chuàng)新設(shè)計”等課程相關(guān)內(nèi)容，開設(shè)課程創(chuàng)新實驗，鼓勵學(xué)生完成機械類零部件創(chuàng)新設(shè)計和3D打印。

（2）創(chuàng)新大賽。如國家級的“挑戰(zhàn)杯”大賽、機械設(shè)計創(chuàng)新大賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練能力競賽，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計和3D打印物理樣機的調(diào)試。

（3）開放實驗。包括手機外殼、葉片、法蘭盤等零件的逆向工程與3D打印，學(xué)生也可自主選題。

2 創(chuàng)新實驗項目案例分析

以遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“3D打印的汽車起動機殼體”為例，學(xué)生在經(jīng)過相關(guān)課程的理論學(xué)習(xí)和實驗設(shè)備的培訓(xùn)后，以創(chuàng)新團(tuán)隊為小組的模式進(jìn)行任務(wù)設(shè)計、分工，保證項目的實施，具體的工藝流程如下。

2.1 三維建模

三維模型是3D打印的基礎(chǔ)，通?？梢杂?種方式來獲得三維模型。

第一種正向造型，可使用Pro/E、SolidWorks、UG等主流軟件按照起動機殼體的零件圖尺寸要求來精確地創(chuàng)建三維模型，如圖1所示。端蓋一般分為2部分（前端蓋和后端蓋），起固定轉(zhuǎn)子、定子、整流器和電刷組件的作用。端蓋一般用鋁合金鑄造，一是可以有效地防止漏磁，二是鋁合金散熱的性能好。

圖1 三維模型

第二種可通過逆向工程技術(shù)［7－9］，使用非接觸式REVscan自定位手持式三維激光掃描儀對殼體零件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過軟件來對獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、光順等一系列處理后，同樣獲得3D打印所需要的三維模型，如圖2所示。

圖2 逆向工程

2.2 分割三維數(shù)據(jù)成二維

3D打印的實質(zhì)是2D打印的逐層疊加，把起動機殼體的三維模型導(dǎo)入分層處理軟件，將整個三維模型沿水平方向“切割”成一定數(shù)量的二維薄片，設(shè)定每層厚度（0.1mm）。從理論上講，厚度設(shè)定的越小，分割的層數(shù)越多，臺階效應(yīng)越小，那么將來打印出的產(chǎn)品尺寸也就越接近于原始設(shè)計數(shù)據(jù)，精度越高，如圖3所示。

圖3 分層及設(shè)定支撐

隨后設(shè)定支撐，在端蓋成型過程中，由于未被激光束照射的部分材料仍為液態(tài)，它不能使制件界面上的孤立輪廓和懸臂輪廓定位，因此必須設(shè)計一些細(xì)柱狀或肋狀支撐結(jié)構(gòu)，并在成型過程中制作這些支撐結(jié)構(gòu)，以便確保制件的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠固定，同時也有助于減少制件的翹曲變形。最后，通過仿真觀察它的成型過程并輸出數(shù)據(jù)。

2.3 3D打印

將分層處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機的控制軟件中，設(shè)定打印參數(shù)就可以執(zhí)行打印過程了。目前，3D打印比較成熟的方法有：光固化成型、分層實體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成形［10－12］。

本實驗使用的這臺設(shè)備（SPS450B快速成型機）是基于光固化成型原理的3D打印機，計算機控制激光束對作為原料的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，這樣就形成零件的一個薄層。

隨后工作臺下移一個層厚的距離，刮板將黏度較大的樹脂液面刮平，然后進(jìn)行下一層的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個原型制造完畢。經(jīng)過一段時間后，一個完整的起動機殼體便制造出來，如圖4所示。3D打印好的零件經(jīng)過固化、去除支撐，清洗、修整、上色等操作后，就可以實驗使用了。

圖4 3D打印

通過汽車起動機殼體的3D打印過程，證明了該技術(shù)的突出的優(yōu)點，無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)直接驅(qū)動3D打印系統(tǒng)生產(chǎn)出任意復(fù)雜形狀三維物理實體，并可以進(jìn)行快速模具制造，極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造技術(shù)”，可以提高原材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。

3 3D打印創(chuàng)新實驗應(yīng)用分析

3.1 教與學(xué)的創(chuàng)新

3D打印將抽象概念和設(shè)計引入現(xiàn)實世界，對教學(xué)內(nèi)容中的某些科學(xué)過程或抽象概念進(jìn)行可視化展現(xiàn)，使學(xué)習(xí)者獲得更多的認(rèn)知體驗，將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為可觀察、可觸摸的實體模型，提高思維能力，促進(jìn)學(xué)習(xí)者立體化地獲取和理解知識，拓展創(chuàng)造性思維，從而提高學(xué)習(xí)效果。

3D打印在知識和技能、理論和現(xiàn)實之間架起了橋梁，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，為教師講解該內(nèi)容提供了一種更直觀的“觸覺教學(xué)”方法。

3.2 團(tuán)隊創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

各項創(chuàng)新大賽及實驗項目的實施，為3D打印技術(shù)的推廣提供了廣闊的空間。產(chǎn)品從設(shè)計到打印、裝配、調(diào)試，都需要學(xué)生參與完成，將促進(jìn)學(xué)習(xí)者操作能力、制作能力和團(tuán)隊協(xié)作創(chuàng)新能力的發(fā)展，學(xué)習(xí)者可以從設(shè)計、制作、展示、參與等角度融入學(xué)習(xí)過程中，有效地激發(fā)學(xué)生實踐的積極性，提高學(xué)習(xí)熱情。培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力。

4 結(jié)論

通過3D打印技術(shù)在汽車起動機殼體中的應(yīng)用，對3D打印技術(shù)在大學(xué)生創(chuàng)新實驗中的教學(xué)方法和作用進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

（1）實驗教學(xué)過程中，通過理論講解和現(xiàn)場案例演示的實驗指導(dǎo)，讓學(xué)生團(tuán)隊基于項目驅(qū)動的創(chuàng)新實驗參與實驗室的創(chuàng)新活動，在實驗過程中，讓學(xué)生掌握從三維掃描到3D打印獨立完成，可培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

（2）實驗設(shè)備的使用，REVscan激光掃描儀完成實體掃描，通過后處理創(chuàng)建三維模型，送入到SPS450B快速成型機中完成3D打印過程，完成一體化設(shè)計與制造，實驗內(nèi)容體現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù)的最新發(fā)展趨勢，可見在現(xiàn)代機械工業(yè)中3D打印具有良好的應(yīng)用空間。

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