3D打印在UG_CAD課程教學(xué)中的應(yīng)用初探

李路娜　湯銳　桑晶

摘要：3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。本文在介紹3D打印工作原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討將3D打印技術(shù)引入到UG課程教學(xué)中的意義和作用，并用一個(gè)完整的實(shí)例闡述了3D打印技術(shù)在UG_CAD課程教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；快速成型；UG_CAD課程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）04-0200-02

一、引言

3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，將對(duì)社會(huì)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域帶來(lái)深刻影響。3D打印的未來(lái)發(fā)展將使大規(guī)模的個(gè)性化制作與生產(chǎn)成為可能，在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、醫(yī)學(xué)、航空航天、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景引起了教育工作者的關(guān)注。2013年版的《地平線報(bào)告》首次將3D打印的教育應(yīng)用列入了“待普及”的新技術(shù)清單，并對(duì)3D打印作了比較詳細(xì)的介紹，報(bào)告認(rèn)為，該技術(shù)將會(huì)在4～5年內(nèi)普及。本文在介紹3D打印工作原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了3D打印技術(shù)在UG_CAD課程教學(xué)中的作用并以應(yīng)用實(shí)例講述了具體實(shí)施過(guò)程。

二、3D打印工作原理與特點(diǎn)

（一）工作原理

3D打印（3DP，Three Dimension Printing），也稱增材制造，該工藝是由美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制，以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用陶瓷粉末和金屬粉末作為粘合材料，通過(guò)逐層打印、層層堆積的方式打印三維實(shí)物的技術(shù)過(guò)程[1]。

3D打印的基本過(guò)程分為3D模型建模、3D模型分層、激光逐層掃描和快速原型制作四個(gè)部分（見(jiàn)圖1）。

3D模型建?？赏ㄟ^(guò)三維軟件（如UG、Pro/ESolidworks等）建?；蚴褂?D掃描儀進(jìn)行逆向建模。模型分層則是借助切片軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層分切，獲取每層的截面信息。激光逐層掃描和快速原型制作，則是采用3D打印設(shè)備掃描讀取各截面層信息，對(duì)分切的每一層進(jìn)行構(gòu)建、打印并逐層粘合，從而快速制造出實(shí)體。

（二）特點(diǎn)分析

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工和模具，直接由計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成實(shí)物。與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下。

1.實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作。用戶采用建模軟件設(shè)計(jì)所需模型，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)無(wú)法加工的外形，滿足設(shè)計(jì)者的需求。

2.制造周期短。3D打印省去了模具設(shè)計(jì)和制造等工序，生產(chǎn)周期大大縮短，簡(jiǎn)化了制造流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

3.材料利用率高。3D打印時(shí)，材料成形方式改變，通過(guò)層層堆積的方法形成實(shí)物，廢料較少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

三、3D打印在UG_CAD教學(xué)中的作用

（一）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升自我學(xué)習(xí)能力

3D打印是UG課程的拓展，將數(shù)字化模型變?yōu)閷?shí)物。它為學(xué)習(xí)活動(dòng)開(kāi)辟了新的空間，連接創(chuàng)新（創(chuàng)意）設(shè)計(jì)、三維數(shù)字化建模、3D打印制作和后處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生為完成作品將通過(guò)多種渠道學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技能，自我學(xué)習(xí)能力得到了提升。

（二）豐富學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高動(dòng)手能力

由于3D打印不受刀具規(guī)格、機(jī)床類型及零件復(fù)雜程度的限制，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力進(jìn)行設(shè)計(jì)并打印制作，這種設(shè)計(jì)和制作一體化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、觀察能力和制造能力，同時(shí)動(dòng)手能力也得到了全面提高。

（三）將“創(chuàng)”和“造”結(jié)合，培養(yǎng)“創(chuàng)客”

所謂“創(chuàng)客”（Maker）一般是指不以營(yíng)利為目標(biāo)，利用3D打印技術(shù)及各種開(kāi)源硬件，努力把各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人（網(wǎng)絡(luò)解釋）。將UG_CAD課程教學(xué)與3D打印相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新、創(chuàng)意設(shè)計(jì)與3D打印制作一體化，是“創(chuàng)”與“造”的結(jié)合，達(dá)到了創(chuàng)客式教育[2]（將動(dòng)手操作、實(shí)踐體驗(yàn)融合進(jìn)教學(xué)過(guò)程）的目的。

四、應(yīng)用實(shí)例

在UG_CAD教學(xué)中，將內(nèi)容劃分為基本操作、三維實(shí)體建模、曲面建模、裝配圖和工程圖等[3]模塊。曲面建模最能體現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，風(fēng)扇具備曲面建模特征，以其設(shè)計(jì)制作為例，講述了3D打印在UG_CAD教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）風(fēng)扇產(chǎn)品建模

1.新建文件夾”/D/fengshan.prt，進(jìn)入建模模塊。

2.采用設(shè)計(jì)特征。草圖繪制、偏置曲面、投影曲線、編輯曲線和通過(guò)曲線組等命令，繪制如圖2a所示圖形。

3.進(jìn)行片體加厚、邊倒圓、偏置實(shí)體面等操作，效果如圖2b所示。

4.使用移動(dòng)對(duì)象命令，選擇變換方式為“角度”，指定旋轉(zhuǎn)矢量和軸點(diǎn)，繪制另外兩個(gè)葉片，效果如圖2c所示。

5.繼續(xù)進(jìn)行邊倒圓、布爾運(yùn)算、打孔等操作，完成風(fēng)扇建模并保存，如圖2d所示。

6.“.stl”格式導(dǎo)出。單擊文件→導(dǎo)出→“.stl”格式→指定文件名“fengshan.stl”進(jìn)行導(dǎo)出。

（二）風(fēng)扇實(shí)物制作

采用學(xué)院3D打?。ㄔ霾闹圃欤┲行腗akerbotZ18設(shè)備（見(jiàn)圖3（a））打印制作風(fēng)扇產(chǎn)品，該設(shè)備提供三種方式將模型打印出來(lái)，即電腦連接3D打印機(jī)、U盤(pán)脫機(jī)打印或WiFi連接打印。筆者采用U盤(pán)脫機(jī)打印，具體打印步驟如下。

1.將模型“fengshan.stl”數(shù)據(jù)導(dǎo)入到切片軟件Makerbot中，選取設(shè)備型號(hào)Z18，調(diào)整模型尺寸、位置，設(shè)置好填充比例、速度、底座、支撐等，以“.x3g”格式將模型fengshan導(dǎo)出并保存到U盤(pán)中。

2.脫機(jī)打印。將U盤(pán)插入打印機(jī)USB接口中，開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，裝絲并調(diào)平成型底板后選擇“fengshan.x3g”模型進(jìn)行打印。

3.成果。打印材料選用PLA（Polylactic acid），這是一種從玉米中提取的可再生且無(wú)污染的生物樹(shù)脂塑料。打印出實(shí)物如圖3（b）、圖3（c）所示，圖3（b）中包含底座和支撐，圖3（c）為經(jīng)過(guò)處理（去支撐）后的產(chǎn)品。

五、結(jié)語(yǔ)

采用UG軟件進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化建模和利用3D打印機(jī)進(jìn)行快速原型制作相結(jié)合，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，拓展了學(xué)生的感覺(jué)和知覺(jué)，促進(jìn)了學(xué)生思維能力的發(fā)展。學(xué)生在主動(dòng)參與、善于思考的過(guò)程中提高了管理能力、動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力，并積極參與2015年中美創(chuàng)客大賽和CAD建模大賽，取得了優(yōu)異成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯琳，齊健.3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景展望[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2013，（9）：66-70.

[2]楊現(xiàn)民，李冀紅.創(chuàng)客教育的價(jià)值潛能及其爭(zhēng)議[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2015，（2）.

[3]彭湘蓉.“任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”在UG教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)踐與探索，2012，（5）.