3D打印實(shí)訓(xùn)探索

賴(lài)周藝，吳培棟，陳樹(shù)林，姜俊俠

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172）

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3D打印實(shí)訓(xùn)探索

賴(lài)周藝，吳培棟，陳樹(shù)林，姜俊俠

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172）

摘 要：3D打印是世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，必將對(duì)未來(lái)的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。為了讓學(xué)生接觸、體驗(yàn)和掌握3D打印技術(shù)，提高學(xué)生技能水平，本文對(duì)高職3D打印實(shí)訓(xùn)的開(kāi)展進(jìn)行了探索，編寫(xiě)并出版了《3D打印項(xiàng)目教程》教材，對(duì)3D打印實(shí)訓(xùn)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了解決意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：3D打??；高職實(shí)訓(xùn)；課程安排；課程問(wèn)題

3D打印技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，被認(rèn)為是最近20年來(lái)世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，未來(lái)的生產(chǎn)和生活模式必將因此而產(chǎn)生深刻改變。國(guó)內(nèi)外教育界高度關(guān)注3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［1-2］。三峽大學(xué)白廣華等探索了《3D 打印應(yīng)用與實(shí)踐》課程的開(kāi)展，針對(duì)簡(jiǎn)易模型進(jìn)行了從三維建模到打印成型的基本流程的實(shí)訓(xùn)［3］。大連理工大學(xué)王克欣等探索了在工程訓(xùn)練模塊中設(shè)置《3D打印技術(shù)》實(shí)訓(xùn)課程，根據(jù)學(xué)生不同專(zhuān)業(yè)和層次設(shè)置了“認(rèn)知”、“設(shè)計(jì)制造”和“綜合提高”三層次課程。深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院玩具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)也開(kāi)展了相關(guān)課題的研究，開(kāi)設(shè)了3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)，公開(kāi)出版了教材《3D打印項(xiàng)目教程》，形成了有效的課程模式［5-6］。依據(jù) “實(shí)踐為主、理論夠用”的高職課程設(shè)計(jì)原則，3D打印課程采用了理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，通過(guò)講解3D打印的理論知識(shí)及實(shí)踐方法，使學(xué)生擴(kuò)大對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)的了解，使得學(xué)生具備精熟的 3D打印實(shí)際操作技能與快速解決3D打印實(shí)際問(wèn)題的能力。

3D打印過(guò)程包括三維模型創(chuàng)建與3D打印設(shè)備操作。鑒于目前大部分高職院校理工科專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)了三維建模課程，高年級(jí)學(xué)生有一定的三維建?；A(chǔ)，因此3D打印實(shí)訓(xùn)側(cè)重于3D打印的操作應(yīng)用，且面向高職院校高年級(jí)的學(xué)生。

1　設(shè)備選擇

按照應(yīng)用層次分類(lèi)，3D打印機(jī)可分為工業(yè)級(jí)和桌面級(jí)。工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)成型精度高、打印尺寸范圍大，但價(jià)格較高（設(shè)備單價(jià)為數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)元）。桌面級(jí)3D打印機(jī)是工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的簡(jiǎn)化，價(jià)格低（一般在一萬(wàn)元以下）且操作簡(jiǎn)便，可滿(mǎn)足教學(xué)需求，是理想的教學(xué)設(shè)備。3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)采用北京某企業(yè)生產(chǎn)的UP Plus 2桌面級(jí)3D打印機(jī)（如圖1所示），其操作簡(jiǎn)易且打印性能穩(wěn)定，可保證各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)任務(wù)正常開(kāi)展。

圖1　桌面級(jí)3D打印機(jī)（UP Plus 2）Fig.1 Desktop class 3D printer （UP Plus 2）

UP Plus 2桌面級(jí)3D打印機(jī)采用熔融堆積成型（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）技術(shù)，其原理如圖2所示，以塑料絲材作為原材料，將加熱熔融的絲材從噴頭里擠出，在溫度低于材料熔點(diǎn)的工作臺(tái)上，迅速形成一層薄片輪廓截面，然后工作臺(tái)下降一定高度（即打印層厚），噴頭繼續(xù)擠出加熱熔融絲材，這樣逐層堆積，最終成形三維產(chǎn)品零件。FDM技術(shù)操作環(huán)境干凈、安全、可以在辦公室環(huán)境下進(jìn)行，表面質(zhì)量好，易于裝配，可以快速構(gòu)建瓶狀或中空零件，打印成本較低。FDM技術(shù)不足在于：打印成型零件表面精度較低，成形速度相對(duì)較慢，難以構(gòu)建表面要求高且細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，因此打印成型后需要進(jìn)行表面處理。因此，應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)備購(gòu)置的數(shù)量，盡量達(dá)到每二名學(xué)生一臺(tái)設(shè)備的比例。另外，如需開(kāi)展后處理實(shí)訓(xùn)，則需配置砂紙和噴油設(shè)備。

圖2　熔融擠出成型原理［7］Fig.2 Principle of fused deposition modeling［7］

2　實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與課時(shí)安排

高職教育以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主，旨在培養(yǎng)基礎(chǔ)理論知識(shí)適度、技術(shù)應(yīng)用能力強(qiáng)、知識(shí)面較寬、素質(zhì)高的技術(shù)型人才。3D打印實(shí)訓(xùn)應(yīng)以“應(yīng)用”為主旨來(lái)構(gòu)建課程教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代學(xué)徒制項(xiàng)目《3D打印技術(shù)訓(xùn)練與應(yīng)用》的研究與實(shí)踐，3D打印實(shí)訓(xùn)內(nèi)容如表1所示，包含五個(gè)項(xiàng)目二十二個(gè)任務(wù)；共安排36課時(shí)，對(duì)桌面級(jí)3D打印機(jī)的各種應(yīng)用進(jìn)行講解和實(shí)訓(xùn)。

如表1所示，項(xiàng)目1首先通過(guò)介紹3D打印技術(shù)概況，讓學(xué)生了解3D打印重要意義、發(fā)展現(xiàn)狀、分類(lèi)與應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印的興趣；然后現(xiàn)場(chǎng)講解3D打印機(jī)的構(gòu)成、安裝和打印耗材，使學(xué)生對(duì)3D打印機(jī)有直觀(guān)認(rèn)識(shí)；最后通過(guò)3D打印機(jī)初始化、工作臺(tái)自動(dòng)水平校準(zhǔn)、噴頭高度自動(dòng)測(cè)試、打印絲材擠出與撤回等實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握3D打印機(jī)基本操作，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

表1　3D打印實(shí)訓(xùn)高職課程內(nèi)容與課時(shí)Tab.1 The higher vocational course content of 3D printing technology and its applications

項(xiàng)目2以圓柱模型為例，通過(guò)3D打印不同類(lèi)型模型“填充實(shí)體、空心殼體和單層面體”的實(shí)踐教學(xué)（如圖3所示），使學(xué)生掌握3D打印基本應(yīng)用，具備打印簡(jiǎn)單三維模型的能力。

圖3　3D打印圓柱模型Fig.3 Cylinder model formed by 3D printing

項(xiàng)目3以橢圓球?yàn)槔ㄈ鐖D4所示），通過(guò)3D打印單層面體模型和空心殼體模型的實(shí)踐教學(xué)，系統(tǒng)學(xué)習(xí)層厚、支撐角度和密封角等主要工藝參數(shù)的調(diào)整，使學(xué)生掌握3D打印主要工藝參數(shù)的作用與調(diào)整，從而具備一定的工藝調(diào)整與改進(jìn)能力。

圖4　3D打印橢圓模型Fig.4 Elliptical model formed by 3D printing

項(xiàng)目4錐形交通路標(biāo)為例（如圖5所示），進(jìn)行打印模型的分割、材料更換（ABS和PLA耗材的更換）、無(wú)基底打印、雙色交替打印和模型拼接的實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握超出打印范圍的模型的處理方法與多色打印等高級(jí)應(yīng)用技巧。

項(xiàng)目5介紹3D打印機(jī)常用維護(hù)，包含噴嘴清理、噴頭高度手動(dòng)調(diào)整、打印平臺(tái)水平校準(zhǔn)與垂直校準(zhǔn)等任務(wù)的實(shí)踐教學(xué)。針對(duì)常見(jiàn)3D打印問(wèn)題（非實(shí)體模型、噴嘴停止擠出絲材、基座翹曲），本項(xiàng)目結(jié)合實(shí)例共同探討其起因與解決方法。本項(xiàng)目最后還安排了砂紙拋光與噴油實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握3D打印模型后處理技能。

圖5　3D打印錐形交通路標(biāo)模型Fig.5 Traffic cone model formed by 3D printing

3　實(shí)踐效果與問(wèn)題

教學(xué)實(shí)踐表明，上述5個(gè)課程項(xiàng)目由淺到深、層層深入，大部分學(xué)生能按時(shí)按質(zhì)完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，掌握3D打印機(jī)各項(xiàng)操作，能獨(dú)立完成各種模型的打印成型。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容經(jīng)梳理完善，已形成教材《3D打印項(xiàng)目教程》（見(jiàn)圖6），并由重慶大學(xué)出版社正式出版。

圖6　教材《3D打印項(xiàng)目教程》Fig.6 Textbook 3D printing project tutorial

高職學(xué)生對(duì)3D打印技術(shù)興趣濃厚，經(jīng)過(guò)課程實(shí)訓(xùn)后在掌握基本操作后，大部分學(xué)生能積極嘗試完成各種創(chuàng)意模型的3D打印成型（見(jiàn)圖7），掀起了模型設(shè)計(jì)、模型打印與模型改進(jìn)的熱潮，有效激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)造能力。

圖7　學(xué)生設(shè)計(jì)和3D打印的創(chuàng)意模型Fig.7 Creative models designed and 3D printed by students

實(shí)訓(xùn)過(guò)程中要注意以下問(wèn)題：1）環(huán)境溫度。UP Plus 2桌面級(jí)3D打印機(jī)為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)打印模式容易發(fā)生翹曲，使得打印失敗。因此3D打印實(shí)訓(xùn)需配備暖氣設(shè)備或安排在夏季。2）模型壁厚。UP Plus 2桌面級(jí)3D打印機(jī)噴嘴直徑為0.4mm，打印過(guò)程中絲材被壓扁至0.5mm寬度的跑道形狀界面，因此模型壁厚大于1mm時(shí)才能打印獲得有填充的實(shí)體。為了獲得較好剛度的零件，避免拆除支撐材料時(shí)發(fā)生折斷，最小壁厚最好為2mm。3）打印效率。UP Plus 2桌面級(jí)3D打印機(jī)采用FDM熔融堆積成型技術(shù)，打印速度較慢；因此打印模型不宜過(guò)大。另外建議盡量采用鏤空結(jié)構(gòu)，以減少打印時(shí)間。4）模型分割。雖然3D打印可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜形狀的模型的整體成型，但是過(guò)多的懸空部位將產(chǎn)生大量支撐材料，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)料，而且難以獲得最佳的表面質(zhì)量（生成支撐的部位表面較粗糙）。因此模型較大且形狀較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)考慮合理的“分塊打印+后期拼接”。5）材料選擇。如果模型打印結(jié)束后需要打磨和噴油，建議使用ABS耗材。ABS耗材成型后的硬度明顯比PLA高，不容易磨去特征形狀和尺寸。

4　結(jié)語(yǔ)

3D打印突破了傳統(tǒng)加工技術(shù)的限制，直接架起了設(shè)計(jì)模型與實(shí)物的橋梁，必將對(duì)生產(chǎn)和生活帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。掌握3D打印操作是應(yīng)用該技術(shù)的基礎(chǔ)，擔(dān)負(fù)培養(yǎng)高級(jí)技能人才的高職院校應(yīng)盡早將3D打印有機(jī)融入專(zhuān)業(yè)教學(xué)，積極探索適合各學(xué)校各專(zhuān)業(yè)的教學(xué)模式，使之成為一項(xiàng)有效的工具，推進(jìn)教學(xué)改革，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)（References）:

［1］ 兀旦暉， 趙晨飛. 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］. 課程教育研究，2013，27（1）: 185-186.

WU danhui， ZHAO chenfei. Implication research of 3D printing technology on teaching［J］. Course Education Research，2013，27（1）: 185-186. （in Chinese）

［2］ 張明潔. 3D打印在高等教育教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.江蘇科技信息，2015， （22）: 68-69.

ZHANG Mingjie. Research on Higher Education of 3D Printing［J］. Jiangsu Science & Technology Information，2015，（22）: 68-69. （in Chinese）

［3］ 白廣華， 李立軍. 3D打印技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2015， （10）:182-183.

BAI Guanghua， LI Lijun. Application of 3D printing technology in the practice teaching ［J］. Contemporary Education Research and Teaching Practice，2015， （10）: 68-69. （in Chinese）

［4］ 王克欣， 張紅哲， 梁延德， 唐勇超. 工程訓(xùn)練中設(shè)置“3D打印技術(shù)”實(shí)訓(xùn)課程的研究［J］. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（4）:138-140.

WANG Kexin， ZHANG Hongzhe， LIANG Yande， TANG Yongchao. Study to set 3D printing technology course in engineering training［J］. Laboratogy Science，2015， 18（4）: 138-140. （in Chinese）

［5］ 賴(lài)周藝， 姜俊俠. FDM 3D打印鱷魚(yú)模型翹曲變形分析與優(yōu)化［J］. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2014， 12（1）: 20-22.

LAI Zhouyi， JIANG Junxia. Warpage Analysis and optimization of alligator part formed by FDM 3D printing ［J］. Journal of Shenzhen Institute of Information Technology，2014， 12（1）: 20-22. （in Chinese）

［6］ 賴(lài)周藝，朱銘強(qiáng)， 郭嵊. 3D打印項(xiàng)目教程［M］. 重慶：重慶大學(xué)出版社， 2015.2.

LAI Zhouyi， ZHU Mingqiang， GUO Sheng. 3D printing project tutorial［M］. Chongqing: Chongqing university press，2015.2. （in Chinese）

［7］ 趙萍，蔣華，周芝庭. 熔融沉積快速成型工藝的原理及過(guò)程［J］. 機(jī)械制造與研究， 2003， （5）: 17-18，23.

ZHAO Ping， JIANG Hua，ZHOU Zhiting. The technology theory and process for fused deposition modeling rapid prototyping［J］. Machine Building & Automation， 2003， （5）: 17-18，23. （in Chinese）

【責(zé)任編輯：高潮】

【博士論壇】

The study on the training of 3D printing

LAI Zhouyi， WU Peidong， Chen Shulin， JIANG Junxia
（School of Electromechanical Engineering， Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518172， China）

Abstract:The 3D printing technology is a major breakthrough in the field of manufacturing， and will have a profound impact on the future production and life. To let students contact， experience and master the 3D printing technology and improve their technological literacy， the development of higher vocational training course 3D printing was studied， a textbook 3D printing project tutorial was developed and published， the common problems in the training course were analyzed and the corresponding solutions were putted forward.

Keywords:3D printing； higher vocational training course； training arrangement； course problem

中圖分類(lèi)號(hào)：G712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6332（2016）01-0077-05

［收稿日期］2015-12-1

［基金項(xiàng)目］深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院第五批教研課題（JY2013118）；河南省博士后基金項(xiàng)目（2011064）

［作者簡(jiǎn)介］賴(lài)周藝（1982-），男（漢），廣東茂名人，博士、工程師，主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。E-mail: laizouyi@sohu.com