熔融堆積型3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)

錢祉祺 周天楠 田晨旭

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

熔融堆積型3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)

錢祉祺 周天楠 田晨旭

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

為了培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生視野，鍛煉設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生深入了解3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，該文介紹了基于熔融堆積技術(shù)的3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)要求和流程，完成對(duì)熔融堆積型3D打印技術(shù)的基本掌握；并根據(jù)材料科學(xué)與工程學(xué)科特點(diǎn)，設(shè)定了拓展要求和實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)3D打印材料的制備、加工和應(yīng)用有所了解。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，該項(xiàng)目拓寬了學(xué)生視野，有效提高了學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新研究能力。

熔融堆積；3D打??；增材制造；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3D打印技術(shù)是以數(shù)字化、智能化、新材料應(yīng)用為特征的新興制造技術(shù)，被英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的標(biāo)志之一[1]。通過近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，它簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的制造程序，縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了效率并降低了成本。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它對(duì)先進(jìn)制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意、制造業(yè)信息化工程等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響[2]。因此，開展3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力非常重要。

3D打印技術(shù)主要分為熔融堆積型(FDM)、立體光固化型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)型(SLS)3種打印方式[3]。熔融堆積型3D打印是3D打印技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用材料熔融堆積，通過逐層打印的方式來構(gòu)造制品[4]。為了緊跟3D打印技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心先后購(gòu)置了1套3D打印線材擠出機(jī)組和2臺(tái)熔融堆積型3D打印機(jī)，為學(xué)生開設(shè)熔融堆積型3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和設(shè)備

主要教學(xué)儀器設(shè)備包括：FDM20-2525熔融堆積型3D打印機(jī)2臺(tái)；安裝有Solidwork、SketchUp2014等三維造型軟件和Cura切片分層軟件的計(jì)算機(jī)2臺(tái)；上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XSS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀及3D線材擠出生產(chǎn)附件1套。

測(cè)試設(shè)備包括：FEI公司Quanta250掃描電子顯微鏡1臺(tái)；天津材料試驗(yàn)機(jī)廠洛氏硬度計(jì)1臺(tái)；日本島津AG-10TA電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)1臺(tái)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料

實(shí)驗(yàn)原材料包含：直徑1.5 mm，1 kg/卷規(guī)格的ABS成品線材2卷；ABS原料5 kg；長(zhǎng)度不超過1 mm，長(zhǎng)徑比不低于50的玻璃纖維(GF)300 g。

2 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)要求和步驟

2.1 基礎(chǔ)要求

熔融堆積型3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)要求主要有以下3個(gè)方面：

1)掌握制品的3D設(shè)計(jì)和造型，能夠在切片分層軟件中對(duì)模型進(jìn)行正確分層。對(duì)于中空制品能夠正確設(shè)定填充比；

2)掌握熔融堆積型3D打印機(jī)的使用，準(zhǔn)確排查和處理打印中遇到的問題和故障；

3)熟練掌握打印完成的制品敷料、填充物清理。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

熔融堆積型3D打印實(shí)驗(yàn)的基本步驟如下：

1)在計(jì)算機(jī)完成3D模型的設(shè)計(jì)；

2)檢查3D打印機(jī)托盤及線材；

3)預(yù)熱3D打印機(jī)，觀察機(jī)嘴預(yù)出料情況，清理打印機(jī)機(jī)嘴；

4)在分層軟件中對(duì)3D模型進(jìn)行檢查，對(duì)中空部分設(shè)定合理的填充比；利用計(jì)算機(jī)對(duì)模型切片分層；

5)打印機(jī)預(yù)熱后開始打?。?/p>

6)打印完成后，取出制品，清理制品底部敷料和填充物。

3 實(shí)驗(yàn)拓展要求和步驟

3D打印技術(shù)的進(jìn)步離不開打印材料的發(fā)展。當(dāng)前3D打印材料已經(jīng)成為制約3D打印發(fā)展的技術(shù)瓶頸[5]。材料科學(xué)與工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要關(guān)注3D打印制造加工技術(shù)的掌握，更要關(guān)注3D打印材料的研究和開發(fā)[6]。因此，在學(xué)生熟練掌握熔融堆積型3D打印實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)要求和步驟的基礎(chǔ)上，我們依托上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XSS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀及3D線材擠出生產(chǎn)附件，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了以掌握“3D打印材料研究”為目的的拓展要求和實(shí)驗(yàn)流程。

3.1 拓展要求

1)以ABS和玻纖制備復(fù)合材料，掌握3D打印材料的共混擠出、線材卷制等工藝。

2)了解3D打印機(jī)針對(duì)不同材料如何進(jìn)行溫度等參數(shù)的調(diào)整和設(shè)定。

3)掌握3D打印材料的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，對(duì)3D打印材料的研究方法有初步了解。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)預(yù)熱轉(zhuǎn)矩流變儀，混合ABS和玻纖原料；

2)投料、混煉、擠出、卷制3D打印線材，觀察加工過程；

3)將卷制的線材安裝在3D打印機(jī)上，按照實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)要求和步驟開始實(shí)驗(yàn)；

4)觀察3D打印機(jī)機(jī)嘴擠出情況，調(diào)整3D打印機(jī)機(jī)嘴溫度，以滿足打印的需要；

5)完成3D打印過程；

6)將ABS成品打印材料與自制的ABS/GF打印材料分別取樣，測(cè)定表面硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，在掃描電鏡下觀察自制的ABS/GF復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)形貌。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在表面硬度計(jì)和電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)ABS成品打印材料與ABS/GF自制打印材料的機(jī)械性能進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到兩種材料的機(jī)械性能范圍和對(duì)比數(shù)據(jù)，如表1所示。

同時(shí)，將自制的ABS/GF復(fù)合材料在掃描電鏡下進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)形貌觀察，得到的結(jié)果如圖1所示。

表1 ABS成品打印材料與ABS/GF

圖1 ABS/GF自制打印材料掃描電鏡圖

通過以上實(shí)驗(yàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，可以使學(xué)生對(duì)3D打印材料的研發(fā)思路和研究方法有所掌握。

4 結(jié)束語

本文介紹了熔融堆積型3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)要求和實(shí)驗(yàn)步驟，并根據(jù)材料科學(xué)與工程的學(xué)科特點(diǎn)設(shè)定了拓展要求和實(shí)驗(yàn)步驟。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生視野，鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生深入了解3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，收到了較好的教學(xué)效果。

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Construction of 3D Printing Experimental Teaching Based on Fused Deposition Modeling Technology

QIAN Zhiqi, ZHOU Tiannan, TIAN Chenxu

(College of Polymer Sci&Eng, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to cultivate students’ interest in learning, broaden their horizons, exercise design and innovation ability, and help students to understand the development trend of 3D printing technology, this paper introduces the construction of 3D printing experimental teaching based on fused deposition modeling technology.Based on the basic requirement and process of the experiment，students can basically master the fused deposition modeling type 3D printing technology, and according to the characteristics of material science and engineering discipline, we set up the advanced requirements and experiments, so that the students have an understanding of the preparation, processing and application of 3D printing material.By the construction of experimental teaching, the project can broaden the horizons of students, effectively improve the students' ability in design and innovation research.

fused deposition modeling; 3D printing; additive manufacturing; experimental teaching

2015-03-16；修改日期:2016-11-21

四川大學(xué)2015年實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目(2014047)。

錢祉祺(1975-)，男，碩士，助理研究員，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方面的工作。

TH145.4-2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.033