D打印技術(shù)在理論教學(xué)中的應(yīng)用

張捷　顧海　李彬　袁祖強(qiáng)

【摘 要】3D打印亦稱作快速成型或增材制造，它可以方便地“打印”出各種模型。在理論教學(xué)中，為加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，通常需要借助動(dòng)畫或者實(shí)物，例如機(jī)械制圖中零件的三視圖，機(jī)械原理中的機(jī)構(gòu)。本文以機(jī)械原理課程中四連桿機(jī)構(gòu)為例，詳細(xì)介紹利用先臨Einstart-S打印機(jī)制作四連桿機(jī)構(gòu)過程，包括模型建立、虛擬裝配、打印機(jī)調(diào)試、模型導(dǎo)入以及打印全過程。在其它課程中，可以參照該過程，舉一反三，將3D打印技術(shù)更好地融入理論教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】3D打?。焕碚摻虒W(xué)；FDM；四連桿機(jī)構(gòu)

0 序言

3D打印技術(shù)，即增材制造（Additive Manufacturing，AM）。它是一種以數(shù)字三維CAD模型設(shè)計(jì)文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用高能束源或其他方式，將液體、熔融體，粉末、絲、片、板、塊等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，直接構(gòu)造出物體的技術(shù)[1-2]。

2015年8月，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)了《中國(guó)制造2025》，明確了下新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大背景下，中國(guó)主動(dòng)應(yīng)對(duì)全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新格局和未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新挑戰(zhàn)的發(fā)展戰(zhàn)略[3，4]。同月21日，李克強(qiáng)總理主持國(guó)務(wù)院先進(jìn)制造與3D打印專題講座，并邀請(qǐng)盧秉恒院士做專題介紹。這體現(xiàn)出我國(guó)對(duì)3D打印的重視程度，也彰顯了在戰(zhàn)略層面我國(guó)對(duì)制造業(yè)發(fā)展面臨的形勢(shì)和環(huán)境的深刻理解。

我校在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的道路上，緊跟國(guó)家步伐，創(chuàng)立了3D打印研究所和服務(wù)中心。作為一線教師，如何將新技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合值得深思。在經(jīng)過一段時(shí)間的培訓(xùn)和接觸后，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)對(duì)于實(shí)際教學(xué)確有幫助，利用3D打印簡(jiǎn)易并快速成型的優(yōu)勢(shì)，可在教學(xué)中打印出實(shí)體和機(jī)構(gòu)，既便于學(xué)生直觀理解和掌握知識(shí)，又能激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲望。本文以機(jī)械原理課程中四桿機(jī)構(gòu)為例，詳細(xì)介紹基于熔融沉積制造工藝的先臨Einstart-S打印機(jī)制作四連桿機(jī)構(gòu)的全過程。

1 FDM工藝原理介紹

FDM全稱熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling），這種工藝的基礎(chǔ)就是將熱塑性塑料聚合體材料加熱熔融成絲，像擠牙膏一樣從噴頭擠出，堆積在成型面上成型，設(shè)備涵蓋從構(gòu)建快速概念模型到慢速高精密模型的不同應(yīng)用區(qū)間，材料主要是聚酯、ABS、彈性體材料、以及熔模鑄造用蠟。

圖1為FDM工藝原理圖，將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴，噴頭可沿X軸方向移動(dòng)，而工作臺(tái)則沿Y軸方向移動(dòng)。如熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型[5]。

2 模型建立

本例中需建立四根連桿以及四個(gè)銷釘?shù)哪Ｐ?，采用Pro/E實(shí)體建模功能實(shí)現(xiàn)建模，在草繪模式下畫出零件的二維剖面圖，然后通過適當(dāng)?shù)乩臁⑿D(zhuǎn)、鏡像、掃描、混合等方法實(shí)現(xiàn)二維圖轉(zhuǎn)換三維實(shí)體，再在三維實(shí)體上創(chuàng)建孔、槽、布爾運(yùn)算、倒角和圓角等完成實(shí)體特征構(gòu)造。其三維模型如圖2。

完成各零件建模之后，將各零件按設(shè)計(jì)要求的約束或連接方式裝配到一起才能行成一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)。Pro/E組件模塊提供了豐富的約束方式和裝配類型，約束包括匹配、對(duì)齊、插入、相切、固定等；裝配類型有剛性、銷釘、圓柱、平面、滑動(dòng)桿等。四桿機(jī)構(gòu)在虛擬裝配裝配時(shí)，其中三處連接采用銷釘裝配，第四處采用圓柱副裝配，避免過定位。裝配圖如圖3。

3 打印機(jī)調(diào)試

初次打印之前需要對(duì)打印機(jī)做雞蛋調(diào)試，包括進(jìn)絲、設(shè)置Z軸高度和平臺(tái)調(diào)平三個(gè)步驟；

（1）進(jìn)絲

打開3dStart軟件，連接打印機(jī)。如圖4，點(diǎn)擊擠出機(jī)控制、進(jìn)料，機(jī)器開始加熱，噴嘴溫度達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，機(jī)器開始出絲。當(dāng)出絲均勻穩(wěn)定，即可停止進(jìn)料。

（2）設(shè)置Z軸高度

根據(jù)FDM工藝的原理，打印時(shí)，須將平臺(tái)升至距離噴嘴最近處，然后平臺(tái)逐層下降、逐層打印，所以需要設(shè)置Z軸高度。設(shè)置過程如圖5。

圖5 設(shè)置Z軸高度

（3）平臺(tái)調(diào)平

開始打印時(shí)，噴嘴相對(duì)于平臺(tái)做X、Y方向的直線移動(dòng)，所以必須保證平臺(tái)平行與XY平面。同時(shí)，打印第一層時(shí)需保證平臺(tái)與噴嘴的距離適當(dāng)。調(diào)節(jié)過程如圖6，點(diǎn)擊平臺(tái)調(diào)平中左上、上、中心等按鈕，可以控制噴嘴移動(dòng)至平臺(tái)對(duì)應(yīng)位置，在平臺(tái)與噴嘴之間插入1張A4紙，輕輕拉動(dòng)，感覺紙張與平臺(tái)和噴嘴之間的摩擦。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)下方三個(gè)螺釘，使得噴嘴在平臺(tái)9個(gè)特殊位置處紙張與平臺(tái)和噴嘴之間輕輕摩擦，即可保證平臺(tái)與噴嘴的距離適當(dāng)。

（a） （b）

4 模型導(dǎo)入及打印

將PROE中建好的零件模型統(tǒng)一保存為STL文件，打開Magics軟件，導(dǎo)入所有零件，進(jìn)行適當(dāng)位置調(diào)整后，將多個(gè)零件合并成一個(gè)整體，并導(dǎo)出新的STL文件。

在3dStart中打開新的STL文件，調(diào)整至合適大小，如圖7。點(diǎn)擊生成路徑，如圖8，選擇PLA材料，勾選“生成完畢自動(dòng)開始打印”，其余參數(shù)默認(rèn)即可。經(jīng)過幾十分鐘的等待，便可得到四根連桿和銷釘.

5 總結(jié)

通過以上過程可以輕松制作一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，上課時(shí)通過實(shí)際演示，學(xué)生很好地理解四桿機(jī)構(gòu)原理和應(yīng)用。在平時(shí)教學(xué)中，尤其是機(jī)械制圖課程，對(duì)于比較復(fù)雜的組合體可以快速用3D打印機(jī)制作一個(gè)實(shí)體，以便學(xué)生理解。總之，作為新時(shí)代的教師，在今后的教學(xué)中，應(yīng)緊跟時(shí)代步伐，用新技術(shù)新方法來傳遞知識(shí)，培養(yǎng)出優(yōu)秀的應(yīng)用型技術(shù)人才。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，04：1-4.

[2]Wohlers Associates，Wohlers Report 2013-Additive manufacturing and 3D printing state of the Industry Annual Worldwide Progress Report，2013，USA.

[3]國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國(guó)制造2025》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.

[4]于灝.“中國(guó)制造2025”下的3D打印[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015，7：20-27.

[5]譚永生.FDM快速成型技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2000，01：26-28.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]