逆向工程與3D打印在大學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

高　奇,　李衛(wèi)民,　曾　紅

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

0　引　言

大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)是高等教育重要任務(wù)之一。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新科學(xué)知識(shí)的重要形式之一，開放型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是一種以學(xué)生為主體的主動(dòng)創(chuàng)新實(shí)踐模式[1-3]。開放實(shí)驗(yàn)即由教師提出和建立項(xiàng)目庫，學(xué)生選擇開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師指導(dǎo)學(xué)生完成，最后由教師對學(xué)生項(xiàng)目進(jìn)行評價(jià)和答辯，即充分利用現(xiàn)有資源，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，促進(jìn)和提高開放實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)[4-5]。

3D打印技術(shù)是通過2D成型的三維疊加來實(shí)現(xiàn)零部件制造的一種新型增材制造技術(shù)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)不受傳統(tǒng)制造工藝的限制，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型[6-8]。在全球制造業(yè)不斷挑戰(zhàn)的今天，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品迅速搶占市場，提高產(chǎn)品的競爭力，產(chǎn)品制造需要不斷向智能化方向發(fā)展[9-10]?！爸袊圃?025”計(jì)劃提出2016年初建立較為完善的增材制造智能化產(chǎn)業(yè)體系，隨著3D打印技術(shù)在精度、速度、打印材料方面不斷的進(jìn)步，和現(xiàn)代工業(yè)智能化的發(fā)展，3D打印與信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的結(jié)合被不斷的推向更高、更多的制造領(lǐng)域，拓寬了3D打印技術(shù)在多種產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和加工中的應(yīng)用[11-12]。

1　開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施首要的是建立健全高效的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生提供硬件設(shè)施與資源。

(1) 實(shí)驗(yàn)室提供用于逆向工程和3D打印的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。包括：非接觸式REVscan手持式激光掃描儀、光敏樹脂為基材的SPS450B快速成型機(jī)、ZK550硅膠注型機(jī)，及后續(xù)用于檢測的德國溫澤XOrbit三坐標(biāo)測量機(jī)。

(2) 電腦機(jī)房。公用的計(jì)算機(jī)資源專門用于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、產(chǎn)品模型的逆向重建及創(chuàng)新產(chǎn)品的正向造型設(shè)計(jì)，和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)預(yù)處理。

(3) 校企共建模式。實(shí)現(xiàn)了桌面級打印實(shí)驗(yàn)室的建立，企業(yè)方為學(xué)校批量定制了桌面級的3D打印機(jī)，滿足校內(nèi)各專業(yè)的不同需求，企業(yè)在合作過程中擴(kuò)大了聲譽(yù)和影響，同時(shí)為校方提供資源和學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉提供了大力支持。

(4) 多元化評價(jià)機(jī)制。開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)由指導(dǎo)教師為學(xué)生答辯和評價(jià)，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)通過參競賽機(jī)制由專家組給出評價(jià)。

(5) 多元化項(xiàng)目資源。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含相關(guān)課程的驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科相關(guān)的各類競賽項(xiàng)目、及教師制定和學(xué)生自主設(shè)計(jì)的綜合性試驗(yàn)。

2　開放實(shí)驗(yàn)實(shí)例實(shí)施過程

選用書簡作為3D打印的原型。該書簡制品取之于學(xué)校圖書館內(nèi)的書韻雕塑，通過逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)制品的快速設(shè)計(jì)制作，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2.1　模型重建

通過非接觸式REVscan手持式激光掃描儀對書簡實(shí)物進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于書簡形狀屬于展示性藝術(shù)品，尺寸精度要求相對較低，可適當(dāng)提高掃描速度，模型重建采用犀牛Rhinoceros軟件進(jìn)行，該軟件更適合曲面類軟件的編輯操作，實(shí)現(xiàn)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面化，在曲面化過程中容易出現(xiàn)較多的壞變，需將犀牛軟件處理后格式為3DM的曲面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入實(shí)體建模軟件Solidworks中進(jìn)行模型修復(fù)。常見的壞邊形式如圖2所示。

圖2　曲面壞邊

解決此類壞邊的方法為：曲面重疊需在實(shí)體處理軟件中準(zhǔn)確選取各多余曲面并依次刪除。面體重疊可采用嘗試愈合面選項(xiàng)功能將其與板實(shí)體組合為一體。板間縫隙需利用軟件評估選項(xiàng)中的測量功能對缺失部分進(jìn)行尺寸測量，確定缺失部分的準(zhǔn)確尺寸后，建立修補(bǔ)輪廓面，經(jīng)過拉伸，切除，組合等特征將該縫隙縫補(bǔ)成功。完成書簡的實(shí)體化，該制品數(shù)字模型如圖3所示。

圖3　書簡數(shù)字模型

2.2　3D打印

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為西安交通大學(xué)研制的SPS450B快速成型機(jī)，燒結(jié)材料為進(jìn)口光敏樹脂。將處理好的書簡模型導(dǎo)入系統(tǒng)處理軟件RPdata中，進(jìn)行書簡實(shí)體的分層高度和點(diǎn)狀支撐的設(shè)定，獲得數(shù)據(jù)導(dǎo)入到成型機(jī)控制軟件RPbuild中完成參數(shù)設(shè)定，其中：工藝參數(shù)為：掃面間距0.15 mm，填充掃面速度3.5 m/s，輪廓掃面速度為2.0 m/s，補(bǔ)償直徑0.15 mm。經(jīng)過0.5 h后一個(gè)完整的書簡實(shí)體被打印出來，將打印好的實(shí)體從快速成型機(jī)中取出，經(jīng)過去除支撐、酒精浸泡、噴砂機(jī)光順處理后得到實(shí)體如圖4所示。

圖4　3D打印書簡實(shí)體

2.3　快速模具制造

傳統(tǒng)模具制造方法通過機(jī)械加工方式獲得，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜類型腔來講，加工工藝煩瑣、生產(chǎn)周期較長、生產(chǎn)成本較高[13]。硅膠快速模具具有較好的彈性，具有無需或較少考慮產(chǎn)品復(fù)雜程度的特點(diǎn)，在模具行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，由于模具壽命有限，特別適合中小批量的產(chǎn)品翻制[14-15]。

(1) 制作型框和固定原型。依據(jù)書簡的特征尺寸確定澆注型框的尺寸，設(shè)定書簡邊界與型框距離1 cm以方便取模。分型面設(shè)定在書簡板材下底面邊界，以降低對外觀影響，澆口位置設(shè)置在下底面中央位置，通過熱塑材料與型框固定。

(2) 硅橡膠計(jì)量、混合并真空脫泡。上述型框尺寸為18 cm×5 cm×3 cm，硅膠密度為1.3 g/cm3，計(jì)算需澆注硅膠質(zhì)量為1 240 g。由于硅膠具有粘附性，應(yīng)適當(dāng)高出計(jì)算質(zhì)量的10%，以免不夠?；旌蠑嚢韫枘z，抽真空完成硅膠脫泡。

(3) 硅膠固化。將混合脫泡硅膠注滿型框，繼續(xù)抽真空，去除澆注過程硅膠中產(chǎn)生的氣泡，完成后置于注型機(jī)中一段時(shí)間防止變形。

(4) 撕裂型框、開模、翻制樣件。注滿硅膠型框置于干燥機(jī)中加熱使其硬化后，撕裂型框去除書簡原型。為保證后續(xù)翻制精度，用手術(shù)刀片沿分型面以波浪形狀對硅膠模開模，取出原型，并對硅橡膠模的型腔噴涂分型劑以便于取出翻制件，向清理后的模具型腔內(nèi)注入混合的AB料即可得到翻制的書簡樣件，如圖5所示。

圖5　硅膠模具及翻制的樣件

3　結(jié)　語

以書簡制品為開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)例，采用逆向工程和3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)制作，闡述了完整的開放實(shí)驗(yàn)流程。

(1) 由學(xué)生選擇和完成開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提升了學(xué)生軟件處理數(shù)據(jù)操作能力，體驗(yàn)了產(chǎn)品制造不受傳統(tǒng)工藝限制的加工方法，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

(2) 完善的開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁欣诖龠M(jìn)學(xué)生將理論設(shè)計(jì)與實(shí)際加工完美的結(jié)合，并應(yīng)用于生產(chǎn)過程。

(3) 逆向工程和3D打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，體現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的最新發(fā)展趨勢，對于提升學(xué)生就業(yè)能力和實(shí)踐能力具有積極作用。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]徐建東,王海燕,胡總.高校開放實(shí)驗(yàn)管理模式創(chuàng)新研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(2):22-26.

[2]劉媛媛,張付華,陳偉華.面向3D打印復(fù)合工藝的生物CAD/CAM系統(tǒng)及試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(15):147-154.

[3]張楠,李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2013(7):97-99.

[4]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育,2013,8(3):119-120.

[5]高奇,曾紅,張德強(qiáng).3D打印在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(11):28-30.

[6]譚躍剛,陳章念,張帆,等. 3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室及其應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2016, 35(9):246-249.

[7]高奇,曾紅.基于快速制造技術(shù)的大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2014,17(10):4-6.

[8]孫純學(xué),高若宇.高校綜合性實(shí)驗(yàn)課程的開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(10):128-130.

[9]孫江山,吳永和,任友群.3D打印教育創(chuàng)新:創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和STEAM[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究, 2015(4):96-103.

[10]成思源.逆向程技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[11]顏水年,李生杰,熊草,等.基于快速原型的組織工程支架成形技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(5):93-98.

[12]袁曉東.基于逆向工程與3D打印技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì), 2015(10):105-108.

[13]張昊.工業(yè)設(shè)計(jì)下3D打印與傳統(tǒng)模具的互補(bǔ)生存研究[J]. 藝術(shù)科技, 2016(12):283.

[14]金捷.基于快速成型技術(shù)的快速模具制造[J].熱加工工藝, 2011,40(9):186-187.

[15]岳彥芳,周云光,何林楠,等. 環(huán)氧樹脂快速模具材料配方及其固化工藝的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2013, 35(13):1-3.