關(guān)于職業(yè)院校3D打印課程教學(xué)的研究

錢(qián)懌暉

[摘 要] 主要介紹了3D打印課程在技工院校的具體開(kāi)展，從3D打印理論介紹、3D建模、打印機(jī)的安裝調(diào)試、3D打樣和參數(shù)設(shè)置和樣品的后處理五部分展開(kāi)，每一項(xiàng)都有具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容、流程和時(shí)間占比。

[關(guān) 鍵 詞] 3D打?。?D建模；調(diào)試；參數(shù)設(shè)置；后處理

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP334.8 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）02-0178-02

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印的出現(xiàn)，使平面變成立體的過(guò)程一下簡(jiǎn)單了很多，設(shè)計(jì)師的任何改動(dòng)都可在幾個(gè)小時(shí)后或一夜之間打印出來(lái)，這樣可以大大縮短制作周期、降低制作成本。

學(xué)校通過(guò)3D打印課程，能更好地提升學(xué)生的三維造型能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。我們以普通教學(xué)周18周、每周4節(jié)為例，將3D打印教學(xué)分為五大塊展開(kāi)，如下圖1，圖中也包含了每塊內(nèi)容的教學(xué)時(shí)間占比。

第一部分是3D打印的理論學(xué)習(xí)，這兩周主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容是3D打印的原理和分類(lèi)、3D打印技術(shù)工藝設(shè)置和材料分析、3D打印制作及后置處理和常用3D打印機(jī)的介紹。這四部分都是3D打印技術(shù)理論的核心內(nèi)容，也起著把學(xué)生引進(jìn)這門(mén)學(xué)科的作用。在實(shí)際操作之前，學(xué)生必然要對(duì)3D打印技術(shù)的過(guò)程原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、材料特點(diǎn)等有所了解。這部分的教學(xué)可以采用傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)和實(shí)訓(xùn)室樣機(jī)介紹演示相結(jié)合的方式展開(kāi)。

第二部分是3D建模。在3D建模中我們需要花費(fèi)6周左右的時(shí)間，之所以花費(fèi)較多的時(shí)間主要是3D建模是3D打印的基礎(chǔ)，只有熟練地掌握3D建模這項(xiàng)技能，才能利用3D打印打印出合格的產(chǎn)品。在這里我們選用了美國(guó)的SolidWorks軟件進(jìn)行教學(xué)，建模的學(xué)習(xí)流程如圖2。

3D建模中的五個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目占比的時(shí)間都差不多，大致都為20%，如圖3。草圖的繪制是建模的基礎(chǔ)，有良好的草圖繪制基礎(chǔ)，則建模的學(xué)習(xí)就會(huì)容易得多。而基礎(chǔ)和復(fù)雜實(shí)體的學(xué)習(xí)內(nèi)容則包含“拉伸”“旋轉(zhuǎn)”“掃描”“放樣”“抽殼”等大部分命令，耗時(shí)最多。曲面設(shè)計(jì)包含較多不規(guī)則的面，設(shè)計(jì)要求高，難度大，但是在一般的實(shí)踐教學(xué)中不作為重點(diǎn)完全展開(kāi)。最后一項(xiàng)裝配包括基礎(chǔ)裝配和動(dòng)畫(huà)拆裝模擬，簡(jiǎn)單掌握這兩項(xiàng)即可。

第三部分是打印機(jī)的安裝和調(diào)試，教學(xué)周數(shù)為3周。對(duì)打印機(jī)的安裝部分一般都沒(méi)什么問(wèn)題，具有一定動(dòng)手能力的學(xué)生都可以根據(jù)說(shuō)明書(shū)完成打印機(jī)的安裝。我們以Einstart打印機(jī)為例，安裝流程如圖4所示。

對(duì)調(diào)試階段，就相對(duì)比較困難了，而且調(diào)試比較依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的積累，所以需要比較有經(jīng)驗(yàn)的老師實(shí)際指導(dǎo)和學(xué)生自己的多次嘗試。調(diào)試主要包括打印平臺(tái)調(diào)平、切片軟件的初步設(shè)置、進(jìn)退絲的處理三項(xiàng)，學(xué)習(xí)時(shí)間占比如圖5。

平臺(tái)調(diào)平對(duì)于打印機(jī)的打印是至關(guān)重要的一步，只有把打印平臺(tái)調(diào)平之后才能使噴頭逐步往上逐層打印，如果沒(méi)有調(diào)平平臺(tái)，則會(huì)造成打印失敗或者損壞噴頭。不管是手動(dòng)調(diào)平的打印機(jī)還是帶傳感器自動(dòng)調(diào)平的打印機(jī)，都需要一定的調(diào)平技術(shù)和時(shí)間進(jìn)行調(diào)平，我們一般采用A4紙抽插法。而切片軟件的正確設(shè)置則能保證程序的正確編制和正常打印，切片軟件的初始化設(shè)置只需要根據(jù)打印機(jī)的說(shuō)明書(shū)設(shè)置即可，根據(jù)不同的打印機(jī)可以進(jìn)行略微調(diào)整。進(jìn)退絲的調(diào)試則是查看噴頭進(jìn)、退絲是否順暢，是否會(huì)發(fā)生卡絲、吐絲不勻等問(wèn)題。

第四部分是打樣和參數(shù)設(shè)置，教學(xué)周數(shù)大致為5周。3D打樣是通過(guò)3D建模之后進(jìn)行切片編輯打樣，不但三維零件圖可以直接打印，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的裝配圖和復(fù)雜扭曲結(jié)構(gòu)也可以一次性打印出來(lái)。由于打樣的時(shí)間比較久，所以在課堂上一般都是進(jìn)行打樣參數(shù)的設(shè)置和打印模擬，而把實(shí)際打印放在課后進(jìn)行（打印時(shí)間雖然比較久，但是卻不占用上課時(shí)間）。具體流程如圖6。

通用格式的設(shè)置關(guān)系到模型打印精度，但是設(shè)置精度太高，則會(huì)加長(zhǎng)格式的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及打印時(shí)間，反之則會(huì)造成模型打印達(dá)不到要求，所以必須合理地設(shè)置格式轉(zhuǎn)換參數(shù)。切片軟件中參數(shù)較多，但大多屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，針對(duì)不同的模型、客戶(hù)要求、大小作用設(shè)置不同的參數(shù)達(dá)到不同的效果。例如一般的模型可以設(shè)置為空心率20%～30%，而結(jié)構(gòu)件則要求達(dá)到60%以上，簡(jiǎn)單模型的層厚可以設(shè)置為0.2 mm，而復(fù)雜模型的層厚在0.05～0.1 mm左右。打樣觀察一般只需要觀察打印機(jī)剛開(kāi)始工作時(shí)吐絲是否正常，首層是否著床（粘床），是否有周邊翹曲一般就可以了。

第五部分是模型的后處理，教學(xué)時(shí)間為1周左右。3D打印的零件通過(guò)逐層堆積而成，紋路肉眼可見(jiàn)。這在一定程度上會(huì)影響用戶(hù)的判斷，尤其外觀是一個(gè)重要因素時(shí)。所以必須進(jìn)行打印后表面及模型的細(xì)節(jié)相關(guān)處理，一般的后處理主要包括移除模型、去除支撐材料和表面細(xì)節(jié)處理，具體流程如圖8。

移除模型是指在打印完成之后，利用鏟刀來(lái)回撬松模型，并取下模型的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程一般比較容易完成。去除支撐材料是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，特別是采用內(nèi)外支撐的模型，對(duì)于去料者還是有較高的要求，特別要注意細(xì)節(jié)的地方和去料的準(zhǔn)確性，以免造成模型損壞。去除支撐材料用到的工具也比較多，有刻刀、尖嘴鉗、清洗槍等。表面細(xì)節(jié)處理可以利用砂紙打磨模型一圈圈的紋路，根據(jù)零件的精度和耐磨性，提前計(jì)算好打磨量，切不可過(guò)度打磨。這三項(xiàng)的學(xué)習(xí)時(shí)間占比如圖9。

18周的系統(tǒng)學(xué)習(xí)能讓同學(xué)們基本了解3D打印的工作過(guò)程、打印機(jī)和軟件的參數(shù)設(shè)置以及實(shí)際操作打印流程。但是3D打印技術(shù)對(duì)學(xué)生的影響不僅僅在于能讓學(xué)生學(xué)會(huì)建模軟件和操作機(jī)器，就3D打印機(jī)和建模來(lái)說(shuō)，那只是一臺(tái)機(jī)器和一個(gè)工作設(shè)計(jì)軟件，可我們通過(guò)3D打印課程能把學(xué)生培養(yǎng)成有想法、有創(chuàng)意的思考者和設(shè)計(jì)者，讓學(xué)生完成一個(gè)探索、思考和操作實(shí)現(xiàn)的完整過(guò)程，為學(xué)生開(kāi)辟一種全新的思維通道。

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