基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實訓(xùn)室及其應(yīng)用

邵雨虹 劉海明 張寶文

（長安大學(xué) 現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，西安 710061）

3D打印技術(shù)又稱為增材制造，屬于機械工程學(xué)科特種加工工藝的范圍，綜合了機械工程、信息技術(shù)、控制技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，是一門多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的先進制造技術(shù)，也是制造理論研究成果中具有代表性的成果之一，被認為是第四次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一[1]。《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃中，3D打印作為代表性的新興技術(shù)，以其自身獨特優(yōu)點，推動了制造生產(chǎn)模式的變革，推進了信息化與工業(yè)化的深度融合，是加快實現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)手段。

在“新工科”建設(shè)的背景下，為更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型和復(fù)合型卓越人才，長安大學(xué)現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心（下文中簡稱“中心”）作為高校工程教育的實踐教學(xué)基地，不僅有傳統(tǒng)的金工實習(xí)，還增加了工業(yè)制造領(lǐng)域中的新技術(shù)和新工藝綜合創(chuàng)新實訓(xùn)[2-3]。因此，“中心”建設(shè)了3D打印實訓(xùn)室，開設(shè)了基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實訓(xùn)，讓學(xué)生了解和初步掌握這種先進制造技術(shù)，豐富了工程訓(xùn)練的內(nèi)容，旨在提高學(xué)生工程實踐和綜合創(chuàng)新能力。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是基于三維CAD幾何模型，利用分層軟件分層處理和數(shù)控成型系統(tǒng)，通過激光或其他方法將材料逐層堆積，自下而上形成三維實體模型的制造技術(shù)[4]。3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，解決了基礎(chǔ)制造技術(shù)中難以加工的復(fù)雜零件的成型問題，大大縮短了加工周期，而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，3D打印技術(shù)的制造效率越顯著[5]。近年來，3D打印新工藝、新裝備取得了快速發(fā)展，根據(jù)成型方法可分為熔融沉積成形（FDM）、分層實體制造（LOM）、光固化立體成形（SLA）、電子束選區(qū)融化（EBM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS），廣泛應(yīng)用在模具制造、工業(yè)設(shè)計、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)和土木工程等領(lǐng)域[6-7]。

2 3D打印實訓(xùn)教學(xué)

2.1 實訓(xùn)教學(xué)設(shè)施

“中心”的3D實訓(xùn)室使用面積約為80m2，配備有1臺Inspire D290快速成型機、15臺太爾時代UP！plus2桌面3D打印機、1臺先臨三維掃描儀和16臺臺式電腦。3D打印實訓(xùn)室配備有兩名實訓(xùn)指導(dǎo)老師，并編制了3D打印實訓(xùn)指導(dǎo)書、教學(xué)大綱、PPT課件、實訓(xùn)報告和實訓(xùn)室管理規(guī)章制度，為3D打印實訓(xùn)教學(xué)的順利開展奠定了基礎(chǔ)，實訓(xùn)教室及相關(guān)設(shè)備照片分別如圖1～4所示。

2.2 實訓(xùn)教學(xué)目標

3D打印實訓(xùn)旨在使學(xué)生了解目前常用的3D打印技術(shù)、設(shè)備及材料、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，使學(xué)生掌握實訓(xùn)室配備的3D打印機工作原理和操作使用，使學(xué)生具備獨立使用3D打印技術(shù)進行模型制作的能力。

圖1 3D打印實訓(xùn)室

圖2 太爾時代UP PLUS2 3D打印機

圖3 太爾時代Inspire D290

圖4 三維掃描儀

2.3 實訓(xùn)的基本要求及內(nèi)容

2.3.1 基本知識

了解快速成型技術(shù)的發(fā)展歷程，各種不同成型技術(shù)的基本原理；了解快速成型工藝過程、特點和應(yīng)用；了解三維掃描儀的結(jié)構(gòu)形式和操作方法；熟悉3D打印的工作流程和3D打印機的分層軟件及打印支撐的設(shè)置；了解UP！桌面3D打印機結(jié)構(gòu)形式，掌握設(shè)備的操作。

2.3.2 基本技能

掌握熔融沉積成形技術(shù)的基本原理，會熟練操作實訓(xùn)室配備的UP！桌面打印機和分層軟件，能根據(jù)不同零件的幾何形狀，設(shè)置匹配的支撐，以獲得最高的成型精度。

2.3.3 實訓(xùn)內(nèi)容

3D打印實訓(xùn)課程采用多媒體講解、示范講解和學(xué)生獨立操作的工程訓(xùn)練模式。實訓(xùn)指導(dǎo)老師利用多媒體介紹快速成型技術(shù)的發(fā)展歷程、種類、基本原理及其應(yīng)用，重點講解熔融沉積成形方法和特點，并示范操作三維模型的建模、3D打印機及分層軟件的使用。受訓(xùn)學(xué)生要求獨立設(shè)計三維模型，掌握3D打印機工作平臺調(diào)平和噴嘴高度設(shè)置，獨立完成3D打印零件，并且滿足一定的精度要求。

2.4 實訓(xùn)考核方式

實訓(xùn)報告：要求實訓(xùn)報告對實訓(xùn)內(nèi)容、主要操作過程和結(jié)果進行記錄和總結(jié)；考核方式：根據(jù)設(shè)備操作的規(guī)范度和打印模型的精度，并結(jié)合實訓(xùn)報告給出成績。

3 科技創(chuàng)新實踐

3D打印技術(shù)具有快速成型和自動化程度高的顯著優(yōu)點，縮短了產(chǎn)品設(shè)計與制作周期，大大降低了人工成本，滿足了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的個性化、定制化、多品種和小批量的產(chǎn)品需求。當前，在工程訓(xùn)練綜合能力大賽、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、“挑戰(zhàn)杯”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等課外科技活動中，處處可見3D打印的作品。2017年第七屆上海市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽以3D打印為主題，要求制作一輛實現(xiàn)特定越障功能的3D打印無碳小車。此外，在文科學(xué)生的美學(xué)和工藝品設(shè)計上，3D打印機技術(shù)突破了傳統(tǒng)純手工制作模型的局限性，拓展了學(xué)生思維創(chuàng)新能力[8]。因此，3D打印技術(shù)已成為科技創(chuàng)新實踐活動的一項重要技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

3D打印以其制造原理的優(yōu)勢，在工程教育中更好地將理論與實踐聯(lián)系起來，基于3D打印技術(shù)的教學(xué)實訓(xùn)，拓寬了學(xué)生的視野，加深了學(xué)生對行業(yè)內(nèi)先進技術(shù)的認識，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力，課堂反應(yīng)效果良好，進一步推進了我校工程實踐教學(xué)改革。3D打印技術(shù)為創(chuàng)新教育提供了新資源、新工具，推動了學(xué)?？蒲薪虒W(xué)的發(fā)展。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)客運動的大浪潮下，3D打印實訓(xùn)室為“中心”創(chuàng)客空間的建設(shè)提供了硬件支持，成為學(xué)生創(chuàng)客的創(chuàng)意實現(xiàn)場所。

[1]李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.

[2]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

[3]惠記莊，付昌會，黎章文.更新理念、努力創(chuàng)建新型的工程訓(xùn)練中心[J].高校實驗室工作研究，2007，（3）：61-64.

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[6]張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[7]蘭天.3D打印技術(shù)應(yīng)用的意義[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2014，（2）：106.

[8]葉小峰.3D打印在藝術(shù)設(shè)計實驗教學(xué)中的探索[J].藝術(shù)科技，2015，（3）：28.