3D打印技術(shù)及其在高中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用設(shè)想

肖顥言

（廣東省廣州市海珠外國語實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東廣州，510280）

本文結(jié)合對機(jī)械工程領(lǐng)域的3D打印技術(shù)的認(rèn)識，針對3D打印技術(shù)所呈現(xiàn)出的一些技術(shù)優(yōu)勢，調(diào)研分析了3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并以此為基礎(chǔ)重點(diǎn)總結(jié)分析了3D打印機(jī)的一般結(jié)構(gòu)組成以及3D打印的原理性工作過程，并就SLS激光粉末燒結(jié)成型、3DP三維打印、SLA激光固化、FDM熔融沉積造型和LOM層疊法成型五種典型3D打印技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)與特點(diǎn)分析。

1 3D打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到生產(chǎn)生活的方方面面，如打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的食物造型、高精密機(jī)械零部件、人體骨骼器官和進(jìn)行教育教學(xué)示范等。

在日常生活上可以利用3D打印技術(shù)來打印日用品，實(shí)現(xiàn)節(jié)省人力資源降低日用成本，還可以借助3D打印技術(shù)給生活增添科技元素，比如3D打印生日蛋糕等其他禮物禮品。在尖端制造業(yè)領(lǐng)域，一些尖端科技產(chǎn)品的制造需要精確計算，精準(zhǔn)加工，但單純依靠手工制作難以做到滿足要求，而借助3D打印技術(shù)則完全可以實(shí)現(xiàn)。除此之外，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了一些應(yīng)用，骨創(chuàng)傷方面利用3D生物打印技術(shù)，可以增進(jìn)醫(yī)療救護(hù)成功率，在有些方面還可以幫助病號快速恢復(fù)。近些年有些中學(xué)也組建了3D打印技術(shù)興趣小組，并獲得政府和社會企業(yè)的資助，建立起了3D打印技術(shù)示范基地，通過興趣小組和示范教育，以鍛煉中學(xué)生的想象能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為國家培養(yǎng)3D打印和智能制造后備人才奠定基礎(chǔ)。

2 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)的本質(zhì)首先是通過計算機(jī)輔助設(shè)計（如CAD）軟件設(shè)計三維模型，再將三維模型通過計算機(jī)轉(zhuǎn)義為由數(shù)據(jù)組成的三維模型STL文件，在計算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理下，控制3D打印機(jī)進(jìn)行噴涂原料等系列操作，便可進(jìn)行三維成品的打印，最后通過進(jìn)一步處理得到最終成品。

2.1 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)

3D打印機(jī)又稱快速成型機(jī)，采用液體或粉末狀的材料來加工出預(yù)期產(chǎn)品，是集傳統(tǒng)制造加工技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計、數(shù)控技術(shù)、激光加工和材料成型等技術(shù)于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。經(jīng)過近些年的發(fā)展，市場上有十分豐富的產(chǎn)品，本文選取一種典型的3D打印機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，如圖1所示。

2.2 3D打印工作原理

3D打印可以快速自動地實(shí)現(xiàn)概念產(chǎn)品從設(shè)計到成品的打印，主要可以實(shí)現(xiàn)如概念性成品、測試型成品、模具型產(chǎn)品和實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的打印，三維成品的形成均是按照如下所述步驟完成。

圖1 3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)與外觀

步驟一：三維模型的構(gòu)造。3D打印機(jī)系統(tǒng)只識別計算機(jī)設(shè)計并構(gòu)造的三維模型，然后按照一定的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行切面得到截面加工圖，可見3D打印的基礎(chǔ)是根據(jù)最終成品要求借助類似CAD的計算機(jī)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計，或類似從二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型，也可以通過特殊測量儀器對現(xiàn)有三維成品進(jìn)行掃描，采用逆向工程實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)，得到有效的三維模型。

步驟二：三維模型的近似處理。由計算機(jī)輔助軟件得到的三維模型圖需要結(jié)合3D打印機(jī)進(jìn)行近似處理，如存在的一些不規(guī)則自由曲面，加工前必須得到有效處理，方可打印執(zhí)行。CAD軟件具備自動轉(zhuǎn)換并近似處理功能，得到STL（Standard Template Library）格式文件，但仍舊需要進(jìn)行手工局部修改。

步驟三：三維模型的分層處理。由于3D打印技術(shù)是通過分層加工實(shí)現(xiàn)的，因此在打印前通常需要將上述三維模型在縱向方向離散成系列二維截面，提取相應(yīng)的截面輪廓參數(shù)，3D打印機(jī)按照提取出的參數(shù)，并以一定精度開始打印成型。

步驟四：三維模型的截面加工。結(jié)合上述的二維截面輪廓參數(shù)，3D打印機(jī)在計算機(jī)控制作用下，其噴頭在二維坐標(biāo)下開始二維掃描打印，并根據(jù)材料性質(zhì)不同采用不同的工藝流程開始逐層成型。

步驟5：三維模型的截面疊加。每層二維截面成型后，下一層的材料會按照程序被打印在已成型截面之上，進(jìn)行下一層的打印，并通過加熱等特殊處理實(shí)現(xiàn)前后兩層的粘結(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逐層疊加，最終形成三維成品。

步驟六：三維成品的后處理。通過前五步成型的樣品相對比較粗糙，需要進(jìn)行后處理，如打磨將實(shí)物體上的松散或無用組織去除，刨出具體模型，并對實(shí)物表面進(jìn)行拋光，使其表面光滑，有的因材料特性要求需要重新高溫處理才能得到目標(biāo)性能參數(shù)，最后在物體表面噴涂一層蠟，以達(dá)到堅硬、耐磨、耐高溫和防水的效果。因此，可以說后處理是3D打印非常關(guān)鍵的一步。

3 高中物理實(shí)驗(yàn)中可能的3D打印技術(shù)分析

作為理科生，體會最為深刻的是物理課程實(shí)驗(yàn)，由于很多因素，實(shí)際上大家對純理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證缺乏興趣，最后難以取得良好的效果，但由于近期學(xué)校不斷將一些前沿技術(shù)引入到高中興趣實(shí)驗(yàn)吸引了大家的眼球，如機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印等激起了大家投身實(shí)驗(yàn)的興趣。正是如此考慮，作者結(jié)合自身學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，對3D打印技術(shù)與高中實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行一些交叉設(shè)想，為進(jìn)一步激發(fā)高中生實(shí)驗(yàn)興趣，掌握基本實(shí)驗(yàn)原理提供借鑒參考。

3.1 3D打印技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用合理設(shè)想

高中物理實(shí)驗(yàn)主要是基于對力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、熱學(xué)與光學(xué)等基本原理的驗(yàn)證，經(jīng)常會由于其實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)過程的枯燥、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理的無趣，難以激發(fā)實(shí)驗(yàn)的興趣，所以可以考慮將部分實(shí)驗(yàn)裝置引入3D打印技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場制作，如打點(diǎn)計時器等實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的小車、驗(yàn)證動能定量與動量守恒用的小球等簡單機(jī)械部件，均可通過引入3D打印環(huán)節(jié)，給實(shí)驗(yàn)增添一些科技元素。

3.2 3D打印技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用效果分析

相信通過在原本所謂枯燥的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入3D打印技術(shù)，可以取得如下兩個效果。

第一：在物理實(shí)驗(yàn)中引入3D打印技術(shù)，有助于提升高中物理實(shí)驗(yàn)科技含量，激發(fā)高中生的實(shí)驗(yàn)興趣，在提高實(shí)際動手動力的同時，還為深刻掌握物理基本原理帶來巨大空間。第二：在物理實(shí)驗(yàn)中引入3D打印技術(shù)，可以豐富高中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將當(dāng)前先進(jìn)科技引入高中課堂，有助于激發(fā)高中生對科技的追崇和探索意識，為國家培養(yǎng)高科技人才具有積極意義。

4 結(jié)論

3D打印概念及產(chǎn)品發(fā)展已經(jīng)相對成熟，由于其帶來的制造便利性，曾有人預(yù)言將會帶來制造技術(shù)的革命性變化，正是其工藝簡單、控制方便，只要有概念模型即可進(jìn)行打印。因此，基本上任何行業(yè)任何領(lǐng)域都可以廣泛使用。借助3D打印的快速性和可控性，可以大大縮短制造研發(fā)周期，為制造企業(yè)快速跟蹤市場需求提供有力工具。近些年也有將3D打印技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以通過某些特殊操作打印制造活體器官，這也給生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來新的發(fā)展動力，為人類帶來健康福音。相信，隨著3D打印制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展完善，一定會給日常生產(chǎn)生活帶來巨大轉(zhuǎn)變，為智慧制造與健康生活帶來新的動力與新的希望。