3D打印技术在实践教学中的应用

三峡大学 白广华 李立军

3D 打印（3D printing）技术，是快速成型技术的一种。是一种基于离散-叠加原理的快速加工制造方式，也被称为叠加制造。3D 打印的原理与过程是：首先，得到三维模型，其方法有两种：一种是正向设计，通过三维设计软件构建零件三维模型；一种是逆向设计，通过辅助设备（如三维扫描、CT 等）将所需要数据收集并整理得到三维模型。模型得到后将模型转换为3D打印系统能够读取、接受的格式。然后，将模型导入3D打印系统，根据加工工艺对模型进行分层切片处理，得到各层片的截面数据。最后，按照截面数据信息生成加工代码，控制系统根据加工代码将成型材料层层固化连接，最终制造出所需要的部件。3D 打印过程都是一种将材料一层层叠加的过程，只不过根据材料的形状和连接方式不同又将3D 打印机分成了很多种类，现在市面比较流行的主要有：光固化成型、分层实体造型、熔融沉积成型、三维喷涂粘接、激光烧结。

一、成型方式

1.光固化成型。光固化成型 (Stereo Lithography Apparatus.简称SLA)技术也叫立体光刻成型技术，是当今世界上研究比较深入、技术比较成熟、应用比较广泛的成型技术。它的原理就是利用紫外激光照射对紫外光非常敏感的液态光敏树脂使其固化成型。光固化成型的过程是在一个容器中放入足够多的光敏树脂，容器内放一与升降台相连的成型，板并与液面保持一定的距离。经过聚焦的紫外激光束在控制器的控制下按照零件的截面数据对液态光敏树脂进行逐层扫描。被扫描的光敏树脂瞬间产生光聚合反应变为固体，固化后的树脂粘到成型板上形成零件的一个层面，此时升降台下降一个距离，如此反复直至整个零件制作完毕。此种成型方式的优点是成型精度高，表面质量好，原料利用率高；缺点是设备和材料成本高。

2.层片粘接技术。层片粘接 (Laminated Object Manufacturing简称 LOM)技术也称薄材叠层制造技术是利用刀具或激光切割薄层纸、塑料薄膜、金属薄片或陶瓷薄片等片材，通过热熔胶或其他方式层层粘接，叠加获得三维实体模型。分层实体制造仅切割内外轮廓，无需加工内部成型速度高，造型材料一般用涂有热熔胶及添加剂的纸张，成本低，但纸张材料的应用用途受限，工件的性能不高。

3.熔融沉积成型。 熔融沉积成型 (Fused Deposition Modeling，简称FDM)技术也称熔丝沉积制造，是利用电加热法等热源熔化热熔性材料，然后在程序的控制下移动熔化材料，逐层堆积成三维实体。其过程是被制成丝状的材料通过送丝机构进入被加热到材料熔点温度的喷头；喷头在控制器的控制下沿零件轮廓和填充轨迹输出材料，挤出材料迅速固化，并与上层的材料黏结通过层层堆积成型，最终完成零件制造。熔融成型零件强度好，无需激光器等贵重元器件，系统成本低。

4.三维喷涂粘接。 三维喷涂粘接(Three Dimensional Printing，简称 3DP)技术也称立体印刷技术，是一种利用微滴喷射的成型技术。过程与印机相似，其工艺过程为喷头在微型计算机的控制下，按照得到的数据，在铺好的粉末上，有选择地喷射粘结剂，使部分粉末黏结，形成一薄层，一层黏结成型后工作台下降一个层厚距离，重新铺粉，继续选区喷射黏结剂，成型的薄层与已成型的薄层黏为一体，如此重复，直至工件加工成型。三维喷涂黏结系统不采用激光器件，成本低，缺点为零件致密度不高且喷头容易堵塞。

5.选择性激光烧结。选择性激光烧结(Selected Laser Sintering，简称 SLS)技术也叫激光选取烧结，是利用具有高能量的激光束的热效应使粉末软化或熔化，粘接成薄层，并逐层叠加获得三维实体模型。其工艺过程为先在工作台铺一层粉末，高能激光束在计算机的控制下根据模型的界面数据，有选择地对已铺粉末进行扫描，被扫描的粉末因烧结或熔化粘接在一起，未被扫描的粉末起支撑作用并可以再利用，一层加工完毕后，工作台下降一个层厚高度，重复上述步骤，新烧结层与前一层粘结为一体，如此重复直到工件加工完毕。选择性激光烧结的优点为成形材料广泛，材料利用率高；缺点为无法直接成型高性能的金属和陶瓷部件，成形大工件易发生变形，精度很难控制。

上述五种3D 打印技术虽在市面常用，但用于教学还要综合考虑打印机的成本经过市场调研，选择性激光烧结、三维喷涂粘接和分层实体制造暂不考虑，主要考虑成本低加工效率相对较高的光固化成型和熔融沉积成型两种，二者比较如下表。

注：光敏树脂为进口材料

经过反复调研最终我们决定选用北京太尔时代科技的up 3D 打印机其打印机主要性能参数为：

二、3D打印在教学中的应用

1.前期工作。利用三维软件绘制三维图形，支持3D 打印的软件有很多，如CATIA、UG、pro/E、auto CAD 等软件，只要能将图形存为stl 格式即可。图1为学生在上课时利用UG 软件自己设计的一个钥匙扣。

图1

STL 格式的转化 几种软件转化为STL 格式的方法：

AutoCAD2007

输出模型必须为三维图形，并且xyz 坐标为正值，步骤为：

（1）文件—输出

（2）文件类型为平面印刷STL 格式，给出文件名

（3）然后选择要输出的实体

（4）确定输出实体

NX10

（1）文件—导出—STL

（2）设置快速成型参数

（3）给出快速成型文件的名称

（4）给出文件头信息

（5）选择快速成型的体

Pro/E

（1）文件—输出—模型

（2）设定文件类型的格式为STL

（3）设定模型弦高和角度。模型的弦高的设定为越小越好，到考虑到加工成本贵一半根据工件形状大小有关。

（4）选择文件名。

图2 Siemens PLM software NX10 STL格式转化

2.图形打印.将文件用up 打印机专用的切片软件打开，然后设置层高和其他参数如图3所示。

图3

图4 打印后的模型

三、教学效果与问题

3D 打印应用与实践课程得到了同学的一致好评，但是也存在一些问题：打印的图纸让学生自己设计速度慢，并且学生没有很好的软件基础，前期的准备时间较长，给学生提前准备图形让学生感到枯燥无味；3D 打印速度慢，学生设计一个厚度为3.5mm的小挂饰打印的时间要12 分钟，一个不是太大的玩偶打印的时间基本上为3 到4 个小时，漫长的时间让学生感觉无所事事； 材料价格昂贵，学生打一个挂饰一般为3g 左右按最便宜的价格一个需要1.5 元左右，一学期下来材料费很贵；打印机维护费用高，一般情况下维护费用都在2000 元左右； 打印精度低，打印出来的模型精度不高，增加了学生对模型的处理时间。

四、总结

3D 打印技术应用于实践教学可以增强学生的动手能力，提高学生的想象力和设计创新能力。现在3D 打印技术已列入国家“863”计划，得到了国家的重视，并且现在各个高校在大力推广3D 打印技术，各种学生竞赛也在突出3D 打印技术，像全国工程训练综合能力竞赛就专门设置了3D 打印环节。3D 打印技术虽然在实践教学中应用不是太成熟，但随着教学工作者的不断探索，在不久的将来会在实践教学中起到举足轻重的作用。