基于3D打印技术的实验教学

成思源， 周小东， 杨雪荣， 张湘伟， 郭钟宁

(广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州 510006)



基于3D打印技术的实验教学

成思源， 周小东， 杨雪荣， 张湘伟， 郭钟宁

(广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州 510006)

3D打印作为快速制造领域的一种新兴的技术，正在迅速崛起，将成为未来制造业的重要组成部分。为了培养学生的工程实践能力以及对先进数字化技术的了解和掌握，对基于3D打印技术的实验教学进行了建设和实践。学生通过三维数字化建模，数据处理和操作3D打印机生成实物模型的全过程，加深对3D打印技术的认识和理解，将有助于顺应产业界对人才培养的最新需求，提高学生运用先进设计和制造技术的综合能力。

3D打印； 快速制造； 数字化设计； 实验教学

0 引 言

实验教学是高校教学的重要环节之一，在应用性和创新性的人才培养体系中有着重要的意义。随着计算机技术的飞速发展, 现代设计与制造技术发展了很大的变化，为了提高产品开发速度, 已经研究出许多先进的设计与制造技术[1]。快速成型(Rapid Prototyping 简称RP) 技术是20世纪80年代中期发展起来的一种先进制造技术，该技术由最初的发展期步入成熟期, 近年来RP新工艺、新装备仍是最活跃的领域。与传统制造方法不同,RP 是从零件的CAD几何模型出发,通过软件分层离散和数控成型系统, 用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它将复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加, 因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件, 极大地提高了生产效率[2]。该技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件[3]，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。由于快速成型技术的诸多特点，用于高校实验教学可使学生学到三维CAD 软件知识、计算机辅助制造技术，并深入了解利用高科技手段进行工程设计的概念[4]。

3D打印(3D Printing)作为快速成型领域的一种新兴技术，目前在国内外受到广泛关注，已逐步应用于航天、军工、医疗等多个领域，正成为一种迅猛发展的潮流。在国外3D打印机有的已经走进了教室，应用于课堂教学。并且随着这一技术本身的发展，成本的大幅降低使其已经从研发的小众空间向主流市场进军，成为被社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域，在生产应用方面有着巨大的潜力，其应用领域将不断拓展[5-6]。该技术将大大缩短新产品研制周期,降低新产品的研发成本，目前产品开发普遍使用3D打印技术制作样品，并可实现按需订制,满足了人们对个性化产品的需求，受到了消费者的普遍欢迎[7-8]。因此，高校通过开展3D打印技术的实验教学将顺应产业界对人才培养的最新需求，有助于加深学生对先进设计和制造技术的了解和掌握，进一步提高学生的工程实践和创新能力，对于培养掌握先进数字化技术的未来的工程师有着重要的意义。

1 3D打印设备及工艺

1.1 设备选择

实验室引进的是3D Systems生产的CubeX3D打印机，图1(a)所示为其外形图；1(b)所示的为CubeX3D打印机内外部结构图。CubeX3D打印机有3个喷嘴，它可以在18种颜色中自由选择3种颜色同时进行打印；打印材料有PLA 和ABS，可以根据所需要的打印模型的性能来进行选择相应的材料。打印的模型最大可达到275 mm× 265 mm× 240 mm。该设备设计简单，使用方便，只需要在显示面板上按几个按键就能快速地打印模型，因此非常适合学生的实践操作训练。而且和其他3D打印系统相比之下，成本比较低，经济实用，是很好的实验教学设备。

1.2 3D打印机的工艺过程及原理

快速成型的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有4 种基本类型: 光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法[9]。CubeX3D打印机采用的工艺为熔融沉积制造法， 3D打印时首先需要对零件的三维CAD模型按照一定的厚度进行分层切片处理，生成控制3D打印机喷头移动轨迹的二维几何信息。喷头在计算机的控制信息作用下，进行零件堆砌所需的运动，送丝机构把丝状材料送进热熔喷头，加热头把热熔性材料(ABS、PLA等)加热至一定温度成熔化状态时，同时，喷头挤压出成型材料，成型材料很快沉积固化为精确的零件薄层。通过升降系统下降来完成接下来的新薄层，这一过程反复进行，层层堆积，紧密黏合，自下而上逐渐形成一个完整的三维零件实体。3D打印的工艺原理如图2所示[10]。

(a) CubeX3D打印机的外形图

(b) CubeX3D打印机的结构图

A、B-操作按钮, C-喷嘴清理器, D、Z-主轴, E-工作台, F-USB接口, G-电源, H、K-喷头1, I、L-喷头2, J、M-喷头3, N、O、P-喷头1、2、3的模型材料盒安装基座

图1 CubeX3D打印机

图2 3D打印机的原理图

一般来说，3D打印成型过程主要包括建模、分层、成型和后期处理四个主要阶段[11-12]。

(1) 建模。3D打印成型通常是建立在CAD软件生成的三维实体模型的基础之上，因此，首先要利用CAD设计软件(如UG、Pro/E等)，按照构思设计出三维模型；另外也可利用数字测量方法对已有的实物模型进行扫描，并直接根据点云数据设计三维模型。

(2) 分层。 3D模型并不能直接操作3D打印机。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件Cubex来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。CubeX3D打印机的配套软件可设置的分层层厚有0.1 mm、0.25 mm、0.5 mm。对零件三维模型进行分层处理是3D打印技术的一个很重要的环节，无论是通过CAD造型还是通过逆向建模软件生成，都必须经过分层处理，才能将成型数据输入到3D打印机中。

(3) 成型。3D打印机的零件造型过程包括两个方面：支撑的制作和零件实体制作。在打印的区域内，喷头沿着由Cubex软件计算出的精确路径，挤出液态的模型和支撑材料，零件一层一层由下到上成型。

(4) 后期处理。3D打印技术的后处理包括：去除支撑材料和对部分有精度要求的表面的处理，使原型零件达到精度的要求。

2 3D打印教学实验

在实验教学中，主要的实验内容是：熟悉应用CubeX软件及3D打印机的操作面板—掌握3D打印机的操作步骤( 开机、装材料、面板操作、机器维护等) —导入设计模型文件—处理STL 文件—参数设置—打印完成自己设计的零件。其中导入的设计模型文件可以由学生自主进行设计，既可以来源于学生的创意构思，也可以是通过对已有实体模型进行扫描后，再设计后得到的模型[13]。

我们以本实验中的CubeX3D打印机的配套软件CubeX操作为例，其具体的操作步骤如下：

(1) 打开CubeX软件。

图3 连杆模型图

图4 调整位置后的连杆模型

(a) 切片设置对话框

(b) 切片后的模型

图5 连杆模型切片处理

(6) 将U盘插入到CubeX3D打印机的USB接口中，在打印机操作面板中选中所保存的模型，点击打印即可，最终打印出来的连杆如图6所示。

图6 打印出的连杆模型

3 结 语

基于3D打印技术实验教学的开展将让学生受益匪浅，主要表现在以下几个方面：

(1) 加深学生对先进数字化技术的认识。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量[14-15]。通过开展3D打印技术的实验教学，可使学生接触到三维CAD技术、逆向工程技术、熔融沉积制造技术等先进设计和制造技术，同时让学生了解行业前沿技术的发展和应用、对产品的设计、加工制作过程有更全面的认识，从而拓宽学生的视野，提高学生的学习兴趣。

(2) 提高学生的工程实践能力。通过实验教学，让学生的设计方案转化成现实的实物，理论与实践相结合，使设计理念和原型制作融会贯通。学生通过完成一个零件的设计制作，并对过程中遇到的模型的设计、工艺参数的优化等问题的讨论解决，不但有助于提高其动手能力和DIY兴趣，还对产品设计和开发、产品研制过程有了直观地了解。

(3) 培养学生的创新设计意识和能力。3D打印实验结合CAD造型、逆向工程技术，形成开放式的创新设计训练。实验过程中，可充分发挥学生的想象力和创造力，结合已有的感兴趣实物模型，自主设计创意模型，并快速打印出实物模型，对设计构思进行验证及改进。有助于激发学生的创新意识，为学生今后进一步参加机械创新设计大赛等学科竞赛打下基础。

[1] 付泽民,李延平,常 勇,等.基于ATOS 测量系统的快速原型制造技术的实验教学[J].实验室研究与探索,2006，25(12):1520-1523.

[2] 牛爱军, 党新安, 杨立军.快速成型技术的发展现状及其研究动向[J].金属铸锻焊技术,2008,37(5):116-118.

[3] 宋 敏.快速成型技术及应用[J].光机电信息,2008(9):42-46．

[4] 张国玲,吴 涛,张功国.快速成型训练项目的建设与实践[J].实验室研究与探索,2011,30(3):314-317.

[5] 王月圆,杨 萍.3D打印技术及其发展趋势[J].印刷杂志, 2013(4):10-12.

[6] 张 楠，李 飞.3D 打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J].机械设计，2013,30(7):97-99.

[7] 利普森，库 曼. 3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.

[8] 王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].长春:吉林大学，2014.

[9] 刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京: 机械工业出版社,2006.

[10] 荆 慧.快速成型技术原理及成型精度分析[J].机械研究与应用,2013,26(2):183-187.

[11] 朱建军，徐新成，赵中华. 快速成型工艺研究[J]. 实验室研究与探索,2013,32(8):261-264.

[12] 吴怀宇. 3D打印：三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2014.

[13] 成思源，刘 俊，张湘伟.基于手持式激光扫描的反求设计实验[J].实验室研究与探索，2011,30(8):153-155.

[14] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012(26):3-5.

[15] 王富友,任 翔,杨 柳.3D打印技术在关节外科的应用[J].中国修复重建外科杂志,2014,28(3):272-275.

Experimental Teaching Based on 3D Printing Technology

CHENGSi-yuan，ZHOUXiao-dong，YANGXue-rong，ZHANGXiang-wei，GUOZhong-ning

(College of Electromechanics Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

3D printing is a rapidly emerging technology of rapid manufacturing, and it will become an important part of the manufacturing in the future. In order to develop students’ ability of engineering practice, and to understand and master the advanced digital technology, experimental teaching of 3D printing technology was carried out. Students adopted three-dimensional modeling, data processing and 3D printer operation to obtain the physical model The reform could deepen the awareness and understanding of 3D printing, and comply with the talent cultivation requirement to improve the students' comprehensive ability of using advanced design and manufacturing technology.

3D printing; rapid manufacturing; digital design; experimental teaching

2014-09-01

广东省高等教育教学改革项目(2012143，JGXM025)；广东省学位与研究生教育改革研究项目(09JGXM-ZD10)；广东工业大学教育教学改革项目(2012Z009)

成思源(1975-)，男，重庆人，博士，教授，硕士生导师，教学副院长，主要从事逆向工程技术、机械CAD、机械设计技术与实验教学研究。Tel.: 020-39322217; E-mail: imdesign@ gdut.edu.cn

TP 391

A

1006-7167(2015)08-0158-04