基于提高学生工程实践能力的3D打印训练项目建设

赵青

摘 要： 为培养学生的工程实践能力、创新意识和创新精神，作者进行了3D打印训练项目的建设，让学生通过概念设计、三维建模、格式转换、数据处理、制造零件原型的全过程，加深对生产工艺知识的理解，提高学生的综合工程实践能力。

关键词： 3D打印 工程实践 能力培养

高等院校培养工程技术人才不仅需要理论，更需要工程实践、工程规范、工程经验和具有丰富想象力的创新思维。工程实践教学作为一个重要环节，对学生学习基础工艺知识，培养创新精神和创新意识，巩固及加深理论知识，提高综合工程素质具有重要作用。

1.项目建设思路

工程训练教学体系在不断改革与创新，从传统技能训练逐步拓展为先进的制造技术，加强新工艺、新材料、新技术的实践内容，并注重学科交叉，注重培养学生发现问题的能力，独立获取知识的能力，综合运用知识的能力和独立思维的能力，养成不满足现状和求新求变的良好习惯，懂得不同行业的技术规范和技术标准，获取基本的工程阅历和经验，为未来的发明创造奠定丰厚的知识、思维、素质和实践基础。为顺应新形势的发展，工程训练中心开发创建了3D打印训练项目。

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式构造物体的技术[1]。3D打印技术可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们更有效地设计出有自己的创意的东西，并且生产出的零件更精细轻盈。建设3D打印实训项目，可以使学生学到三维CAD软件知识、学到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，掌握从概念设计到原型制造的一般工艺流程，有利于提高学生的创新能力和培养学生的创新意识[2]。

2.建设内容

2.1设备选型

由于是让学生了解一些3D的快速成型技术，掌握一般的工艺流程及原理，中心購买了杭州先临三维科技股份有限公司生产的Einstart3D打印机（见图1），其携带方便、操作简易。只需要几个按键就可以很容易地制造出自己喜欢的模型，可使用的材料是ABS、PLA成型材料。ABS塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好；PLA成型材料具有最良好的抗拉强度及延展度，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。

图1 Einstart3D打印机结构

2.2工艺过程及原理

3D打印技术的工艺方法有几十种之多，其中比较具有代表性的工艺方法是：分层实体成型工艺、立体光固化成型工艺、选择性激光烧结工艺、熔融沉积成型工艺、三维印刷工艺。Einstart3D打印机采用的工艺是FDM熔丝沉积成型工艺（见图2），它是将丝状热熔性材料加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。这个过程与二维打印机的打印过程很相似，但从打印头出来的不是油墨，而是ABS树脂等材料的熔融物。同时因为3D打印机的打印头或底座能够在垂直方向移动，所以它能让材料逐层进行快速累积，并且每层都是CAD模型确定的轨迹打印出确定的形状，所以最终打印出设计好的三维物体。

图2 熔融沉积成型FDM工艺原理示意图

3D打印的工艺过程分以下几个步骤：

2.2.1设计CAD三维模型。由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型。

2.2.2三维CAD模型的近似处理。采用STL格式的文件转换数据，将3D实体用小三角形进行逼近，形成STL格式近似模型文件。

2.2.3分层切片，加入支撑。读入TSL文件，将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。对TSL文件切片，求出支撑区域，路径规划，生成支撑扫描路径。

2.2.4熔融沉积成型。熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行叠加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型，生成三维模型。

2.2.5快速成型的后处理。主要是清理零件表面，去除实体的辅助支撑结构，对部分实体表面进行处理，仅需要几min到15min的时间，使原型精度、表面粗糙度等达到要求。

2.3教学方案

根据学生的专业不同，制订出以下两种有针对性的教学方案：

2.3.1非机类学生重点讲解3D打印的基本概念以及常见的几种成型方法原理及过程，3D打印技术应用。目的是使学生了解3D打印技术的工艺原理与应用，培养学生的创新思维与创新意识。非机类学生由于时间短，训练项目多，只能演示3D打印机的工作过程，制作演示件。

2.3.2机类学生重点介绍3D打印技术的基本原理与概念、制造的工艺过程及其应用，讲解典型的几种成型方法。要求学生牢固掌握3D打印的原理；了解3D打印技术的应用特点，进一步了解3D打印技术的加工过程；掌握3D打印设备的使用方法。

训练内容：做出创新设计方案→设计图纸→学习CAD或UG等软件的应用→利用三维软件画出三维模型→掌握三维打印机的操作步骤（开机、装材料、机器维护等）→导入STL文件→参数设置→制作自己设计的零件。

图3 学生3D打印作品

3.结语

3D打印实训项目的建设将有助于增强学生对先进制造技术的认识，学到的不只是单一工种的技能训练，而是学习CAD/CAM技术、CNC技术、激光技术、新材料技术及逆向工程等多种知识，此训练可以把学生的设计方案变为现实的工具，使原型和设计理念融会贯通。学生完成一个零件的制作，不但提高工程实践能力，还对产品设计和开发、产品研制、企业的竞争能力有一定了解。通过此训练扩大学生的知识面，增强知识连贯性，提高综合分析问题能力和工程实践能力。

参考文献：

[1]薛晶晶，王志奎.浅谈3D打印技术[J].无线互联科技，2014（6）.

[2]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（07）.