3D打印实训探索

赖周艺，吴培栋，陈树林，姜俊侠

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172）



3D打印实训探索

赖周艺，吴培栋，陈树林，姜俊侠

（深圳信息职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518172）

摘 要：3D打印是世界制造技术领域的一次重大突破，必将对未来的生产和生活产生深远影响。为了让学生接触、体验和掌握3D打印技术，提高学生技能水平，本文对高职3D打印实训的开展进行了探索，编写并出版了《3D打印项目教程》教材，对3D打印实训常见问题进行了分析并提出了解决意见。

关键词：3D打印；高职实训；课程安排；课程问题

3D打印技术近年来发展迅速，被认为是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破，未来的生产和生活模式必将因此而产生深刻改变。国内外教育界高度关注3D打印技术的发展与应用［1-2］。三峡大学白广华等探索了《3D 打印应用与实践》课程的开展，针对简易模型进行了从三维建模到打印成型的基本流程的实训［3］。大连理工大学王克欣等探索了在工程训练模块中设置《3D打印技术》实训课程，根据学生不同专业和层次设置了“认知”、“设计制造”和“综合提高”三层次课程。深圳信息职业技术学院玩具设计与制造专业也开展了相关课题的研究，开设了3D打印实训教学，公开出版了教材《3D打印项目教程》，形成了有效的课程模式［5-6］。依据 “实践为主、理论够用”的高职课程设计原则，3D打印课程采用了理论与实践相结合的方法，通过讲解3D打印的理论知识及实践方法，使学生扩大对现代制造技术的了解，使得学生具备精熟的 3D打印实际操作技能与快速解决3D打印实际问题的能力。

3D打印过程包括三维模型创建与3D打印设备操作。鉴于目前大部分高职院校理工科专业均开设了三维建模课程，高年级学生有一定的三维建模基础，因此3D打印实训侧重于3D打印的操作应用，且面向高职院校高年级的学生。

1　设备选择

按照应用层次分类，3D打印机可分为工业级和桌面级。工业级3D打印机成型精度高、打印尺寸范围大，但价格较高（设备单价为数万至数十万元）。桌面级3D打印机是工业级3D打印机的简化，价格低（一般在一万元以下）且操作简便，可满足教学需求，是理想的教学设备。3D打印实训教学采用北京某企业生产的UP Plus 2桌面级3D打印机（如图1所示），其操作简易且打印性能稳定，可保证各项实训任务正常开展。

图1　桌面级3D打印机（UP Plus 2）Fig.1 Desktop class 3D printer （UP Plus 2）

UP Plus 2桌面级3D打印机采用熔融堆积成型（FDM，Fused Deposition Modeling）技术，其原理如图2所示，以塑料丝材作为原材料，将加热熔融的丝材从喷头里挤出，在温度低于材料熔点的工作台上，迅速形成一层薄片轮廓截面，然后工作台下降一定高度（即打印层厚），喷头继续挤出加热熔融丝材，这样逐层堆积，最终成形三维产品零件。FDM技术操作环境干净、安全、可以在办公室环境下进行，表面质量好，易于装配，可以快速构建瓶状或中空零件，打印成本较低。FDM技术不足在于：打印成型零件表面精度较低，成形速度相对较慢，难以构建表面要求高且细节结构复杂的零件，因此打印成型后需要进行表面处理。因此，应适当提高设备购置的数量，尽量达到每二名学生一台设备的比例。另外，如需开展后处理实训，则需配置砂纸和喷油设备。

图2　熔融挤出成型原理［7］Fig.2 Principle of fused deposition modeling［7］

2　实训内容与课时安排

高职教育以培养技术应用能力为主，旨在培养基础理论知识适度、技术应用能力强、知识面较宽、素质高的技术型人才。3D打印实训应以“应用”为主旨来构建课程教学内容。结合深圳信息职业技术学院现代学徒制项目《3D打印技术训练与应用》的研究与实践，3D打印实训内容如表1所示，包含五个项目二十二个任务；共安排36课时，对桌面级3D打印机的各种应用进行讲解和实训。

如表1所示，项目1首先通过介绍3D打印技术概况，让学生了解3D打印重要意义、发展现状、分类与应用，激发学生学习3D打印的兴趣；然后现场讲解3D打印机的构成、安装和打印耗材，使学生对3D打印机有直观认识；最后通过3D打印机初始化、工作台自动水平校准、喷头高度自动测试、打印丝材挤出与撤回等实践教学，使学生掌握3D打印机基本操作，为后续学习做好准备。

表1　3D打印实训高职课程内容与课时Tab.1 The higher vocational course content of 3D printing technology and its applications

项目2以圆柱模型为例，通过3D打印不同类型模型“填充实体、空心壳体和单层面体”的实践教学（如图3所示），使学生掌握3D打印基本应用，具备打印简单三维模型的能力。

图3　3D打印圆柱模型Fig.3 Cylinder model formed by 3D printing

项目3以椭圆球为例（如图4所示），通过3D打印单层面体模型和空心壳体模型的实践教学，系统学习层厚、支撑角度和密封角等主要工艺参数的调整，使学生掌握3D打印主要工艺参数的作用与调整，从而具备一定的工艺调整与改进能力。

图4　3D打印椭圆模型Fig.4 Elliptical model formed by 3D printing

项目4锥形交通路标为例（如图5所示），进行打印模型的分割、材料更换（ABS和PLA耗材的更换）、无基底打印、双色交替打印和模型拼接的实践教学，使学生掌握超出打印范围的模型的处理方法与多色打印等高级应用技巧。

项目5介绍3D打印机常用维护，包含喷嘴清理、喷头高度手动调整、打印平台水平校准与垂直校准等任务的实践教学。针对常见3D打印问题（非实体模型、喷嘴停止挤出丝材、基座翘曲），本项目结合实例共同探讨其起因与解决方法。本项目最后还安排了砂纸抛光与喷油实践教学，使学生掌握3D打印模型后处理技能。

图5　3D打印锥形交通路标模型Fig.5 Traffic cone model formed by 3D printing

3　实践效果与问题

教学实践表明，上述5个课程项目由浅到深、层层深入，大部分学生能按时按质完成实训任务，掌握3D打印机各项操作，能独立完成各种模型的打印成型。实训内容经梳理完善，已形成教材《3D打印项目教程》（见图6），并由重庆大学出版社正式出版。

图6　教材《3D打印项目教程》Fig.6 Textbook 3D printing project tutorial

高职学生对3D打印技术兴趣浓厚，经过课程实训后在掌握基本操作后，大部分学生能积极尝试完成各种创意模型的3D打印成型（见图7），掀起了模型设计、模型打印与模型改进的热潮，有效激发了学生的创新与创造能力。

图7　学生设计和3D打印的创意模型Fig.7 Creative models designed and 3D printed by students

实训过程中要注意以下问题：1）环境温度。UP Plus 2桌面级3D打印机为敞开式结构，当环境温度低于20℃时打印模式容易发生翘曲，使得打印失败。因此3D打印实训需配备暖气设备或安排在夏季。2）模型壁厚。UP Plus 2桌面级3D打印机喷嘴直径为0.4mm，打印过程中丝材被压扁至0.5mm宽度的跑道形状界面，因此模型壁厚大于1mm时才能打印获得有填充的实体。为了获得较好刚度的零件，避免拆除支撑材料时发生折断，最小壁厚最好为2mm。3）打印效率。UP Plus 2桌面级3D打印机采用FDM熔融堆积成型技术，打印速度较慢；因此打印模型不宜过大。另外建议尽量采用镂空结构，以减少打印时间。4）模型分割。虽然3D打印可以实现任何复杂形状的模型的整体成型，但是过多的悬空部位将产生大量支撑材料，不仅费时费料，而且难以获得最佳的表面质量（生成支撑的部位表面较粗糙）。因此模型较大且形状较复杂时，应考虑合理的“分块打印+后期拼接”。5）材料选择。如果模型打印结束后需要打磨和喷油，建议使用ABS耗材。ABS耗材成型后的硬度明显比PLA高，不容易磨去特征形状和尺寸。

4　结语

3D打印突破了传统加工技术的限制，直接架起了设计模型与实物的桥梁，必将对生产和生活带来深远影响。掌握3D打印操作是应用该技术的基础，担负培养高级技能人才的高职院校应尽早将3D打印有机融入专业教学，积极探索适合各学校各专业的教学模式，使之成为一项有效的工具，推进教学改革，提高学生的综合素养。

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［5］ 赖周艺， 姜俊侠. FDM 3D打印鳄鱼模型翘曲变形分析与优化［J］. 深圳信息职业技术学院学报， 2014， 12（1）: 20-22.

LAI Zhouyi， JIANG Junxia. Warpage Analysis and optimization of alligator part formed by FDM 3D printing ［J］. Journal of Shenzhen Institute of Information Technology，2014， 12（1）: 20-22. （in Chinese）

［6］ 赖周艺，朱铭强， 郭嵊. 3D打印项目教程［M］. 重庆：重庆大学出版社， 2015.2.

LAI Zhouyi， ZHU Mingqiang， GUO Sheng. 3D printing project tutorial［M］. Chongqing: Chongqing university press，2015.2. （in Chinese）

［7］ 赵萍，蒋华，周芝庭. 熔融沉积快速成型工艺的原理及过程［J］. 机械制造与研究， 2003， （5）: 17-18，23.

ZHAO Ping， JIANG Hua，ZHOU Zhiting. The technology theory and process for fused deposition modeling rapid prototyping［J］. Machine Building & Automation， 2003， （5）: 17-18，23. （in Chinese）

【责任编辑：高潮】

【博士论坛】

The study on the training of 3D printing

LAI Zhouyi， WU Peidong， Chen Shulin， JIANG Junxia
（School of Electromechanical Engineering， Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518172， China）

Abstract:The 3D printing technology is a major breakthrough in the field of manufacturing， and will have a profound impact on the future production and life. To let students contact， experience and master the 3D printing technology and improve their technological literacy， the development of higher vocational training course 3D printing was studied， a textbook 3D printing project tutorial was developed and published， the common problems in the training course were analyzed and the corresponding solutions were putted forward.

Keywords:3D printing； higher vocational training course； training arrangement； course problem

中图分类号：G712

文献标识码：A

文章编号：1672-6332（2016）01-0077-05

［收稿日期］2015-12-1

［基金项目］深圳信息职业技术学院第五批教研课题（JY2013118）；河南省博士后基金项目（2011064）

［作者简介］赖周艺（1982-），男（汉），广东茂名人，博士、工程师，主要研究方向：先进制造技术。E-mail: laizouyi@sohu.com