D打印技术在理论教学中的应用

张捷　顾海　李彬　袁祖强

【摘 要】3D打印亦称作快速成型或增材制造，它可以方便地“打印”出各种模型。在理论教学中，为加深学生对知识的理解，通常需要借助动画或者实物，例如机械制图中零件的三视图，机械原理中的机构。本文以机械原理课程中四连杆机构为例，详细介绍利用先临Einstart-S打印机制作四连杆机构过程，包括模型建立、虚拟装配、打印机调试、模型导入以及打印全过程。在其它课程中，可以参照该过程，举一反三，将3D打印技术更好地融入理论教学。

【关键词】3D打印；理论教学；FDM；四连杆机构

0 序言

3D打印技术，即增材制造（Additive Manufacturing，AM）。它是一种以数字三维CAD模型设计文件为基础，运用高能束源或其他方式，将液体、熔融体，粉末、丝、片、板、块等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，直接构造出物体的技术[1-2]。

2015年8月，国务院正式印发了《中国制造2025》，明确了下新一轮科技革命和产业变革的大背景下，中国主动应对全球产业竞争新格局和未来产业竞争新挑战的发展战略[3，4]。同月21日，李克强总理主持国务院先进制造与3D打印专题讲座，并邀请卢秉恒院士做专题介绍。这体现出我国对3D打印的重视程度，也彰显了在战略层面我国对制造业发展面临的形势和环境的深刻理解。

我校在应用型人才培养的道路上，紧跟国家步伐，创立了3D打印研究所和服务中心。作为一线教师，如何将新技术与教学相结合值得深思。在经过一段时间的培训和接触后，发现3D打印技术对于实际教学确有帮助，利用3D打印简易并快速成型的优势，可在教学中打印出实体和机构，既便于学生直观理解和掌握知识，又能激发学生的兴趣和求知欲望。本文以机械原理课程中四杆机构为例，详细介绍基于熔融沉积制造工艺的先临Einstart-S打印机制作四连杆机构的全过程。

1 FDM工艺原理介绍

FDM全称熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling），这种工艺的基础就是将热塑性塑料聚合体材料加热熔融成丝，像挤牙膏一样从喷头挤出，堆积在成型面上成型，设备涵盖从构建快速概念模型到慢速高精密模型的不同应用区间，材料主要是聚酯、ABS、弹性体材料、以及熔模铸造用蜡。

图1为FDM工艺原理图，将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有微细喷嘴的喷头挤喷，喷头可沿X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型[5]。

2 模型建立

本例中需建立四根连杆以及四个销钉的模型，采用Pro/E实体建模功能实现建模，在草绘模式下画出零件的二维剖面图，然后通过适当地拉伸、旋转、镜像、扫描、混合等方法实现二维图转换三维实体，再在三维实体上创建孔、槽、布尔运算、倒角和圆角等完成实体特征构造。其三维模型如图2。

完成各零件建模之后，将各零件按设计要求的约束或连接方式裝配到一起才能行成一个完整的机构。Pro/E组件模块提供了丰富的约束方式和装配类型，约束包括匹配、对齐、插入、相切、固定等；装配类型有刚性、销钉、圆柱、平面、滑动杆等。四杆机构在虚拟装配装配时，其中三处连接采用销钉装配，第四处采用圆柱副装配，避免过定位。装配图如图3。

3 打印机调试

初次打印之前需要对打印机做鸡蛋调试，包括进丝、设置Z轴高度和平台调平三个步骤；

（1）进丝

打开3dStart软件，连接打印机。如图4，点击挤出机控制、进料，机器开始加热，喷嘴温度达到设置温度时，机器开始出丝。当出丝均匀稳定，即可停止进料。

（2）设置Z轴高度

根据FDM工艺的原理，打印时，须将平台升至距离喷嘴最近处，然后平台逐层下降、逐层打印，所以需要设置Z轴高度。设置过程如图5。

图5 设置Z轴高度

（3）平台调平

开始打印时，喷嘴相对于平台做X、Y方向的直线移动，所以必须保证平台平行与XY平面。同时，打印第一层时需保证平台与喷嘴的距离适当。调节过程如图6，点击平台调平中左上、上、中心等按钮，可以控制喷嘴移动至平台对应位置，在平台与喷嘴之间插入1张A4纸，轻轻拉动，感觉纸张与平台和喷嘴之间的摩擦。同时，旋转平台下方三个螺钉，使得喷嘴在平台9个特殊位置处纸张与平台和喷嘴之间轻轻摩擦，即可保证平台与喷嘴的距离适当。

（a） （b）

4 模型导入及打印

将PROE中建好的零件模型统一保存为STL文件，打开Magics软件，导入所有零件，进行适当位置调整后，将多个零件合并成一个整体，并导出新的STL文件。

在3dStart中打开新的STL文件，调整至合适大小，如图7。点击生成路径，如图8，选择PLA材料，勾选“生成完毕自动开始打印”，其余参数默认即可。经过几十分钟的等待，便可得到四根连杆和销钉.

5 总结

通过以上过程可以轻松制作一个四连杆机构，上课时通过实际演示，学生很好地理解四杆机构原理和应用。在平时教学中，尤其是机械制图课程，对于比较复杂的组合体可以快速用3D打印机制作一个实体，以便学生理解。总之，作为新时代的教师，在今后的教学中，应紧跟时代步伐，用新技术新方法来传递知识，培养出优秀的应用型技术人才。

【参考文献】

[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，04：1-4.

[2]Wohlers Associates，Wohlers Report 2013-Additive manufacturing and 3D printing state of the Industry Annual Worldwide Progress Report，2013，USA.

[3]国务院关于印发《中国制造2025》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.

[4]于灏.“中国制造2025”下的3D打印[J].新材料产业，2015，7：20-27.

[5]谭永生.FDM快速成型技术及其应用[J].航空制造技术，2000，01：26-28.

[责任编辑：朱丽娜]