高校3D打印创新实验室建设与实验教学研究

章 伟，罗茂元，周 萍

（四川城市职业学院 汽车与信息工程学院 四川 成都 610101）

高校3D打印创新实验室建设与实验教学研究

章 伟，罗茂元，周 萍

（四川城市职业学院 汽车与信息工程学院 四川 成都 610101）

3D打印技术正在迅速崛起，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和创新思维能力，了解和掌握先进数字化技术，提出了高校创新型3D打印实验室的建设方案和开放性使用方案，并以汽车专业为例，对基于3D打印的实验教学进行了研究。基于3D打印的实践活动，有助于学生掌握专业知识和技能，加深对3D打印技术的认识和理解，同时也有助于提高学生运用先进设计和制造技术的能力。

3D打印；创新实验室；开放性使用方案；高校；实验教学

1 引言

3D打印技术（3 Dimensional Printing），是一种新型的增材制造（material additive manufacturing）快速成型技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属、塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体[1]。由于在制造工艺方面的创新，3D打印被认为是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D打印大大降低了设计与制造的复杂度，其未来发展将使大规模的个性化制作与生产成为可能，在工业设计、汽车、建筑、医学、航空航天、教育等领域具有广阔的应用前景[2-3]。

通过提供3D打印机等数字工具及其软硬件资源，可以为大学生学习本专业知识提供适宜的学习环境和学习资源，由此，许多面向大学生学习环境的教育创新应用也应运而生[4]。如美国Paulo Blikstein创设的科学探究与工程教育项目FabLab@School，项目旨在探索如何将3D打印整合到课程中。该课程创设了任务驱动的学习情境，在解决实际问题过程中结合3D打印技术，增强学生对工程与科学抽象概念的理解和应用，体验与掌握工程和设计的核心概念和准则，促进学生创新能力和动手能力的培养。

3D打印技术越来越成熟，应用日趋广泛，其优势也不断显现出来，这不仅会给制造业带来革命性的变化，同样对教育观念和教育模式也会产生深远的影响。在大学校园内建设3D打印创新实验室，设立创新实验实训课程[5]，一方面能极大地发展学生的创新思维和创新能力，加快各专业技术的发展，另一方面也能推动3D打印技术的推广应用。

本文探索了3D打印实验室的建设方案与开放性使用方案，并以汽车专业为例，对基于3D打印的实验教学进行了研究，设计了两个基于3D打印技术的汽车类3D打印实验。以汽车类专业教学为例，3D打印实验室既可供校内教师在《工业设计》、《发动机构造》、《车身修复》、《底盘构造》、《三维建模》等专业基础课和专业核心课的实验环节中引入3D打印动手实践，又可以在专业实训课、学校创新创业训练、毕业设计、创新创业竞赛等环节为师生们提供实训设备和基地。

2 3D打印

2.1 3D打印的工作原理

3D打印技术的基本原理是分层打印、叠加成形，即将打印材料逐片打印出来，边打印边叠加，最后“打印”出一个立体成品，其从功能上说类似于激光成型技术。3D打印机是3D打印的核心设备，是集机械、控制、计算机技术等为一体的机电一体化系统，它主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，3D打印技术体系还包括新型打印材料、设计与控制软件、打印工艺等技术。

利用3D打印技术得到的成品精确度较高，即使是中低精度的3D打印机型号，也能打印出精确的成品，比起铸造、冲压、蚀刻、模具等传统方法能更快速地生成原型，特别是对于传统方法难以制作的特殊结构模型。

2.2 3D打印的工作过程

3D打印成型过程由建模、分层、成型和后期处理四个阶段构成，每个阶段需要用到不同的软件、硬件和实现技术，具体流程如图1所示。在高校教学中，这些技术和工艺可以采用以任务驱动的教学方法，通过边学习边实践、不断熟悉不断深入的方法学习和掌握。

（1）建模

利用3D打印技术打印成品前，需要先利用CAD设计软件设计出成品的三维模型，所以3D打印成型的第一个环节是建立三维模型。3D打印所能接受的CAD软件有UG、Pro/E、SolidWorks等，可以用这些CAD软件进行设计。也可以逆向建模，就是用数字测量技术扫描已存在的实物，然后根据点云数据通过逆向建模软件，设计出三维模型。

（2）分层

分层是把三维模型输入到电脑，由3D打印机配备的专业软件CubeX进行处理，生成二维图形模型的过程。有了三维模型后，并不能直接输入3D打印机进行打印，还需要进行分层切片处理，即将三维模型切成一层一层的薄片，每个薄片可以设置的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。无论是直接用CAD软件设计出三维模型，还是逆向建模得到的三维模型，都需要分层这个处理步骤，生成控制3D打印机喷嘴移动轨迹的二维图形信息。

（3）成型

以熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印机为例。喷嘴在打印机的分层模型信息和控制信息的作用下，进行零件堆砌，送丝机构把丝状热塑性材料送进热熔喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴，将材料以一定压力喷挤出来，同时喷头沿水平方向移动，挤出的材料与前一个层面熔结在一起，马上沉积固化为零件薄层。一层打印完成后，升降系统移动到下一层，继续打印接下来的新薄层。这一过程反复进行，薄层层层堆积，紧密粘合，从下而上逐渐形成一个完整的三维实体成品。

（4）后期处理

打印完成后，有可能会进行后期处理，包括对部分精确度要求较高的成品的表面处理，弯曲部分、凹凸部分的光滑度处理，去除支撑材料等。

3 3D打印创新实验室的建设

3.1 3D打印实验室的建设方案

3D打印机的价格与它所使用的3D打印技术密切相关，因所用技术不同价格差异非常巨大。高校在建立3D打印实验室时，需要根据实验室的用途选择和购买3D打印设备。大部分高校建立3D打印实验室的目的是用于满足师生们学习和创新的需要。

目前，3D打印成型技术分为材料挤出（代表技术FDM）、光固化SL、材料喷射PolyJet、粘结剂喷射（代表技术3DP）、粉末床熔化（代表技术DMLS）、直接能量沉积（代表技术LENS）、片材实体成型（代表技术LOM）七种[6]。根据所使用的材料，这七种技术可以划分为使用半液态热塑性材料的FDM、使用液态光敏聚合物的SL和PolyJet、用固态粉末的3DP与DMLS及LENS、用片材的LOM[7]。不同材料决定了不同的应用领域和打印成品属性。

FDM的工作原理决定了它只能用热塑性材料，但由于使用液化器而非激光材料，设备价格低，且运行过程无污染，易于操作，因而适合在学校、家庭、办公室等场所使用。热塑性材料具有一定耐温性和强度，可用于制造精度要求不高的概念模型、功能测试原型。由于FDM单价较低，简单易用，从数量上说，FDM是目前销售量最大的增材制造设备。Stratasys公司是该技术的发明者。

高校建设3D打印实验室的目的，一方面是用于实验教学，以培养适应现代化工业所需要的人才，另一方面是培养学生的工程能力和创新思维能力。建立一个小型3D打印实验室可以按表1所示来配置3D打印设备，并购置相应耗材。

3.2 用于创新的开放性3D打印实验室

3D打印实验室除了用于日常教学实验外，还可以对全校师生开放，为同学们提供三维造型设计、3D打印成品、三维逆向建模等多类开放性实验。实验室面向全校师生实行周一至周日全天候开放，除正常上课时间外，师生们都可以在学校官网上预约时间使用实验室。实验室开放的目的是锻炼学生的实践动手能力，培养学生的自主创新能力和创新意识，提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和团队合作意识，为同学们参加创新创业竞赛提供平台。

表1 高校实验室配置的3D打印设备Tab.1 3D printing equipment in University Labs

时间：除日常3D打印实验课外的其它时间，周一至周日，网上预约；

开放对象：不分专业，全校师生；

实验内容：

（1）学习3D打印技术基本知识和3D打印机日常维护方法；

（2）完成指定模型的3D打印；

（3）学习三维扫描仪的用法和基于逆向建模的3D打印；

（4）自行设计三维模型并打印出成品；

（5）参加各类校级、省级、国家级创新竞赛。

4 3D打印实验教学

由1.2小节3D打印的工作过程可知，学生只要具备了用CAD软件建立三维模型的技能，并经过3D打印设备使用方法的培训后，就可以基本掌握3D打印技术，再根据自己的设计思路和想法，将手工设计变为三维设计模型，打印出成品。

对于零基础的学生来说，为了能够在3D打印实验室成功地打印出成品，需要学习以下内容：

（1）学习和掌握CAD软件或其它三维建模软件、打印机配备的专业分层软件（如CubeX）；

（2）了解3D打印机的操作面板；

（3）掌握3D打印机的操作方法：开机、装填打印材料、操作面板、机器维护、后期处理；

（4）学习如何导入和处理分层模型文件，如何设置打印机的参数；

（5）学习如何打印，得到自己设计的成品。

（6）为了更全面地掌握3D打印技术，学生还需要学习基于已有实物重建的逆向建模技术。实物模型重建的核心设备之一是扫描仪，比如手持式激光扫描仪REVscan。学生需要学习手持式扫描仪或其它扫描仪的使用方法和步骤，以及相配套的软件Geomagic Studio大类，比如手持式扫描仪REVscan使用软件Geomagic Design Direct。

无论制造类、设计类、IT类、建筑类各工科专业还是艺术设计类专业的学生，三维建模软件或CAD设计软件对学生都不陌生，同学们或者开设有学习这些软件的相关课程，或者虽没有学习过这些软件但学习过其它类似软件，打下了很好的基础。而学习3D打印机或扫描仪的使用方法，亲自操作这些设备，初步掌握一两种先进的工业技术，会使学生零距离接触到先进的工业制造设备，亲身体验高端工业制造技术，使同学们受益非浅。

5 3D打印教学实验举例

本节设计了两个适用于汽车类专业学生的3D打印教学实验。实验目的是通过3D打印技术打印出汽车基础零部件，理解汽车专业技术。

5.1 新能源汽车发电电动机的壳体打印

由于机壳各部位发热量不同，需要位于壳体与冷空气流之间的不同密度和面积的叶片群达到最佳热交换形态。取代普通制作工艺，运用3D打印技术制作出来的螺旋导风散热模具、具有复杂翅翼的新能源汽车电动发电机壳体，能解决传统精铸工艺模具复杂、无法快速实现冷却气流旋转方式的问题，优化不同壳体散热量的最佳效率热交换形态，解决现代汽车高度集成化后针对内藏式电压调节器的电动发电机长时间、高温环境条件下的运转可靠性问题。

利用3D打印技术制作出来的壳体，可以在实车上进行试验，用热电偶实测内部关键部件温度变化曲线，判断热平衡点。

运用3D打印技术打印汽车发电电动机的壳体，证明了3D打印技术的突出优点。它可以在无需准备任何刀具、模具、工装卡具的情况下，直接用CAD软件设计出三维模型，再启动3D打印机打印出任意复杂形状的三维物理实体。利用3D打印也可以进行快速模具制造，极大地缩短产品的生产周期，降低生产成本，提高原材料的利用率。

5.2 打印汽车不同横截面前导风板、后增压导板

学生通过3D打印技术制作风洞试验和轮胎支承水平压力传感器，可以体会不同上下弧形的导风（向）板叶片，帮助理解汽车调整运动稳定性的核心因素。

6 结语

3D打印技术越来越成熟，应用日趋广泛，不仅会给制造业带来革命性的变化，同样对教育模式和教育观念也会产生深远的影响。如何利用3D打印技术推动教育发展和科技进步，这一研究内容变得越来越重要。本文提出了高校3D打印创新实验室的建设方案和开放性使用方案，并以汽车专业为例，对基于3D打印的实验教学进行了研究，设计了基于3D打印的汽车类实验教学。大学校园内3D打印创新实验室的建设和创新实验课程的设立，一方面能极大地提高学生的实践能力和创新能力，加快各专业技术的发展，另一方面也能推动3D打印技术的推广应用。

[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，2013，42(4):1-4.

[2] NOVAK J，NOVAKOVA L，BARNA J，et al.Application of FDM rapid prototyping technology in experimental gearbox development process [J]. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette，2012，19(3):689-694.

[3]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.

[4]孙江山，吴永和，任友群.3D打印教育创新:创客空间、创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究，2015，23(4):96-103.

[5]郑红伟，张艳蕊，马玉琼.基于创新能力培养的3D打印实验室开放模式研究与探索[J].实验技术与管理，2015，32(11):159-162.

[6]CHUA C K， LEONG F， LIM C S. Rapid prototyping:principles and applications[M]. Singapore: World Scientific， 2010: 1-23.

G642;TP391.73-4 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0175-04

四川省教育厅2017年度科研项目(No.17ZB0242)，四川省教育信息化应用与发展研究中心2017年度科研项目(No.JYXX17-036)。

章伟(1963-)，男，四川乐山人，副教授，本科，主要研究方向为3D打印、新能源汽车(Email:1626276375@qq.com)；

罗茂元(1982-)，男，副教授，主要研究方向为3D打印、物联网；周萍(1968-)，女，教授，主要研究方向为网络安全、机器人技术；罗茂元(1981-)，男，汉，四川内江人，副教授，硕士，主要研究方向为3D打印、物联网；

周萍(1968-)，女，汉，湖北宜都人，教授，博士，主要研究方向为网络安全、机器人技术。