3D打印实训项目在机械工程创新实践教学中的应用

周渝明 阎汉生 何军拥

摘要：为了培养学生的创新思维和工程实践能力，基于3D打印增材制造技术开展了工程实践训练项目，学生通过创意设计、零件数字化建模、3D打印增材制造、装配等环节的培训，开阔了视野，提高了动手能力，为构建新型机械工程实践教学体系奠定了良好的基础。

关键词：三维打印;机械工程;实训项目

3D打印技术是当下的一种新型快速成型技术，然而其实早在上世纪90年代这门技术就有了雏形。这门技术即是在数字建模的基础上，以微小直径颗粒金属或聚乙烯材料进行高度方向的堆砌。（即“积层造形法”）。这一技术过去几十年一般用在模型的铸造或者工业设计中模型的搭建。而如今科技进步下已经被用在各个行业的直接生产中。在机械工程的实践教学，要求理论知識的完备与实践操作能力相结合，而在实践教学中，3D打印实训项目的建设，可以提供非常好的辅佐。从而提高机械专业实践教学的课程质量。[1]

一、结合3D打印技术的机械专业教学

我们使用3D软件（Pro/e、UG、Slidworks等）来构建一个经典的模型，然后将其导入3D打印机打印出实体模型，以便学生可以更直观地观察模型，便于修改和优化模型，这有利于课堂教学和学习。

二、3D打印技术简介

“3D打印”技术是1990年代开发的先进制造技术。它的开发过程经历了多个阶段，过程可以大概总结为“孕育期-快速原型-直接增材制造”。它是CAD/CAM技术、数控技术、新材料、精密伺服驱动技术与激光技术的集成，它不同于传统的减法加工技术，从多到少，从粗到精，对工件毛坯或半成品进行加工，并逐步满足模型的技术要求。它是将计算机上设计的三维数字化模型进行分层切片，再根据分层结果，一层一层地逐步积累材料，最终形成三维实体，以满足图案技术的指标要求。将3D制造简化为3D加工的想法是制造业向前迈出的一大步。[2]使用RP技术可以处理任何复杂表面的工件，而不需要考虑从逐层叠加到零件的整个过程，从而大大降低了新产品的成本与开发周期。目前，“3D打印”技术是一个世界性的研究领域。受到了航空航天、汽车工业、模具工业、医疗设备、消费类电子产品、玩具、人体工程学、服装、数字博物馆、艺术品仿造、人体组织损伤修复等各行业广泛的应用。PR技术的不断发展过程中，应用的途径也各异万千。因此，3D打印技术实训项目的开设不可或缺，理工科的学生如果能够掌握这一技术，那么在很大意义上也说明他能够满足大规模工程和大规模制造在工程教育背景下的需求。并达到产业对高创新能力人才的要求，适应这个竞争激烈行业的压力。自本世纪初以来，各大院校工程培训中心时时都在推动这项先进技术与学生工程训练的结合。

三、3D打印技术对机械生产行业的影响

3D打印技术通过高度方向的材料堆积完成生产，首先利用计算机对生产对象进行数字建模，然后将其分层叠加转换为适用于各行业的3D实体模型。纵观传统的工业加工过程所存在的弊端，通过3D打印技术可以完美解决。所以三维打印技术在机械生产行业受到了广泛的关注与应用，使机械生产行业得到了稳步的发展。[3]

（一）缩短机械工业产品的研发周期

机械工业产品一般来说，对于产品的质量要求一直都比较高，因此在机械工业产品设计与研发生产过程中，首先就需要做好产品的市场调研工作，以便对产品的各项情况，有充分的了解和认知，而这就容易导致机械工艺产品的研发周期被拉长，其对于产品研发工作的有序实施实际上是极为不利的。但是3D打印技术的应用则使得相关问题迎刃而解。机械工业生产行业需要不断的创新，也需要保证产品的精密程度。3D打印技术可以实现设计师的设计思想到产品的快速实现。在此过程中，设计师可以有更大的设计空间，修改和重组产品以实现产品创新。同时，由于3D打印技术设计模型的有效功能，设计人员可以在项目过程中的任何时间实践他们的设计思想，并证明了3D打印可以实现虚拟模型到现实产品的完美转化。可以在不进行市场考察和市场调研的情况下随意修改模型，节省了大量产品研发过程中的宝贵时间。

（二）有助于机械工程产品设计理念的创新

传统的预处理方法对机械制造企业的内部结构要求很高。这就要求企业为产品的生产建立几种结构，这就增加了企业的生产成本，降低了企业的经济效益。公司的发展将不可避免地受到更大的制约，重大案件将导致公司破产。三维打印技术的应用很好地帮助了机械工程公司解决了这个问题。利用三维打印技术生产机械工程产品不需要太多人力，可以实现自动化生产，加工零件的稳定性和集成度高于传统的零件加工方法。同时，利用三维技术生产机械工程产品，极大地方便了零件的设计和加工，从而提高了企业的经济效益。比如航空零件的生产，产量很小，但是对产品的生产有极高的规格标准，航天航空零部件的物理外形千万种，每种形状的生产标准，生产工艺各不相同。制造难度极高。在传统的生产工艺流程中，需要数百道工艺的往复循环才能生产出少量达到标准的产品，而在3D打印技术的加持下，模具的生产依旧是建模打印的步骤[4]。

（三）节省企业科研开支

机械工程产品的自动化和智能化生产是机械工程制造的重要组成部分。使用传统的加工和生产零件的方法进行生产需要很长时间。它还需要使用多种设备进行辅助生产，例如夹具、机床等。一方面降低了产品的生产速度。产品一旦生产，市场需求可能会在很短时间发生变化，这不利于企业的产业竞争;另一方面，产品的质量参差不齐达不到市场要求，产量也难以与市场匹配。检验，如果检验不合格，必须退回工厂进行更正，这一过程无疑是生产周期的不定因素。3D打印技术在该方面具有非常突出的优势，不需要返场只需要不断进行模型的改变就可以逐渐匹配要求。3D打印技术，不仅可以提高工业生产的速度，计算机精密测算的条件下，产品的质量，精度也都得到了提升。修改时间很短，节省了人力、物力、财力等，降低了企业的生产成本，提高了企业的经济效益。此外，还可以省略许多传统的处理程序，并使用3D打印技术计算机程序进行控制，从而促进机械工程产品生产中自动化和智能化的发展。

除了以上优势之外，3D打印实训项目在机械工程创新实践教学中有效应用，也一定程度上降低了实训的难度，激发了学生参与各类实训项目的积极性，其对于教学的创新发展有着较为积极的促进作用，使得相应的教学工作得以朝着更好的方向发展。比如说，过去实践教学实施过程中，有些实践项目由于比较复杂，课堂上的教学条件有限，实施难度大，因此往往难以在课堂上直观的呈现，但是在应用了3D打印实训项目之后，相关问题则得到了有效的解决，学生的实践平台得以不断扩宽。

四、3D打印技术在机械教学中的应用

（一）在机械教学中使用FDM桌面型3d打印技術进行实验设计

实验采用太尔时代公司生产的“up_box”FDM桌面型3D打印机。该设备具体的3d打印过程为：（1）打开计算机和3d打印机后置开关。打印机热床下方的led灯以橘色点亮。这表示设备正常开启。（2）在计算机桌面上双击up_studio程序的快捷方式，启动3d打印模型处理和切割程序，以备处理模型。（3）开始软件后，鼠标点击该软件的左栏up字样图标，进入该程序窗口的操作界面，然后在该窗口中点击初始化图标。这时，打印机热床从打印机的底部移动到中间，发出咕嘟的响声。初始化之后，热床下led指示灯变成绿色，代表初始化完毕，等待打印工作。（4）将stl格式文件导入程序中，鼠标单击旋转图标来调整模型方向，然后单击缩放、移动和放置模式（如需改变大小），也可单击添加/减号图标，以放大或缩小模型。在完成加载和放置模型后，单击“打印”按钮，就会出现一个配置窗口。根据模型特征来选择层厚、填充方式、打印质量。同时判定是否选择底座，是否采用薄壁模型。结合本次要打印的模型（轴承），打印设备不选用任何支架，非薄壁打印和打印底座。配置好后，点击“打印”按钮，软件会根据前述设置参数将模型切割分层，计算出所需时间和材料的重量，完成后进入自动打印阶段。打印完成后，取下热隔板，用铲子将模型取下，剥去底座，即可完成最终的轴承模型生产。

（二）在机械教学中使用三维打印技术的应用能力支持

常用的台式三维打印机模型分层软件，在支撑和优化上比较弱。支持本机的up_studio软件也是如此。打印模型时，软件可以选择是否自动添加支撑。如果需要添加或减少支撑的数量，则可以改变支撑的范围角度。对于轴承的打印，由于轴承里的珠子与轴承内、外圈间仅为点接触，珠子打印过程中材料处于在空中悬浮状态，所以必须加上支撑。如果软件自身增强支撑，则在打印完成后，珠子将彼此粘贴，或者在打印过程中珠子移动，而不能形成一个完整的部件。在建立轴承模型时，直接绘制支架为一部分，在打印过程中，点击“无支撑打印”。这使轴承部件能够成功地打印，但支架的形状和类型还必须按照型号设计。打印轴承采用了四种支架方式：无支撑的自动扶柱、无支撑的扶柱、立柱和环状支撑。其中环状支撑效果最好，最后打印完成模型，在其他形式下，珠子被移动和打印都失败了。根据轴承结构的特点，在模型打印时，由于滚珠存在，必须加强支撑设计。圆柱形的支撑和球体之间的接触很小，这有助于球打印及支撑去除;环形支持固定在与球接触的区域，并在打印时支撑球以保证对其的修复。

五、3d打印实训项目建设思路

在计算机辅助设计模型文件的基础上，通过高温熔化、固化金属或塑料等可粘合材质，逐层对三维部件进行原型打印。有四个典型的代表工艺：光敏树脂固化成型（sla）、选择激光粉末烧结成型（sls）、层压成型（lom）和熔丝堆叠成型（fdm），其中fdm熔丝堆叠成型（fdm）发展很快，因其操作便于维护、简单、成本低，可制造复杂度高的诸多的优点，被广泛应用于高校工程训练领域。FDM熔丝堆叠成型的过程是：热熔嘴由电脑控制，在X-Y方向做平面运动，ABS或PLA材质塑料丝通过热熔腔加热，熔融后经喷嘴挤出并逐层堆叠成型，直到打印完成。

结论：3D打印作为一种新型的智能制造技术，可以引入对机械专业学生的专业教育，实践教学可以将课程中的文本知识转化为实际操作，提高学生操作能力与学习热情，开阔视野，培养学生设计与创新意识，增加学生就业机会。教师应充分把握打印对象和3D打印机设备的特点，合理优化打印过程，特别是匹配设计，总结技能，确保实践过程中设备正常工作。

参考文献：

[1]周玉环.3D打印技术对机械工程的影响探析[J].企业科技与发展，2018：70-71.

[2]白鹤，陈涛，周有源，王核心，何石磊.3D打印技术在高职机械教学中的实践及应用技巧[J].电工技术，2018：100-101+103.

[3]林宗德.3D打印技术在机械创新实验教学的应用研究[J].机械管理开发，2019：159-160.

[4]孙伦业，张新.3D打印实训项目在机械工程创新实践教学中的应用  [J].《考试周刊》，2016：109-110

广东工贸职业技术学院 周渝明 阎汉生 何军拥