杨 洋,周 亮,李晓春

（吉林大学 工程训练中心,长春 130025）

3D打印训练项目建设的探索与实践

杨 洋,周 亮,李晓春

（吉林大学 工程训练中心,长春 130025）

为培养学生的工程实践能力、创新能力和创新意识，进行了3D打印实训项目的建设，学生通过概念设计、三维建模、格式转化、数据处理、制造零件原型的全过程，加深了对生产工艺知识的了解，提高了学生的综合实践能力。

3D打印；工程训练；创新

0 引 言

工程实践教学作为高等院校培养工程类人才的重要环节，对学生学习基础工艺知识，开创创新思维，增强工程实践能力和工程意识，巩固及加深理论知识具有重要作用[1]。工程训练课程体系在不断地创新与改革，从传统的技能训练逐步拓展为先进的制造技术，加强了新工艺、新技术、新材料的实践内容，并注重学科交叉，注重培养综合创新实训能力、独立自主的设计与制作能力[2]。我校工程训练中心为顺应新形势的发展开发创建了3D打印训练模块。

3D打印技术不同于传统零件制造方法，不需机械加工或任何模具，它是以CAD模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造零件原型。3D打印技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新产品设计等方面提供了一种高效低成本的实现手段[3]。建设3D打印训练项目，可以让学生了解前沿制造技术，掌握从概念设计到原型制造的一般工艺流程，有利于培养和提高学生的创新意识和创新能力。

1 建设内容

1.1 设备选型

中心购买的是北京太尔公司生产的up便携式桌面3D打印机，up使用的材料是ABS成型材料，该成型材料使模型尺寸稳定，且坚固耐用。

图1 up三维打印机结构

1.2 工艺过程及原理

3D打印技术的工艺方法目前有几十种，其中具有代表性的工艺方法是：液态光敏树脂选择性固化成型、分层实体制造、选择性激光烧结和熔融沉积成型。up采用的工艺是FDM熔融沉积成型，其工艺过程是：喷头在计算机的控制下，根据计算机给出的截面轮廓信息，做x-y-z运动。丝材（如塑料丝）由送丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热、熔化，选择性地涂覆在工作台上，并快速冷却固化，一层加工完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的涂覆，如此循环直到形成三维产品。

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：

（1）CAD建模 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）格式的转换 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。

（3）分层 将3D模型沿Z向离散为一系列2D层片。

（4）处理层面信息 根据分层的轮廓信息，规划工艺，进一步选择加工的参数，生成数控加工代码。

（5）打印模型。

（6）后处理 清理零件表面，去除辅助支撑结构，仅需要几min到15 min 的时间，剥离支撑后模型即可使用。

1.3 教学方案

根据学生的专业，制定出三种有针对性的教学方案：

（1）非机类学生（2学时）重点讲解3D打印的概念以及常见的几种成型方法原理与过程，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，培养学生的创新意识与创新思维。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）机类学生（8学时）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；进一步了解3D打印技术的加工过程；了解3D打印技术的应用特点，掌握3D打印设备的使用方法。

训练内容：做出创意设计方案—设计图纸—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 学生打印作品

2 结语

3D打印实训项目的建设将有助于加深学生对先进制造技术的认识，其中包括了CAD/CAM技术、CNC技术、激光技术、新材料技术及逆向工程等，使学生了解先进制造技术的发展及应用，有助于提高学生的学习兴趣。

[1]杨洋，曲晓海，李晓春.车床主轴箱虚拟拆装系统在拆装实训教学中的应用[J].装配制造技术，2013（07）.

[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）.

[3]郑红梅，高正一.工程实践训练中的快速原型制造技术[J].合肥工业大学学报，2001（01）.