3D打印在大学生创新实验中的应用研究

2015-05-03张德强

实验技术与管理 2015年11期

高奇，曾红，张德强

（辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001）

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础、运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型的快速成型技术，3D打印是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，在产品设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域具有广阔的应用空间［1－3］。随着3D 打印技术的发展，3D 打印在教育领域中的应用受到研究者的关注，正带来教学、学习和研究领域的创新。大学生创新是一个民族的灵魂，是社会发展的不竭动力，而制造业是国民经济的基础，是国家安全的保障，是国家竞争力的重要体现，现代制造技术水平的高低已成为一个国家经济发展的主要标志［4－6］。3D打印技术将带给现代制造技术深刻的影响，本文以大学生创新创业项目为依托，阐述3D打印技术在高校创新实验中的应用。

1 创新实验条件

实验室现有实验设备有非接触式REVscan自定位手持式三维激光扫描仪、西安交通大学SPS450B快速成型机、ZK500硅胶注型机、喷砂机等。大学生创新性实验的开设以项目驱动为主导，服务于创新产品的快速设计与制造，给学生直观的样机体验，激发学生的创新思维和创新意识，提高创新能力和实践能力。实验项目开设方式有：

（1）课程实验。围绕“先进制造技术”、“机械原理”、“机械创新设计”等课程相关内容，开设课程创新实验，鼓励学生完成机械类零部件创新设计和3D打印。

（2）创新大赛。如国家级的“挑战杯”大赛、机械设计创新大赛、大学生工程训练能力竞赛，指导学生进行创新产品设计和3D打印物理样机的调试。

（3）开放实验。包括手机外壳、叶片、法兰盘等零件的逆向工程与3D打印，学生也可自主选题。

2 创新实验项目案例分析

以辽宁省大学生创新创业训练项目“3D打印的汽车起动机壳体”为例，学生在经过相关课程的理论学习和实验设备的培训后，以创新团队为小组的模式进行任务设计、分工，保证项目的实施，具体的工艺流程如下。

2.1 三维建模

三维模型是3D打印的基础，通常可以有2种方式来获得三维模型。

第一种正向造型，可使用Pro/E、SolidWorks、UG等主流软件按照起动机壳体的零件图尺寸要求来精确地创建三维模型，如图1所示。端盖一般分为2部分（前端盖和后端盖），起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。端盖一般用铝合金铸造，一是可以有效地防止漏磁，二是铝合金散热的性能好。

图1 三维模型

第二种可通过逆向工程技术［7－9］，使用非接触式REVscan自定位手持式三维激光扫描仪对壳体零件进行数据采集，通过软件来对获取的点云数据进行拟合、光顺等一系列处理后，同样获得3D打印所需要的三维模型，如图2所示。

图2 逆向工程

2.2 分割三维数据成二维

3D打印的实质是2D打印的逐层叠加，把起动机壳体的三维模型导入分层处理软件，将整个三维模型沿水平方向“切割”成一定数量的二维薄片，设定每层厚度（0.1mm）。从理论上讲，厚度设定的越小，分割的层数越多，台阶效应越小，那么将来打印出的产品尺寸也就越接近于原始设计数据，精度越高，如图3所示。

图3 分层及设定支撑

随后设定支撑，在端盖成型过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件界面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位，因此必须设计一些细柱状或肋状支撑结构，并在成型过程中制作这些支撑结构，以便确保制件的每一结构部分都能可靠固定，同时也有助于减少制件的翘曲变形。最后，通过仿真观察它的成型过程并输出数据。

2.3 3D打印

将分层处理好的数据导入到3D打印机的控制软件中，设定打印参数就可以执行打印过程了。目前，3D打印比较成熟的方法有：光固化成型、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成形［10－12］。

本实验使用的这台设备（SPS450B快速成型机）是基于光固化成型原理的3D打印机，计算机控制激光束对作为原料的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，这样就形成零件的一个薄层。

随后工作台下移一个层厚的距离，刮板将黏度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。经过一段时间后，一个完整的起动机壳体便制造出来，如图4所示。3D打印好的零件经过固化、去除支撑，清洗、修整、上色等操作后，就可以实验使用了。

图4 3D打印

通过汽车起动机壳体的3D打印过程，证明了该技术的突出的优点，无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，通过该数据直接驱动3D打印系统生产出任意复杂形状三维物理实体，并可以进行快速模具制造，极大地缩短了产品的生产周期。区别于传统的“减材制造技术”，可以提高原材料的利用率，降低生产成本。

3 3D打印创新实验应用分析

3.1 教与学的创新

3D打印将抽象概念和设计引入现实世界，对教学内容中的某些科学过程或抽象概念进行可视化展现，使学习者获得更多的认知体验，将数字模型转化为可观察、可触摸的实体模型，提高思维能力，促进学习者立体化地获取和理解知识，拓展创造性思维，从而提高学习效果。

3D打印在知识和技能、理论和现实之间架起了桥梁，丰富了学生的学习体验，为教师讲解该内容提供了一种更直观的“触觉教学”方法。

3.2 团队创新能力的培养

各项创新大赛及实验项目的实施，为3D打印技术的推广提供了广阔的空间。产品从设计到打印、装配、调试，都需要学生参与完成，将促进学习者操作能力、制作能力和团队协作创新能力的发展，学习者可以从设计、制作、展示、参与等角度融入学习过程中，有效地激发学生实践的积极性，提高学习热情。培养学习者的创新性和创造力。