鲍开美 李晓峰

摘 要：3D打印技术作为一门新兴的热门加工技术，将成为未来制造工艺中的重要组成部分，开设3D打印课程，让学生充分了解3D打印的原理、工艺方法及从三维建模到操作3D打印机生成实物加工的全过程，培养和激发学生的对工程训练的兴趣和自主创新意识，对理解、掌握先进制造业的发展方向——自动化、数字化、智能化这一认知有着重要意义。

关键词：3D打印；快速制造；教学组织；三维建模

1 绪论

3D打印技术，被认为是20 世纪最伟大的制造技术革命，[1]集成了机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，[2]因其加工原理的具有极强的灵活性，能够适应单件及小批量产品的迅速开发而不额外增加成本，对机械加工甚至艺术加工工艺是一种很好的补充。[3]目前3D打印技术也正以极快的速度融入我们的生活之中。针对需要不断与时俱进、接受新鲜知识的大学生来说，开设3D打印工程实践课程，有着必要性。

2 教学案例

2.1 3D打印的工艺原理及工艺方法

3D打印的工艺原理为：建模，通过计算机软件或逆向工程技术建立所需零件的三维模型；模型 “微分”，即沿Z轴对模型进行“切片”，得到每层截面数据信息；计算机根据每层截面信息，建立材料堆积路径和方式；实体“积分”，即3D打印机根据预设路径有序堆积材料，层层制造，逐层叠加成形零件实体。[4]

3D打印因其加工原理的特殊性，导致在加工不同材质的时候采用的工艺方法都有所不同，且因为3D打印技术的不成熟性，各种技术方法层出不穷，课堂上主要介绍几种经典及较为前沿的技术方法，根据加工材质的不同进行分类，分为光敏树脂材质、金属材质及塑料材质。

（1）光敏树脂材质。光固化成型（SLA）的工艺过程：以液态光敏树脂充满液槽；由计算机控制激光束扫描层状截面轨迹；受到激光照射的液体树脂固化成型；升降台下降一层高度，激光束扫描下一层切片的截面轨迹；新的一层粘结在前一层的表面上；如此不断重复直到整个零件完成。

连续液面提取（CLIP）的工艺过程：是光固化成型的改型工艺，巧妙利用氧气在液槽底部形成“死区”，将制件和透光板完全分隔开；利用激光束投影出该层切片形状即可直接成型一个片层；升降台上升一层，激光束投影下一层切片形状；如此不断重复以上步骤直至完成零件加工。相较光固化成型技术，连续页面提取技术的工艺水平更好，在加工精度和加工速度上都有了很大提升。

（2）金属材质。选择性激光烧结（SLS）的工艺过程：采用合金粉末作为成型材料，在工作台上铺上一层粉末；激光束扫描切片的截面形状，进行烧结；被烧结部分固化成型构成零件的实心部分；铺下一层粉末，烧结固化下一层切片；不断重复直至完成零件加工。

纳米液体喷射（NPJ）的工艺过程：采用类似喷墨打印头进行加工，层层喷射含有金属纳米颗粒的“墨水”；采用一定高温汽化“墨水”载体，只留下金属部分；逐层加工成型。相较选择性激光烧结技术，纳米液体喷射技术的加工精度和加工速度都有了大大的提升，制造成本也进一步降低。

（3）塑料材质。熔融沉积成型（FDM）的工艺过程：一般以丝状供料，材料丝通过加热器加热并以半液态形式从喷头中挤出；喷头按照一定规律沿零件截面形状行走，材料迅速凝固并成型；不断重复直至完成零件加工。

大面积增材制造（BAAM）的工艺过程：与熔融沉积成型原理一样，加工区域巨大化，因此可以直接加工大型物体，例如汽车、家具甚至建筑等等。相比熔融沉积成型技术，其加工速度获得极大提升，相对应的加工精度则远低于熔融沉积成型技术。

2.2 构建三维模型

课堂采用Win10系统自带的3D Builder软件进行三维模型构建，该软件的特点是操作简便直观，对于课堂面向的没有三维建模基础的大二学生比较友好。该软件提供了一些基础的形状，例如立方体、圆柱体、球体等，或者通过网上下载及图片导入的方式生成其他的基础形状，用户可以以“堆积木”的形式，配合移动、旋转、缩放、复制、粘贴、镜像等命令将不同的基础形状堆积，搭建出大致的模型，再利用简化表面、拆分、平滑、浮雕、合并、相交、剪除、挖洞等编辑命令完善模型。

2.3 3D打印机的操作

课堂中选用的3D打印机型号为北京太尔时代公司的UP！桌面式三维打印机，操作软件为UP！软件，因此主要介绍围绕该软件展开。

（1）选择并确定模型的大小及方位：启动UP！程序，并利用“打开”功能载入模型；利用“旋转”功能改变模型在打印平台上的方位，产生最少的支撑；

（2）利用“缩放”功能将模型调整到合适大小，能够在规定时间内完成打印任务。打印该模型：利用“自动布局”功能将模型自动放置在平台中央；

（3）初始化3D打印机，使打印喷头及打印平台都返回初始位置；

（4）“打印预览”界面设置模型打印精度、片层厚度、支撑参数及填充选项等，可使模型满足不同的需求；

（5）3D打印机工作，层层堆积材料，完成模型的成型；

（6）将打印底板从3D打印机上取下，使用平口铲刀将模型从打印底板上剥离；

（7）使用偏口钳等工具去除模型上的底座及支撑结构，使用什锦锉刀等工具对模型进行打磨修整，完成对模型的后处理。

从目前开展的教学反馈来看，3D打印课程因其为学生提供了一个自主设计、并可快速完成作品加工的平台而深受学生的欢迎，促进了学生主动学习，也培养了学生的创新思维能力。图下为学生自己设计、建模，最后完成的3D打印作品。

3 结语

目前来说，3D打印课程在高校中一般以金工实训的一个工种的形式组织开展，面向的学生群体主要是工科学生。然而3D打印技术除了在机械工程、工业工程等领域之外，还在食品、艺术设计、珠宝、玩具、医学等领域都得到了广泛的认同和实际应用。

因此，个人认为今后在3D打印教学内容的组织安排上，一方面课程开设可以以面向全体学生的公选课形式开展，除以上基础教学内容外，还可增加与3D打印紧密相关内容的专题教学，例如3D打印技术如何与传统工艺相结合，从而使两者都能发挥更大作用；逆向工程技术与3D打印的结合；对不同三维建模软件的详细学习，并与工程图学、机械原理、机械设计、包装设计等课程相结合，对不同专业的学生有不同的切入点和侧重点，利用三维建模技术、3D打印技术实现对课本上的模型图纸或自己绘制的二维图纸的三维模型建立，到实物的加工成型整个过程。另一方面，可以将3D打印与大学生创新实践项目、学科竞赛项目、甚至创业项目相结合，让学生在实践中得到更好的训练。通过多样化的教学和实践，使学生对3D打印技术将不仅仅停留在三维模型到实物的操作过程这一表面认知，而能够深刻理解其实用价值，激发创新意识，以及能够自主思考今后如何将3D打印技术更好的与自己的行业相结合，从而创造更大的社会价值。

参考文献：

[1]付昱，蒿丽萍，侯丽媛，等.3D打印技术及其对机械教学的启迪[J].内蒙古电大学刊，2015（1）：101-104，110.

[2]成思源，周小东，杨雪荣，等.基于3D 打印技术的实验教学[J].实验室研究与探索，2015（8）：158-161.

[3]安芬菊.3D打印在工程訓练中教学组织的研究[J].实验科学与技术，2018（2）：138-140.

[4]王志海，舒敬萍，马晋.机械制造工程实训及创新教育[M].北京：清华大学出版社，2014.

[5]陈邢凯.基于创新型人才培养的3D 打印实训室建设与管理的探析[J].湖北函授大学学报，2018（4）：5-6.

[6]卢帅，李瑞华，栗伟周.3D打印在工程图学课程教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2018（5）：160-161.