浅析3D打印技术及其在机械专业教学中的应用*

顾祎娜，朱方闻

(天津市河东区职工大学，天津 300162)

浅析3D打印技术及其在机械专业教学中的应用*

顾祎娜，朱方闻

(天津市河东区职工大学，天津 300162)

3D打印技术在文化创意、建筑工程、机械制造等许多领域受到广泛应用。作为职业院校，顺应时代发展的趋势，更应该把这种前沿的科技和实际的教学实践有机地结合起来，打开学生实践创新的思路，更好地为经济和社会发展服务。文本着重阐述3D打印技术基本原理、应用领域及其发展前景，探讨将其通过实习实践与高等职业教育有机地结合，应用于机械专业教学中，并着重对FDM桌面3D打印机的应用进行细致探究。

3D打印技术；机械设计；高等职业教育

近年来，3D打印作为一个新兴技术热词频繁出现在各大报刊杂志、互联网等各种媒体的版面上，3D打印零件，3D打印食品、3D打印建筑…伴随着《中国制造2025》国家战略方针的提出，更是把3D打印的发展推上了一个前所未有的高度。作为第三次工业革命的核心技术，3D打印技术在许多行业领域受到广泛应用及重视，其中包括文化创意产业、建筑工程领域、机械制造行业等等。作为职业院校更是应该把这种前沿的科技和实际的教学实践有机地结合起来，顺应时代的发展，打开学生实践创新的思路，更好地为国家社会服务。那么如何将3D打印技术与职业教育实践内容很好地结合到一起，就成为了我们要研究的重要课题。

一、3D打印技术的基本原理

作为快速成型技术，3D打印技术就是利用粉末状金属或树脂等可聚合材料根据物体的数字模型，以分层打印的形式，堆积制造出产品。它依据计算机设计的三维模型将复杂的三维实体模型 “切”成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，逐层加工，层叠增长。这里提到的三维模型可以是通过设计软件，常用的CAD软件、 SolidWorks、Pro/E、UG、POWERSHAPE等的获得，也可以是通过逆向工程获得的物体数字模型。3D打印技术作为先进制造技术的重要组成部分，有机地将激光技术、计算机辅助设计技术、数字控制技术和材料科学等多领域成果结合在一起。其主要工作流程如图1所示

图1 3D打印技术工作流程图

3D打印技术按打印过程的成型原理区分，主要方法有立体光固化成型法(SLA)、叠层法(LOM)、熔融沉积法(FDM)、激光选区烧结法(SLS)、三维印刷法(3DP)、熔丝制造成型(FFF)等等。其中较为主流的方法有以下几种。

1.熔积沉积法(FDM)

FDM是打印机在电脑的控制下加热喷头利用如尼龙丝、MABS、ABS、蜡丝等丝状热塑性材料根据截面轮廓数据，在X轴、Y轴和Z轴方向运动。耗材由供丝设备传导至喷头，通过喷头加热，使其变至熔融状态，然后根据数字模型需要覆盖在工作台上，耗材冷却后形成截面轮廓。通过z轴高度升高，层层堆积，最终堆积成打印成品。它的特点是在制作之前要加好物体支撑，而且后期处理难度较大，适用于具有一定功能和强度要求的物件制作。

图2 FDM工艺原理图

2.激光选区烧结法(SLS)

SLS就是将粉末状耗材先喷洒于已完成的产品表面，利用高强度的激光照射将其烧结。SLS工艺不仅适用于对金属、塑料等零件进行加工制造，还可以用于对蜡、陶瓷等材料的零件制造，材料适应面极广，这也是这项方法的最大优点。由于其材料本身可烧结凝固，因此这种工艺无需额外加支撑辅助。但它也有成形件结构疏松多孔，表面粗糙度较高，成形效率不高等缺点。

图3 SLS工艺原理图

3.光固化成型法(SLA)

SLA技术是在一定波长和强度的紫外光的照射下利用光聚合原理使耗材液态光敏树脂迅速发生光聚合反应, 分子量迅速增大,使其凝固成固态。这项技术成型零件表面质量好、成型精度高，且原材料利用率接近100%，不产生任何环境污染，特别适合于制作含有复杂精细结构的零件。但这种方法也有一些缺点，如需要制作前自身加支撑进行辅助，由于树脂具有收缩特性，容易引起产品精度下降，光固化树脂存在毒性等。

图4 SLA工艺原理图

作为3D打印技术，三维CAD 设计是其技术的基础；它可以无需任何专用工具，利用产品的设计数据直接驱动3D打印设备堆积材料直接进行成形制造；通过快速成型技术所完成的产品是具有使用功能的零件，完成的零件的结构与形状没有任何限制，甚至可以是具有材料梯度、结构梯度和特殊孔隙的复杂形状，并且成本为传统加工的1/3～1/5，周期缩短为以往的1/5～1/10，极大地提高了工作效率，快速地为企业节约成本，增加产值。

二、3D打印技术的应用领域

过去，3D打印技术常作为模具制造的重要手段应用于工业设计等领域，现在随着技术的不断更新和发展，逐渐也向着产品直接制造方向发展，这意味着这项技术正在向社会的各个角落延伸，正在悄然普及。目前，3D打印技术的应用领域非常广泛，在家电、医学、文化艺术、雕刻、首饰、影视、考古、建筑、航空、军事、航天、工业造型、轻工、机械制造等诸多领域都有其应用的体现。并且随着3D打印技术的不断发展革新，它的应用领域也在不断地拓展中，它正一步步走向我们的生活走来，假以时日，3D打印将走进每个人的家庭，每个人都可以用3D打印机打印出极具自身特点，充满个性的，满足家庭个性化需求的用品，因此随着发展就更需要高等职业教育利用自身特点去贴近前沿技术，对其进行更好的教学与实践的融合，推动产业发展，满足人们对生活的进一步的需求。

3D打印作为一种先进制造技术，在未来制造业发展的方方面面都将起到举足轻重的作用。李克强总理等国家领导人高度重视3D打印技术的发展，预示着中国3D打印产业即将迎来新一轮发展热潮。2015年5月中国政府推出了《中国制造2025》发展计划，提出制造业是国民经济的主体，秉承国家“十三五”规划中提出“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，制造业引入3D打印技术，可以使我国制造业技术工艺水平得到有效的提升。

未来，民用板块、模具设计与军工制造三大版块将会是带动3D打印产业发展的三台有力助推器。在民用领域，消费需求将会被桌面级3D 打印机的闯入有效地撬动，大众娱乐市场将被极大地打开。在模具设计领域，随着不断上升的模具精度要求和制造效率，工业设计人员将人人拥有自己的3D 打印设备(中小型设备为主)。在军工制造领域，随着国产飞机产业的腾飞，带动起航天军工的快速发展，其很有将可能会成为业内最大的增长点。当然快速成型产业的不断壮大也同样离不开核电建设提供的有利条件。从3D打印产业行业的发展来看，这条整体产业链具备非常大的发展空间。但是目前尚缺乏激光器、软件、材料等核心技术与成熟的商业模式，市场的广泛应用还需相当数量的政策资金扶持。因此政策与资金扶持、专业化的材料供应、上游打印材料生产、核心技术研发、个人3D打印设备制造将成为3D打印行业5个大的发展重点。

3D打印技术很有可能将掀起一场技术革命，中国工业和信息化部等部门联合印发的《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》中明确提出，要到2016年初步建立较为完善的3D打印产业体系，特别是在航空航天等直接制造领域，中国3D打印技术要达到国际先进水平，在国际市场上占有较大市场份额。能够创造对事物更真实可靠的探索机会，将会成为3D打印技术最大价值所在，而这样的机会对于各级各类学生的成长学习更是弥足珍贵的。高职院校探索实践型学习活动的开展，正需要3D打印技术这种从产品设计到生产制作过程的整体研究以及让实际成品参与教学的真实效果。

在就业市场随着3D打印技术的迅速升温，企业对于具备3D打印与增材制造相关技能人员的需求明显上升，在工程技术类岗位招聘中，与3D打印和增材制造技术相关的岗位需求最为迫切。随着需求的迅速增长，企业的招聘难度也在不断上升。据统计，当前中国对掌握3D打印技术的人才需求量巨大，缺口约为800万人。因此高等职业教育作为就业市场的最大服务提供窗口，应责无旁贷地承担起为广大3D打印市场提供后续人才保障的任务。

三、3D打印技术在高职院校教学中的应用

高等职业教育一直以来作为教育体系中必不可少的一部分，服务于社会各个行业，其以培养学生岗位核心技能为目标，以实践和实习作为主要教授手段和方法，突破传统专、本科教育以理论教学为主，实践技能为辅的教学模式，更加强调学生的自主动手能力的培养，并在动手实践之余加以理论知识作为辅助，提高学习效率。它更类似于企业的岗前培训，直接使学生通过几年的学习能够直接面对企业、面对市场，能够更加快速有效地走向工作岗位，这也正是高职教育一直以来的优势所在。相比于其他类型专、本科毕业生，在就业方面，高职生具备更加突出的优势。

在教学中，高职教育更加重视岗位技能实践，更加关注前沿性技术的发展动态趋势，并且在教学过程中更加贴近于市场需求，以岗位技能需求为导向调整教学内容，满足社会发展的需要。因此随着3D打印技术的蓬勃发展，其走进高等职业教育已是社会发展的必然趋势。在教学中，通过实习、实训、实践与3D打印技术有机结合，利用3D打印快速便捷地将设计思想物化为模型模具或直接制造物件，充分挖掘市场需求和潜力，提供学生创意创新场景，发挥大众创业万众创新激情，服务社会，服务企业，从而提高企业市场竞争能力。

在机械工程教学设计中，作为高职教育就应该结合3D打印技术的特点，从3D打印技术适用的岗位群中提取出与之相对应的核心技能，与企业共同开发课程与实训资源，力求做到实训过程与实际生产过程无缝衔接，使学生在实训过程中掌握运用3D打印技术解决实际问题的核心技能。

下面我们就以桌面FDM-3D打印机在机械工程专业课教学中的应用为例进一步探索3D打印在教学环节中的应用。

FDM-3D打印机是利用熔融沉积成型法来完成一个立体模型的打印机。桌面FDM-3D打印机的学习和操作非常简单易上手，在专业课教学上，能给学生带来直观的效果。只要将学生创建出来的模型加以计算机数据处理，把原材料加入打印机，通过机器主板的操作，打印机通过熔化ABS、PLA等原材料，并将材料层层叠加，冷却后凝固，便可将计算机中的设计模型转化成为实体。学生掌握了一门技术的同时也增进了对本专业学习的兴趣。桌面FDM-3D打印机可以将三维数据1:1打印出实体且成本很低，除了满足教学需求，在工艺品制作、珠宝设计、创新设计等方面也大有发展。学习桌面FDM-3D打印机需要软、硬件相结合，在学习过程中首先要学会数据处理也就是软件的学习。

图5

图6

左侧工具栏中，View“视图”可在不同方位观察模型如图7， move “移动”可移动模型至需要的位置，点击后出现的功能工具栏如图8，其中：Center “居中”、Put on ptalform “放置于构建平面”，空白处需要添加的数值代表需要沿着三坐标每次偏移的数值， Rotate “旋转”如图9，可围绕X、Y、Z轴旋转模型，Mirro“镜像”可镜象模型如图10，Sacle“缩放”可按比例调节模型如图11。在无需要的情况下，简单模型一般情况下只作居中即可。

图7

图8

图9

图10

图11

点击Generate GCode即可生成G代码，点击后弹出对话框进一步设置如图12，在这个对话框里默认值是Use Raft/support“使用步进驱动型喷头”，选取后可实现在打印模型时增加基板。Use support material “支撑类型”其后边的复选框中可选择支撑类型，Object infill(%)“调节打印密度”设置为10。Layer Height(mm)“层高”设置在0.27mm～0.33mm之间，Number of shells“外壁厚度”每个模型都有各自得初始厚度，要想使模型的外壁更厚输入数字多少则增加多少个厚度。Plastic页面中，Object infill(%)“丝料直径”设置为1.82。Extruder页面中，Nozzle Diameter“喷嘴直径”设置为0.4。以上未提及的选项均为默认设置，设置完成后点击Generate Gcode生成打印路径。

图12

图13

图14

点击保存，保存的文件名必须是英文，这样打印机才能够识别。之后自动进行转换当弹出Compile OK，即编译成功。数据处理后将生成的XJ3DP文件复制到设备里进行制作。得到成品如图15。

图15

通过一系列的演示，我们可以了解到桌面FDM-3D打印机在成本很低的前提下能够自动、快速、直接和准确地将计算机中的设计转化为模型，实现传统刀具、夹具和机床或者模具的功能，制造出模型，甚至直接制造零件或模具，将产品研发周期大大地缩短。在机械专业的教学中我们应该大力推广3D打印技术在机械设计领域中的应用，推动3D打印产业的发展，让3D打印在我们的生活中发挥更大的效能。

[1]巫恒兵，宋昌才.零件制造的快速成型技术[J].农业装备技术，2007，(08).

[2]于雷,赵静.典型快速成形工艺及成型机选用[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2003，(12).

[3]杜晓军.快速成形技术及其在产品快速开发中的应用[J].机械制造与自动化，2008，(04).

Brief Discussion on 3D Printing Technology and its Application in Teaching of Mechanical Major

GU Wei-na, ZHU Fang-wen
(TianjinHedongDistrictWorkersUniversity,Tianjin, 300162)

3D printing technology is widely applied in cultural creation, building engineering, mechanical manufacturing and many other fields. The vocational colleges, to follow the trend of development of times, should combine such frontier technology with the actual teaching practice organically, so as to broaden the students’ mind of practical innovation and better serve the development of economy and society. This paper focuses on the basic principle, application field and development prospect of 3D printing technology, discusses its application in teaching of mechanical major by combining practice with the higher vocational education, and meticulously explores the application of FDM desktop 3D printer.

3D printing technology; mechanical design; higher vocational education

2016-10-11

*2016 年天津职成学会、天津职业院校联合学报重点课题”3D打印实训中心建设的创新研究”(课题批准号：JZCX-16908)。

顾祎娜(1981-)，女，天津人，天津市河东区职工大学讲师，主要从事机械、电气专业的教学研究工作；朱方闻(1984-)，男，天津人，天津市河东区职工大学讲师，主要从事计算机专业的教学研究工作。

G712

A

1673-582X(2016)12-0076-07