三峽大學(xué) 白廣華 李立軍

3D 打?。?D printing）技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種。是一種基于離散-疊加原理的快速加工制造方式，也被稱為疊加制造。3D 打印的原理與過程是：首先，得到三維模型，其方法有兩種：一種是正向設(shè)計(jì)，通過三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建零件三維模型；一種是逆向設(shè)計(jì)，通過輔助設(shè)備（如三維掃描、CT 等）將所需要數(shù)據(jù)收集并整理得到三維模型。模型得到后將模型轉(zhuǎn)換為3D打印系統(tǒng)能夠讀取、接受的格式。然后，將模型導(dǎo)入3D打印系統(tǒng)，根據(jù)加工工藝對(duì)模型進(jìn)行分層切片處理，得到各層片的截面數(shù)據(jù)。最后，按照截面數(shù)據(jù)信息生成加工代碼，控制系統(tǒng)根據(jù)加工代碼將成型材料層層固化連接，最終制造出所需要的部件。3D 打印過程都是一種將材料一層層疊加的過程，只不過根據(jù)材料的形狀和連接方式不同又將3D 打印機(jī)分成了很多種類，現(xiàn)在市面比較流行的主要有：光固化成型、分層實(shí)體造型、熔融沉積成型、三維噴涂粘接、激光燒結(jié)。

一、成型方式

1.光固化成型。光固化成型 (Stereo Lithography Apparatus.簡(jiǎn)稱SLA)技術(shù)也叫立體光刻成型技術(shù)，是當(dāng)今世界上研究比較深入、技術(shù)比較成熟、應(yīng)用比較廣泛的成型技術(shù)。它的原理就是利用紫外激光照射對(duì)紫外光非常敏感的液態(tài)光敏樹脂使其固化成型。光固化成型的過程是在一個(gè)容器中放入足夠多的光敏樹脂，容器內(nèi)放一與升降臺(tái)相連的成型，板并與液面保持一定的距離。經(jīng)過聚焦的紫外激光束在控制器的控制下按照零件的截面數(shù)據(jù)對(duì)液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行逐層掃描。被掃描的光敏樹脂瞬間產(chǎn)生光聚合反應(yīng)變?yōu)楣腆w，固化后的樹脂粘到成型板上形成零件的一個(gè)層面，此時(shí)升降臺(tái)下降一個(gè)距離，如此反復(fù)直至整個(gè)零件制作完畢。此種成型方式的優(yōu)點(diǎn)是成型精度高，表面質(zhì)量好，原料利用率高；缺點(diǎn)是設(shè)備和材料成本高。

2.層片粘接技術(shù)。層片粘接 (Laminated Object Manufacturing簡(jiǎn)稱 LOM)技術(shù)也稱薄材疊層制造技術(shù)是利用刀具或激光切割薄層紙、塑料薄膜、金屬薄片或陶瓷薄片等片材，通過熱熔膠或其他方式層層粘接，疊加獲得三維實(shí)體模型。分層實(shí)體制造僅切割內(nèi)外輪廓，無(wú)需加工內(nèi)部成型速度高，造型材料一般用涂有熱熔膠及添加劑的紙張，成本低，但紙張材料的應(yīng)用用途受限，工件的性能不高。

3.熔融沉積成型。 熔融沉積成型 (Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱FDM)技術(shù)也稱熔絲沉積制造，是利用電加熱法等熱源熔化熱熔性材料，然后在程序的控制下移動(dòng)熔化材料，逐層堆積成三維實(shí)體。其過程是被制成絲狀的材料通過送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)入被加熱到材料熔點(diǎn)溫度的噴頭；噴頭在控制器的控制下沿零件輪廓和填充軌跡輸出材料，擠出材料迅速固化，并與上層的材料黏結(jié)通過層層堆積成型，最終完成零件制造。熔融成型零件強(qiáng)度好，無(wú)需激光器等貴重元器件，系統(tǒng)成本低。

4.三維噴涂粘接。 三維噴涂粘接(Three Dimensional Printing，簡(jiǎn)稱 3DP)技術(shù)也稱立體印刷技術(shù)，是一種利用微滴噴射的成型技術(shù)。過程與印機(jī)相似，其工藝過程為噴頭在微型計(jì)算機(jī)的控制下，按照得到的數(shù)據(jù)，在鋪好的粉末上，有選擇地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末黏結(jié)，形成一薄層，一層黏結(jié)成型后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚距離，重新鋪粉，繼續(xù)選區(qū)噴射黏結(jié)劑，成型的薄層與已成型的薄層黏為一體，如此重復(fù)，直至工件加工成型。三維噴涂黏結(jié)系統(tǒng)不采用激光器件，成本低，缺點(diǎn)為零件致密度不高且噴頭容易堵塞。

5.選擇性激光燒結(jié)。選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering，簡(jiǎn)稱 SLS)技術(shù)也叫激光選取燒結(jié)，是利用具有高能量的激光束的熱效應(yīng)使粉末軟化或熔化，粘接成薄層，并逐層疊加獲得三維實(shí)體模型。其工藝過程為先在工作臺(tái)鋪一層粉末，高能激光束在計(jì)算機(jī)的控制下根據(jù)模型的界面數(shù)據(jù)，有選擇地對(duì)已鋪粉末進(jìn)行掃描，被掃描的粉末因燒結(jié)或熔化粘接在一起，未被掃描的粉末起支撐作用并可以再利用，一層加工完畢后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚高度，重復(fù)上述步驟，新燒結(jié)層與前一層粘結(jié)為一體，如此重復(fù)直到工件加工完畢。選擇性激光燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)為成形材料廣泛，材料利用率高；缺點(diǎn)為無(wú)法直接成型高性能的金屬和陶瓷部件，成形大工件易發(fā)生變形，精度很難控制。

上述五種3D 打印技術(shù)雖在市面常用，但用于教學(xué)還要綜合考慮打印機(jī)的成本經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，選擇性激光燒結(jié)、三維噴涂粘接和分層實(shí)體制造暫不考慮，主要考慮成本低加工效率相對(duì)較高的光固化成型和熔融沉積成型兩種，二者比較如下表。

注：光敏樹脂為進(jìn)口材料

經(jīng)過反復(fù)調(diào)研最終我們決定選用北京太爾時(shí)代科技的up 3D 打印機(jī)其打印機(jī)主要性能參數(shù)為：

二、3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用

1.前期工作。利用三維軟件繪制三維圖形，支持3D 打印的軟件有很多，如CATIA、UG、pro/E、auto CAD 等軟件，只要能將圖形存為stl 格式即可。圖1為學(xué)生在上課時(shí)利用UG 軟件自己設(shè)計(jì)的一個(gè)鑰匙扣。

圖1

STL 格式的轉(zhuǎn)化 幾種軟件轉(zhuǎn)化為STL 格式的方法：

AutoCAD2007

輸出模型必須為三維圖形，并且xyz 坐標(biāo)為正值，步驟為：

（1）文件—輸出

（2）文件類型為平面印刷STL 格式，給出文件名

（3）然后選擇要輸出的實(shí)體

（4）確定輸出實(shí)體

NX10

（1）文件—導(dǎo)出—STL

（2）設(shè)置快速成型參數(shù)

（3）給出快速成型文件的名稱

（4）給出文件頭信息

（5）選擇快速成型的體

Pro/E

（1）文件—輸出—模型

（2）設(shè)定文件類型的格式為STL

（3）設(shè)定模型弦高和角度。模型的弦高的設(shè)定為越小越好，到考慮到加工成本貴一半根據(jù)工件形狀大小有關(guān)。

（4）選擇文件名。

圖2 Siemens PLM software NX10 STL格式轉(zhuǎn)化

2.圖形打印.將文件用up 打印機(jī)專用的切片軟件打開，然后設(shè)置層高和其他參數(shù)如圖3所示。

圖3

圖4 打印后的模型

三、教學(xué)效果與問題

3D 打印應(yīng)用與實(shí)踐課程得到了同學(xué)的一致好評(píng)，但是也存在一些問題：打印的圖紙讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)速度慢，并且學(xué)生沒有很好的軟件基礎(chǔ)，前期的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，給學(xué)生提前準(zhǔn)備圖形讓學(xué)生感到枯燥無(wú)味；3D 打印速度慢，學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)厚度為3.5mm的小掛飾打印的時(shí)間要12 分鐘，一個(gè)不是太大的玩偶打印的時(shí)間基本上為3 到4 個(gè)小時(shí)，漫長(zhǎng)的時(shí)間讓學(xué)生感覺無(wú)所事事； 材料價(jià)格昂貴，學(xué)生打一個(gè)掛飾一般為3g 左右按最便宜的價(jià)格一個(gè)需要1.5 元左右，一學(xué)期下來(lái)材料費(fèi)很貴；打印機(jī)維護(hù)費(fèi)用高，一般情況下維護(hù)費(fèi)用都在2000 元左右； 打印精度低，打印出來(lái)的模型精度不高，增加了學(xué)生對(duì)模型的處理時(shí)間。

四、總結(jié)

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的想象力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力?，F(xiàn)在3D 打印技術(shù)已列入國(guó)家“863”計(jì)劃，得到了國(guó)家的重視，并且現(xiàn)在各個(gè)高校在大力推廣3D 打印技術(shù)，各種學(xué)生競(jìng)賽也在突出3D 打印技術(shù)，像全國(guó)工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽就專門設(shè)置了3D 打印環(huán)節(jié)。3D 打印技術(shù)雖然在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用不是太成熟，但隨著教學(xué)工作者的不斷探索，在不久的將來(lái)會(huì)在實(shí)踐教學(xué)中起到舉足輕重的作用。