麥海英　陜西科技大學　陳　威

文/陜西科技大學　開平市機電中等職業(yè)技術學校

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3D打印技術在計算機輔助三維造型制作課程中的應用

麥海英陜西科技大學陳威

文/陜西科技大學開平市機電中等職業(yè)技術學校

一、引言

3D打印，又稱為增材制造、快速成型，是一種以3D數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏結材料，通過逐層打印的方式來構造實體的技術。3D打印技術作為快速成型領域的一種充滿活力并具有巨大市場的一種新興技術,目前正成為一種迅猛發(fā)展的潮流。特別是從2012年以來，3D打印已成為熱門的科技概念，小到戒指、杯子，大到無人飛機、汽車，3D打印的產品越來越多，從生產到生活，從工業(yè)到民用，從高端到大眾，3D打印正在將“所想即所得”變成現實。

隨著科學技術的不斷發(fā)展以及先進技術在生活、科研等方面的廣泛應用，眾多學校紛紛將現代先進技術3D打印技術引入學校。我校作為第二批國家立項改革建設示范學校，順著這股東風，學校買回了10臺型號為GCY75打印機(融熔材料三維打印機)，學校開設了計算機輔助三維造型制作這門課程，3D打印技術在中職學校教學中的應用還是一個嶄新的領域，有許多問題值得去研究。

本文通過對3D打印技術在計算機輔助三維造型制作課程中的應用進行研究。學生通過Pro/E設計出的虛擬作品利用3D打印機制作出實物，這樣有助于營造出一個真實的學習環(huán)境，提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，同時加深學生對3D打印技術的認識。

二、3D打印設備及工藝

1.3D打印設備

學校引進的是超軟公司生產的GCY75型號打印機(第二代機子)，圖1所示的是GCY75型號打印機外形圖。GCY75型號打印機打印的材料有PLA和ABS，可以依據打印模型的性能需要來進行選擇相應的材料。打印的模型規(guī)模最大的可達到350mmx150mmx135mm。該設備設計相對簡單，操作也很方便，只需要打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以快速地打印模型，最后獲得模型實物，所以非常適合學生實踐操作訓練。并且該設備成本比較低，打印材料價格低廉，經濟實用，是很好的教學設備。

圖1　GCY75型號3D打印機

2.3D打印機的工藝過程

目前，快速成型的工藝主要以5種工藝為主，融熔沉積成型，選擇性激光燒結，光固化成型，分層實體制造，多頭噴射技術。不同類型的打印機有著不同的成型方式和打印過程，需要的打印材料也不盡相同。GCY75型號打印機采用的工藝是融熔沉積成型(FDM)，3D打印時首先要對零件的三維CAD模型轉換為STL格式，再通過GCY75型號打印機自帶的GCY三維打印系統(tǒng)軟件GCY3DPRZNT生成G代碼，也就是按照設定的厚度進行分層切片處理，生成控制噴頭的移動軌跡。噴頭在電腦的控制作用下，按照生成G代碼噴頭移動軌跡的二維幾何信息運動，送絲機構將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細噴嘴，材料以一定的壓力擠壓出來，同時噴頭在同一水平面上移動，被擠壓出來的材料與前一個層面熔結在一起。一個層面打印完成后，工作臺就會垂直下降一個層的厚度，這樣層層堆積，直到完成整個三維造型制作。

3D打印成型過程如下：

圖2　3D打印成型過程

3.三維造型制作教學案例

在這門課程中，三維制作的主要內容是：熟練應用GCY75型號打印機自帶的GCY三維打印系統(tǒng)軟件GCY3DPRZNT和掌握GCY75型號打印機三維造型制作的步驟，需要導入的三維模型是由學生用Pro/E軟件自己進行設計并另存為STL格式文件。

現以GCY75型號打印機及自帶的GCY三維打印系統(tǒng)軟件GCY3DPRZNT操作，以打印筆筒為例，具體步驟如下：

(1)打開GCY75型號打印機的開關上電，接上打印機和電腦連接的數據通訊線。

(2)打開GCY三維打印系統(tǒng)軟件，設置串口號，單擊鏈接設備，使打印機和電腦處于鏈接狀態(tài)。

(3)設置尺寸操作：回限位點操作，XYZ三軸分別壓到限位開關后，手動移動三軸到工作臺中心位置，并定位噴嘴與工作臺0.5毫米的距離設置為零點；接著分別點擊XYZ三軸尺寸，最后按設置尺寸，完成噴頭的尺寸設置。

(4)裝材料：先設置擠出機(200～240)與熱床溫度(70～100)，當噴嘴溫度與平臺溫度達到一致時即可安裝打印材料，然后點擊擠出按鈕，這時輕壓材料直至噴嘴有材料順暢流出。

(5)參數設置：點擊配置參數，進行編輯配置，編輯完畢后單擊Save ALL保存。

(6)導入三維模型：單擊導入模型(把事先已設計好的筆筒三維模型STL格式文件導入軟件中)，單擊將三維模型放在打印區(qū)域的最佳位置，再單擊三維模型生成GCode模型。

(7)單擊開始打印即可。最終打印出來的筆筒及后處理之后的筆筒如圖3、圖4所示。

圖3　剛打印完畢的筆筒

圖4　經后處理的筆筒

三、結語

基于3D打印技術的計算機輔助造型設計與制作課程將讓學生受益匪淺，主要表現在以下幾個方面：

1.營造了真實的學習環(huán)境

3D打印技術學名快速成型技術，直接從計算機數字模型快速打印成真實的三維模型。3D打印技術在計算機輔助三維造型制作課程中運用3D打印，為學生創(chuàng)造了真實的學習環(huán)境。3D打印使學生成功地實現了三維造型設計與制作于一體化的同時，也解決了Pro/E中三維造型“看得見、摸不著”的問題。學生的設計得以實現，提高了學生的學習興趣，增強了學生的成就感，激發(fā)學生的學習熱情。

2.提高了學生的創(chuàng)新能力

計算機輔助三維造型制作課程在教學中應用3D打印，學生利用Pro/E設計出的三維造型可以直接制作出實物模型。3D打印將“所想即所得”變成現實，這樣激發(fā)了學生的想象力和創(chuàng)造力，可以結合感興趣的實物，自主地設計出創(chuàng)意模型，并通過3D打印機打印出實物模型，實現虛擬世界與現實世界的連接，提高了學生的創(chuàng)新能力。

3.加深了學生對3D打印技術的認識

在教學中應用3D打印，可讓學生掌握三維CAD技術(Pro/E軟件)、熔融沉積成型(FDM)等先進設計技術和制作技術，同時使學生了解3D打印前沿技術的發(fā)展和應用，對模型的設計、加工制作過程有更全面更深入的認識，也擴展了學生的視野。

責任編輯何麗華