錢祉祺 周天楠 田晨旭

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

熔融堆積型3D打印實驗教學(xué)的建設(shè)

錢祉祺 周天楠 田晨旭

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

為了培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生視野，鍛煉設(shè)計和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生深入了解3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢，該文介紹了基于熔融堆積技術(shù)的3D打印實驗教學(xué)建設(shè)，通過實驗基礎(chǔ)要求和流程，完成對熔融堆積型3D打印技術(shù)的基本掌握；并根據(jù)材料科學(xué)與工程學(xué)科特點，設(shè)定了拓展要求和實驗，讓學(xué)生對3D打印材料的制備、加工和應(yīng)用有所了解。通過實驗教學(xué)的建設(shè)，該項目拓寬了學(xué)生視野，有效提高了學(xué)生設(shè)計能力和創(chuàng)新研究能力。

熔融堆積；3D打??；增材制造；實驗教學(xué)

3D打印技術(shù)是以數(shù)字化、智能化、新材料應(yīng)用為特征的新興制造技術(shù)，被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志譽為“第三次工業(yè)革命”的標(biāo)志之一[1]。通過近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，它簡化了產(chǎn)品的制造程序，縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了效率并降低了成本。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它對先進(jìn)制造、工業(yè)設(shè)計、文化創(chuàng)意、制造業(yè)信息化工程等多個領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻的影響[2]。因此，開展3D打印實驗教學(xué)對于拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和創(chuàng)新能力非常重要。

3D打印技術(shù)主要分為熔融堆積型(FDM)、立體光固化型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)型(SLS)3種打印方式[3]。熔融堆積型3D打印是3D打印技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用材料熔融堆積，通過逐層打印的方式來構(gòu)造制品[4]。為了緊跟3D打印技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心先后購置了1套3D打印線材擠出機組和2臺熔融堆積型3D打印機，為學(xué)生開設(shè)熔融堆積型3D打印技術(shù)實驗教學(xué)項目。

1 實驗教學(xué)儀器與材料

1.1 實驗教學(xué)儀器和設(shè)備

主要教學(xué)儀器設(shè)備包括：FDM20-2525熔融堆積型3D打印機2臺；安裝有Solidwork、SketchUp2014等三維造型軟件和Cura切片分層軟件的計算機2臺；上海科創(chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XSS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀及3D線材擠出生產(chǎn)附件1套。

測試設(shè)備包括：FEI公司Quanta250掃描電子顯微鏡1臺；天津材料試驗機廠洛氏硬度計1臺；日本島津AG-10TA電子萬能材料試驗機1臺。

1.2 實驗教學(xué)材料

實驗原材料包含：直徑1.5 mm，1 kg/卷規(guī)格的ABS成品線材2卷；ABS原料5 kg；長度不超過1 mm，長徑比不低于50的玻璃纖維(GF)300 g。

2 實驗基礎(chǔ)要求和步驟

2.1 基礎(chǔ)要求

熔融堆積型3D打印實驗教學(xué)對學(xué)生的基礎(chǔ)要求主要有以下3個方面：

1)掌握制品的3D設(shè)計和造型，能夠在切片分層軟件中對模型進(jìn)行正確分層。對于中空制品能夠正確設(shè)定填充比；

2)掌握熔融堆積型3D打印機的使用，準(zhǔn)確排查和處理打印中遇到的問題和故障；

3)熟練掌握打印完成的制品敷料、填充物清理。

2.2 實驗步驟

熔融堆積型3D打印實驗的基本步驟如下：

1)在計算機完成3D模型的設(shè)計；

2)檢查3D打印機托盤及線材；

3)預(yù)熱3D打印機，觀察機嘴預(yù)出料情況，清理打印機機嘴；

4)在分層軟件中對3D模型進(jìn)行檢查，對中空部分設(shè)定合理的填充比；利用計算機對模型切片分層；

5)打印機預(yù)熱后開始打??；

6)打印完成后，取出制品，清理制品底部敷料和填充物。

3 實驗拓展要求和步驟

3D打印技術(shù)的進(jìn)步離不開打印材料的發(fā)展。當(dāng)前3D打印材料已經(jīng)成為制約3D打印發(fā)展的技術(shù)瓶頸[5]。材料科學(xué)與工程學(xué)科的實驗教學(xué)不僅要關(guān)注3D打印制造加工技術(shù)的掌握，更要關(guān)注3D打印材料的研究和開發(fā)[6]。因此，在學(xué)生熟練掌握熔融堆積型3D打印實驗基礎(chǔ)要求和步驟的基礎(chǔ)上，我們依托上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XSS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀及3D線材擠出生產(chǎn)附件，進(jìn)一步設(shè)計了以掌握“3D打印材料研究”為目的的拓展要求和實驗流程。

3.1 拓展要求

1)以ABS和玻纖制備復(fù)合材料，掌握3D打印材料的共混擠出、線材卷制等工藝。

2)了解3D打印機針對不同材料如何進(jìn)行溫度等參數(shù)的調(diào)整和設(shè)定。

3)掌握3D打印材料的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，對3D打印材料的研究方法有初步了解。

3.2 實驗步驟

1)預(yù)熱轉(zhuǎn)矩流變儀，混合ABS和玻纖原料；

2)投料、混煉、擠出、卷制3D打印線材，觀察加工過程；

3)將卷制的線材安裝在3D打印機上，按照實驗基礎(chǔ)要求和步驟開始實驗；

4)觀察3D打印機機嘴擠出情況，調(diào)整3D打印機機嘴溫度，以滿足打印的需要；

5)完成3D打印過程；

6)將ABS成品打印材料與自制的ABS/GF打印材料分別取樣，測定表面硬度、抗拉強度和沖擊強度，在掃描電鏡下觀察自制的ABS/GF復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)形貌。

3.3 實驗結(jié)果

在表面硬度計和電子萬能材料試驗機上對ABS成品打印材料與ABS/GF自制打印材料的機械性能進(jìn)行10組實驗對比，得到兩種材料的機械性能范圍和對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

同時，將自制的ABS/GF復(fù)合材料在掃描電鏡下進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)形貌觀察，得到的結(jié)果如圖1所示。

表1 ABS成品打印材料與ABS/GF

圖1 ABS/GF自制打印材料掃描電鏡圖

通過以上實驗過程，引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行對比和分析，可以使學(xué)生對3D打印材料的研發(fā)思路和研究方法有所掌握。

4 結(jié)束語

本文介紹了熔融堆積型3D打印實驗教學(xué)的基礎(chǔ)要求和實驗步驟，并根據(jù)材料科學(xué)與工程的學(xué)科特點設(shè)定了拓展要求和實驗步驟。該實驗教學(xué)項目的實施對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生視野，鍛煉學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生深入了解3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢，收到了較好的教學(xué)效果。

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Construction of 3D Printing Experimental Teaching Based on Fused Deposition Modeling Technology

QIAN Zhiqi, ZHOU Tiannan, TIAN Chenxu

(College of Polymer Sci&Eng, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to cultivate students’ interest in learning, broaden their horizons, exercise design and innovation ability, and help students to understand the development trend of 3D printing technology, this paper introduces the construction of 3D printing experimental teaching based on fused deposition modeling technology.Based on the basic requirement and process of the experiment，students can basically master the fused deposition modeling type 3D printing technology, and according to the characteristics of material science and engineering discipline, we set up the advanced requirements and experiments, so that the students have an understanding of the preparation, processing and application of 3D printing material.By the construction of experimental teaching, the project can broaden the horizons of students, effectively improve the students' ability in design and innovation research.

fused deposition modeling; 3D printing; additive manufacturing; experimental teaching

2015-03-16；修改日期:2016-11-21

四川大學(xué)2015年實驗技術(shù)項目(2014047)。

錢祉祺(1975-)，男，碩士，助理研究員，主要從事機械制造及其自動化方面的工作。

TH145.4-2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.033