快速成型技术在工程实训中的应用

     作者：李  清，李红宾，李朋林，吉洪武

    （天津大学机械工程学院，天津  300072）

    摘要：工程实训在培养学生对理论知识的理解和动手能力方面有着举足轻重的作用。快速成型技术作为一门多学科交叉技术应用在金工实习中，不仅能培养学生的创新能力，同时也能加强学生对现代技术的了解，从而提高其社会适应能力。从建模、前期处理和打印3个过程介绍了熔融沉积技术的使用过程，针对不同专业的学生安排了不同的教学方案，能使学生更好地了解、掌握该技术。

    关键词：工程实训；快速成型；建模；前处理

    中图分类号：TP273    文献标识码：B

    0  引言

    工程训练是高校实践教学的重要环节之一，在培养创新型、应用型人才计划中发挥着越来越重要的作用。工程训练课程体系也在不断地改革与发展，从传统的技能训练逐步拓宽，加强了新技术、新工艺、新材料等方面的内容，并注重学科交叉，培养学生的综合能力和独立自主的创新设计制作能力。

    快速成形技术是近年来信息化技术快速发展后兴起的先进制造技术，也是创意产业和工业设计不可或缺的从创意到实体的加工手段。人类已经跨人了网络信息化时代，全球经济一体化进程明显加速，市场竞争要求产品开发朝向小批量、多样化、个性化的方向发展，且要求产品更新更快、成本更低。快速成型技术作为一种先进制造技术，打破了传统的制造模式，利用离散、堆积的原理，无需任何工具、模具，由CAD模型直接驱动，快速完成任意复杂形状的原型和零件。实现了从产品设计到产品制造的数字化和自动化，并可使模型或模具的制造周期缩短几倍乃至数十倍，从而大大缩短了新产品开发的周期，提高了企业对市场的响应速度，对促进企业产品创新及缩短产品开发周期有积极的促进作用，极大地增强了企业的市场竞争力。因此，在大工程、大制造的工程教育背景下非常有必要让学生掌握这类先进制造技术，以适应社会的发展需要，提高自身的竞争力。

    1  熔融沉积的原理

    快速成型自出现以来，经过20多年的发展，形成了多种工艺方法，主要有4种类型：激光光固化成型法(SLA)、叠层实体制造法(LOM)、选择性激光烧结法(SLS)和熔融沉积制造法(FDM)。熔融沉积技术是由计算机根据CAD模型确定的几何信息（三维图形），控制FDM喷嘴，将使用的材料（如热塑性成形材料丝）通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑性材料丝通过喷嘴挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在短时间内迅速凝固，形成一层材料；之后，挤压头沿轴向向上运动一个层厚距离进行下一层材料的建造；这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。与其他RP工艺相比，熔融沉积制造方法的材料损耗最少，而且无需后续固化过程，且熔融沉积设备简单，更适合于教学。熔融沉积制造工艺的基本原理如图1所示。

    2  快速成型的工艺过程

    快速成型是将建好的三维模型直接用三维打印机打印出来，不需要磨具，不用考虑模型的复杂程度，其工艺过程如下：①建立三维模型；②前期处理，包括添加支撑、确定成型方向、改变模型大小和切片处理；③三维打印机打印。

    2.1  建立三维模型

    将需要打印的三维实体在SolidWorks中建立出来，不用考虑建立模型的大小，因为在打印的前期处理中可以对要打印的模型进行缩放处理，得到任意大小的模型。将建好的三维模型存为STL格式，因为现有的前期处理软件只识别STL格式的文件。建立的某零件的三维模型和STL格式模型如图2、图3所示。

    2.2  将建好的三维模型导入前处理软件中

    前期处理软件采用Cura开源软件，该软件界面简单易操作，该软件的具体操作过程如下：

    (1)将建立好的模型导人Cura软件中，该软件的界面图如图4所示。

    (2)可以根据自己的需要随意摆放模型，但应尽量使摆放的方向便于加工。图5为改变模型方向图。

    (3)可以根据需要，整体缩放模型的大小，但是模型的大小不能超过三维打印机的打印空间，这样将不能进行打印。图6为缩放模型界面图。

    (4)前3步工作完成之后该软件会自动计算添加支撑。因为成型的方向不同，可能导致模型有的地方出现悬空现象，悬空部分若没有支撑将难以成型，所以为了打印能够顺利进行，需要在悬空的部分添加支撑，待打印完成后再将支撑部分去掉。

    (5)当模型的摆放方向、大小和支撑添加完成后即可进行切片处理。根据需要可以改变切片的层厚，当需要较高的成型精度时可以减小层厚，当需要较短的成型时间时可以适当增大分层厚度。此外也可以设定打印机的打印速度、工作平台的温度和模型的内部填充密度等参数。该软件在切完片后还会自动模拟加工过程。图7为打印参数设置界面，图8为模拟加工过程，图9为加工完成后最终得到的模型，图10为熔融沉积型打印机。

    3  教学方案

    由于学校各专业相差比较大，其工程训练的层次不同，因此针对不同专业、不同层次的要求设计了以下3种教学方案：

    (1)非机类学生（2学时）。主要介绍快速成型制造的基本概念和几种快速成型制造方法的工艺原理与工艺过程，演示快速成型的过程。目的是达到认知的程度，使学生了解快速成型制造的工艺原理与应用，启发学生工艺创新意识与创新思维方法。

    (2)机类学生（2学时）。比较详细地介绍快速成型制造技术的基本原理、制造工艺过程和应用特点以及快速成型制造的典型方法。要求学生掌握快速成型技术的基本原理，了解快速成型制造过程、快速成型制造技术的应用特点、典型快速成型制造方法的原理和制造工艺。

    (3)相关专业学生（36学时）。要求学生掌握快速成型的基本理论，了解快速成型工艺过程及特点，了解几种典型的快速成型工艺，掌握三维建模软件以及快速成型设备操作方法并完成自己设计零件的加工。

    对于一般工程训练的学生，由于实习时间短，项目多，只能演示FDM的工作过程，制作演示件。而对于相关专业的学生则需要详细学习三维建模软件和三维打印机的使用方法。在实训之前，需对学生进行快速成型原理知识的讲解以及Cura软件和三维打印机的使用方法，使大家对本内容有一个大概的了解。在此基础上指导教师进行现场演示。随后，每位同学发挥想象力设计自己想要打印的CAD模型，在Solid-Works中设计出来，然后使用Cura软件进行处理，最后打印成型。通过此过程能使学生对产品设计一制作一工艺要求有全面的了解，学到更多的知识。

    但是在教学过程中发现还存在以下问题：①由于学校没有开设快速成型的相关课程，学生接受起来有一定的困难，尤其是对非机械类的学生；②课时短，因为现有的打印机打印速度慢，打印一个很小的产品也需要很长的时间，学生不能完整地打印完一个产品；③由于目前三维打印机还没有遇到险情自动关闭的功能，因此在打印过程中学生必须在现场，以免有突发情况时关闭电源。

    4  结束语

    本文详细介绍了熔融沉积技术从建模到打印的详细过程，且针对不同专业的学生安排了不同的教学方案。但是，快速成型技术在实践过程中还是存在一些问题，这些问题需要在实践中解决，以便更好地提高教学质量，使学生更好地了解、应用快速成型技术。

    参考文献：

[1]  Jouni Hanninen.  Direct metal laser sintering [J]. Ad-vanced Materials＆Processes,2000(2):33.  .

[2]张国玲，吴涛，张功国．快速成型训练项目的建设与实践[J]，实验室研究与探索，2011(3)：314-316.

[3]段康荣，张立红．快速成型技术在工程训练教学中的应用研究[J].机械工程与自动化，2014(3)：166-167.

[4]朱建军，张夷，冷星环．快速成型加工实验室建设的实践与探索[J].产业与科技论坛，2012 (18)：92-94.

[5]宋丹路，周红燕，马德毅．熔融沉积快速成型的翘曲变形分析和解决方法[J]，组合机床与自动化加工技术，2004(3)：106-108．

    Application of Rapid Prototyping Technology in Engineering Practice LI Qing, LI Hong-bin, LI Peng-Iin, JI Hong-wu

   (School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract: Engineering practices play a vital role in cultivating students' understanding of theoretical knowledge and practical ability.Rapid prototyping technology as a multidisciplinary cross technology applied to the metalworking practice, not only can cultivate students' innovative ability, improve the comprehensive ability, but also can strengthen students' understanding of the modern tech-nology and social adaptation ability. In this paper, the modeling, the pretreatment of the model and the process of fused deposition are introduced. According to the students of different majors, the author makes different teaching plans relevantly to make students better understand and master the technology.

Key words: engineering practice; rapid prototyping; modeling; pretreatment