3D打印技術(shù)在計算機輔助三維造型制作課程中的應(yīng)用

麥海英 陳威

一、引言

3D打印，又稱為增材制造、快速成型，是一種以3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏結(jié)材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造實體的技術(shù)。3D打印技術(shù)作為快速成型領(lǐng)域的一種充滿活力并具有巨大市場的一種新興技術(shù)，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(chǎn)品越來越多，從生產(chǎn)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(xiàn)實。

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

本文通過對3D打印技術(shù)在計算機輔助三維造型制作課程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。學(xué)生通過Pro/E設(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，同時加深學(xué)生對3D打印技術(shù)的認(rèn)識。

二、3D打印設(shè)備及工藝

1.3D打印設(shè)備

學(xué)校引進(jìn)的是超軟公司生產(chǎn)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(jù)打印模型的性能需要來進(jìn)行選擇相應(yīng)的材料。打印的模型規(guī)模最大的可達(dá)到350mmx150mmx135mm。該設(shè)備設(shè)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(xué)生實踐操作訓(xùn)練。并且該設(shè)備成本比較低，打印材料價格低廉，經(jīng)濟(jì)實用，是很好的教學(xué)設(shè)備。

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(jié)，光固化成型，分層實體制造，多頭噴射技術(shù)。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(zhuǎn)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(shè)定的厚度進(jìn)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(gòu)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(xì)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(jié)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：

3.三維造型制作教學(xué)案例

在這門課程中，三維制作的主要內(nèi)容是：熟練應(yīng)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(dǎo)入的三維模型是由學(xué)生用Pro/E軟件自己進(jìn)行設(shè)計并另存為STL格式文件。

現(xiàn)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(guān)上電，接上打印機和電腦連接的數(shù)據(jù)通訊線。

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

（3）設(shè)置尺寸操作：回限位點操作，XYZ三軸分別壓到限位開關(guān)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(shè)置為零點；接著分別點擊XYZ三軸尺寸，最后按設(shè)置尺寸，完成噴頭的尺寸設(shè)置。

（4）裝材料：先設(shè)置擠出機（200～240）與熱床溫度（70～100），當(dāng)噴嘴溫度與平臺溫度達(dá)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(shù)設(shè)置：點擊配置參數(shù)，進(jìn)行編輯配置，編輯完畢后單擊Save ALL保存。

（6）導(dǎo)入三維模型：單擊導(dǎo)入模型（把事先已設(shè)計好的筆筒三維模型STL格式文件導(dǎo)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。

三、結(jié)語

基于3D打印技術(shù)的計算機輔助造型設(shè)計與制作課程將讓學(xué)生受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.營造了真實的學(xué)習(xí)環(huán)境

3D打印技術(shù)學(xué)名快速成型技術(shù)，直接從計算機數(shù)字模型快速打印成真實的三維模型。3D打印技術(shù)在計算機輔助三維造型制作課程中運用3D打印，為學(xué)生創(chuàng)造了真實的學(xué)習(xí)環(huán)境。3D打印使學(xué)生成功地實現(xiàn)了三維造型設(shè)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(xué)生的設(shè)計得以實現(xiàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生的成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力

計算機輔助三維造型制作課程在教學(xué)中應(yīng)用3D打印，學(xué)生利用Pro/E設(shè)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(xiàn)實，這樣激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，可以結(jié)合感興趣的實物，自主地設(shè)計出創(chuàng)意模型，并通過3D打印機打印出實物模型，實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的連接，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.加深了學(xué)生對3D打印技術(shù)的認(rèn)識

在教學(xué)中應(yīng)用3D打印，可讓學(xué)生掌握三維CAD技術(shù)（Pro/E軟件）、熔融沉積成型（FDM）等先進(jìn)設(shè)計技術(shù)和制作技術(shù)，同時使學(xué)生了解3D打印前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對模型的設(shè)計、加工制作過程有更全面更深入的認(rèn)識，也擴(kuò)展了學(xué)生的視野。