基于三維建模的3D打印技術在教學中的應用

劉靜 李永盼 張道更

【摘 要】創(chuàng)新，是一種能力的培養(yǎng)，提高當代大學生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力已成為一種趨勢。為了培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，要求教師在在開展教學過程中，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神融入到教學中去。本文以三維建模的教學為例詳細的闡述一下如何在教學中體現創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。

【關鍵詞】創(chuàng)新；培養(yǎng)；提高

一、三維建模

隨著電腦硬件和CAD軟件的發(fā)展，傳統(tǒng)的平面圖設計模式正在被新的模式所取代。傳統(tǒng)的二維圖紙承擔著產品從設計到成品全過程的標準的作用，但眾所周知，特別當產品結構比較復雜時，二維圖紙在很多時候不能完全描述清楚，甚而有時會有理解差異，這樣在產品流程中傳遞時，可能最后產品與設計有差異。

三維建模方式是在設計時以三維模型作為產品全過程的標準，這樣保證了最后產品與設計初衷的吻合性，當然整個過程二維圖也是必不可少的。因此三維建模在機械行業(yè)正在被越來越廣泛地應用，而且也是發(fā)展方向。

三維軟件是用于三維設計（3D設計）的軟件，三維設計是建立在平面和二維設計的基礎的一種更立體化，更形象化的設計方法。最常見的三維制圖軟件有CAD、3DMAX、PRO/E、Solidworks，但每款三維軟件的應用行業(yè)有所區(qū)別，如CAD是建筑機械制圖，3dmax主要用于三維動畫渲染和制作，PRO/E主要用于三維建模等，Solidworks則是最早的三維軟件廣泛應用于各個設計行業(yè)[1]。

本文以PRO/E三維軟件為例，一套由設計至生產的機械自動化軟件，廣泛應用于汽車、航空航天、消費電子、模具、玩具、工業(yè)設計和機械制造等行業(yè)[2]。

二、3D打印技術

3D打印技術，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

本文以創(chuàng)想三維3D打印機為例，詳細闡述一下如何由三維模型到模型實體的實現。

Dreality 3D（創(chuàng)想三維切片軟件）是由深圳創(chuàng)想三維科技公司推出的一款Cxsw3d創(chuàng)想三維機器專用程序，支持FDM機器打印?？蛇M行3D切片操作，根據不同的打印機和物品進行設置和調整，打印出來的模型作品效果非常逼真，且支持單個或者多個同時打印。如圖1所示為該軟件的主界面。

準備工作：

（1）進料和退料

進料

1.等待噴頭溫度加熱至進絲溫度，將打印絲開頭用剪鉗斜45度剪去一小段打印絲；

2. 向下按壓進料扳手，順應擠出輪將打印絲線推入進絲口的底部；

3. 松開進料扳手，用手向上扯動打印絲，可以明顯感覺到打印絲已被噴頭卡緊，完成進絲！

退料

等待打印噴頭加熱到退料溫度，向下按壓進料扳手，將殘余的打印絲向下擠出噴嘴 2-3 厘米（避免打印完成后的余絲殘留在噴嘴內部），再快速向上將打印絲拔出進絲口，注意不要觸碰噴頭，以防燙傷。不要將余絲殘留在噴頭上，這樣會影響下次打印的效果。

關機時將U盤插入位于機器控制器上的插槽，然后開機：

1）在操作界面點擊打印，然后選擇U盤。

2）選擇想要打印物體的文件，點擊即可。

具體步驟如下：

第一步，將PRO/E所建的以.stl格式保存模型導入到創(chuàng)想三維切片軟件中，以齒輪為例導入后的模型如圖2所示。通過該界面能夠看到打印該模型所需時間和耗材。

第二步，設置參數。如圖2左側所示，操作者可設置層高、壁厚、打印速度等參數。

第三步，變換模型。在該軟件中，可對模型進行旋轉，鏡像，縮放等操作。操作者可通過變換模型，從界面顯示中得到最優(yōu)的打印時間。

第四步，導出模型。將該模型以.gcode格式導出，存在可移動磁盤中，注意不要以中文擬名，否則打印機將不識別。

第五步，將模型導入打印機。將可移動磁盤插入到打印機中。操作者可選擇準備、控制、語言、存儲卡打印等按鈕進行參數調節(jié)。

第五步，設置打印參數，包括噴床溫度、熱床溫度、風扇速度等。設置完畢后即可打印。打印界面中會顯示打印進度，工作時的噴床溫度、熱床溫度、噴床的實時坐標等信息。打印溫度：200℃-220℃之間即可；層高：可調節(jié)范圍為 100μm-300μm（即 0.1mm-0.3mm），常用為 200μm，如果需要打印精度更高，可設置為 100μm；填充間距：即內部填充之間的距離，常用設置為 3200μm；打印實體設置為 400 微米即可；4.支撐層：選擇支撐可以為懸空物體提供可移除支撐；打印底座：選擇底座可以幫助你防止打印物體翹邊一般的，噴床溫度

第六步，打印完成。打印完成界面可獲得本次打印時間，耗材損耗等信息。能夠掌握打印信息，做到有據可依，為下次打印做好充分的準備和計劃。

三、總結

傳統(tǒng)的三維軟件教學中，學生們學習完課程后只能在軟件中模擬該模型，而無法直觀的認識所建模型。

以機械專業(yè)為例，需要設計某一特定運動的機構。此時，學生通過三維軟件建立所需三維模型，由3D打印機加工出來，組裝零件以完成既定運動的機構。本文通過將3D打印機和三維軟件結合進行教學，一方面不僅深化課堂學習的理論知識，同時激發(fā)了學生學習的積極性，使學生多多參與科技創(chuàng)新活動中；另一方面，學生打印的作品可以作為課堂學習的教具，配合課堂教學，又可減少教學開支。最重要的是，陪養(yǎng)了學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，全面提高學生的綜合素質，使學生的專業(yè)素養(yǎng)和能力在科技創(chuàng)新活動中得到全面提升，引導學生將科技創(chuàng)新活動中的認識、創(chuàng)意，整理成論文、專利，通過發(fā)表論文和申報專利，將學生科技創(chuàng)新成果多元化、最大化。

【參考文獻】

[1]https：//baike.so.com/doc/6708965-6922982.html3D建模

[2]鐘日銘等.編著《Pro/ENGINEER Wildfire5.0》[機械工業(yè)出版社].北京：機械工業(yè)出版社，2010.