文/李趙杰 曹明寶

3D打印技術(shù)，是近年來興起的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，按一定的算法將計(jì)算機(jī)軟件建立的三維模型分解成面、線、點(diǎn)后，再進(jìn)行逐點(diǎn)打印形成線，逐線連接成面，逐面粘合形成完整立體構(gòu)件，再經(jīng)過一系列處理后，最終形成完整的三維模型[1]。3D打印技術(shù)具有設(shè)計(jì)方便、修改靈活、單次制作成本低等特點(diǎn)，將3D打印技術(shù)引入教學(xué)模型模具的制作，可針對(duì)教學(xué)快速制作出滿足需要，能實(shí)現(xiàn)交互動(dòng)作的教學(xué)模型模具，確保教學(xué)質(zhì)量，提升教學(xué)效率。

1.常見教學(xué)模型制作方法比較

目前在油料教學(xué)過程中，為增強(qiáng)直觀認(rèn)識(shí)，提升學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于罐、管、泵、閥等常見油料設(shè)備設(shè)施一般采用教學(xué)實(shí)物模型進(jìn)行輔助教學(xué)。教學(xué)實(shí)物一般包括小尺寸的實(shí)際設(shè)備和其教學(xué)模型，教學(xué)模型通常采用有機(jī)玻璃、塑料或木材等材料經(jīng)切割、鑄模等工藝后粘接成等比例實(shí)物模型，3D打印技術(shù)作為一種高新技術(shù)也能很好地應(yīng)用于模型制作。

用實(shí)際設(shè)備做教學(xué)實(shí)物，購置方便，體驗(yàn)真實(shí)，但成本較高，僅適用于小尺寸設(shè)備，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察時(shí)還需要拆解或進(jìn)行切割；教學(xué)模型需進(jìn)行前期制模，制作周期相對(duì)較長，其中有機(jī)玻璃模型成本較高，但具有透明特性，不需切割即可方便觀察內(nèi)部構(gòu)造，采用塑料或木材成本相對(duì)低廉，一般制作為剖面結(jié)構(gòu)模型以方便展示內(nèi)部構(gòu)造；3D打印技術(shù)前期投入大，但單個(gè)模型制作成本低，模型可隨時(shí)進(jìn)行修改，制作速度快，復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力好，可將打印對(duì)象分解打印再進(jìn)行配合組裝，實(shí)現(xiàn)零部件靈活更換，采用透明材料打印時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)造的直接觀察。各種教學(xué)實(shí)物模型方法的比較結(jié)果如表1所示，成本越低，制作周期越短，可操作性、可維護(hù)性越好，精細(xì)度越高則評(píng)價(jià)越高。

表1 教學(xué)實(shí)物模型方法比較

綜合比較，3D打印技術(shù)是一種較優(yōu)的教學(xué)模型制作技術(shù)。

2.3 D打印技術(shù)選擇

目前，市面上成熟的3D打印技術(shù)較多，主要包括以熱塑性塑料、低熔點(diǎn)金屬為材料，在噴頭內(nèi)加熱融化后擠出成絲狀而后進(jìn)行粘接，凝固成型的熔融沉積造型技術(shù)（FDM）；以金屬絲為材料，送入用電子束槍轟擊金屬表面形成熔池中熔化，再凝固堆積的電子束自由成形制造技術(shù)（EBF）；以金屬、陶瓷、塑料粉末為材料，通過燒結(jié)熱源將逐層鋪設(shè)的粉末加熱融化最終燒結(jié)成實(shí)體零件的激光燒結(jié)（DMLS、SLS、SLM）、電子束融化（EBM）、熱燒結(jié)（SHS）等技術(shù)[2]；以塑料膜、金屬膜、紙片等為材料，對(duì)單層進(jìn)行切割，層與層之間用熱熔膠粘合形成零件的分層實(shí)體制造法（LOM）；以光敏聚合物為材料，通過激光、紫外光層層照射使材料固化形成工件的光固化立體造型（SLA）、多材料噴射即時(shí)固化（Polyjet）、數(shù)字光處理（DLP）等技術(shù)。

在各種3D打印技術(shù)中，熔融沉積造型技術(shù)（FDM：Fused Deposition Modeling）雖然精度和工件強(qiáng)度相對(duì)較低，但設(shè)備及材料成本低，對(duì)環(huán)境的要求低，得到了迅速的推廣，目前市場(chǎng)上多數(shù)產(chǎn)品均采用此技術(shù)[3]。教學(xué)模型不同于實(shí)際工件，對(duì)精度和強(qiáng)度要求較低，因此，選用成本相對(duì)較低的FDM技術(shù)進(jìn)行教學(xué)模型打印。

3.3 D模型打印的實(shí)現(xiàn)過程

采用FDM技術(shù)進(jìn)行3D打印的過程通常為：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再用切片軟件將建成的三維模型進(jìn)行切分成逐層的截面，而后打印機(jī)讀取切片數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行逐層打印，最終形成三維模型。下面以閘閥的制作為例，介紹3D打印模型的制作過程。

3.1 建立模型

首先，在計(jì)算機(jī)三維建模軟件中繪制模型，建模軟件很多，如3DMax、ProE、SolidWorks、AutoCAD等，本文采用AutoCAD2014進(jìn)行閘閥的模型設(shè)計(jì)，各個(gè)零件、連接螺栓均按實(shí)物構(gòu)造單獨(dú)設(shè)計(jì)，為了方便觀察內(nèi)部構(gòu)造，工作原理，殼體設(shè)計(jì)為剖切狀態(tài)，模型如圖1所示。

圖1 建立三維模型

圖2 模型切片前后對(duì)比

3.2 導(dǎo)出為3D印刷文件

第二步，將建立的模型轉(zhuǎn)換成3D打印切片軟件之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，如stl、stp、obj格式等，其中stl格式最為常見。

AutoCAD導(dǎo)出的協(xié)作文件為stl格式，模型繪制完畢后，選取每個(gè)獨(dú)立部件，選擇發(fā)布->發(fā)送到三維打印服務(wù)，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，即可將單個(gè)模型生成為stl格式文件。

3.3 進(jìn)行3D切片

第三步，將3D印刷文件導(dǎo)入3D切片軟件，3D切片軟件可以完成模型切割，并將信息保存為3D打印機(jī)可識(shí)別的打印文件，如GCode文件，而后進(jìn)行打印。3D切片軟件較多，如Cura、Repetier、Slic3r等，均能對(duì)模型進(jìn)行切割，切片軟件可設(shè)置打印各層的層高，模型外殼的厚度、填充密度、填充形式、打印速度、初始層厚度等參數(shù)后。由于打印過程是一層層疊加，當(dāng)下一層比上一層突出過多，不能被上一層支撐時(shí)，可能出現(xiàn)外表粗糙、垂絲甚至打印失敗等情況，這時(shí)需要添加支撐，圖2所示為閘閥閘板切片前與切片后的對(duì)比圖，由于存在懸空部分，軟件在切片過程中增加了支撐。

圖3 3D打印模型

3.4 進(jìn)行3D打印

最后，將切片文件發(fā)送到3D打印機(jī)打印。FDM打印機(jī)通過熱熔技術(shù)，使打印材料加熱軟化后從噴嘴擠出形成極細(xì)的絲，噴嘴作XY向的平面運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)作Z向的垂直運(yùn)動(dòng)，噴嘴按預(yù)定軌跡走過，細(xì)絲附著在打印平臺(tái)（或上一層材料）上，完成“印線”過程，單層軌跡走完，即完成“印面”過程，而后平臺(tái)向下移動(dòng)一層高度，噴嘴再按預(yù)定軌跡走過，完成下一層打印，這樣層層疊加，最終完成“印體”過程。待材料逐漸冷卻凝固后，取下模型，去掉支撐，即完成模型打印，圖3a為打印完成的閘板模型，打印出閘閥的各個(gè)零件以及連接部件后，即可和實(shí)物一樣進(jìn)行裝配，圖3b為裝配完成的閘閥打印模型。

4.結(jié)論

實(shí)踐證明，將3D打印技術(shù)引入油料教學(xué)，技術(shù)可行，成本可控，模型與實(shí)物一致，可靈活操作，大大提升了教學(xué)對(duì)象的學(xué)習(xí)興趣，確保了教學(xué)質(zhì)量，提高了教學(xué)效率，取得了良好的教學(xué)效果。隨著3D打印技術(shù)的逐漸推廣，3D打印機(jī)和耗材的成本還會(huì)逐漸降低，3D打印技術(shù)在教學(xué)行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。