3D打印技术在计算机辅助三维造型制作课程中的应用

麦海英　陕西科技大学　陈　威

文/陕西科技大学　开平市机电中等职业技术学校



3D打印技术在计算机辅助三维造型制作课程中的应用

麦海英陕西科技大学陈威

文/陕西科技大学开平市机电中等职业技术学校

一、引言

3D打印，又称为增材制造、快速成型，是一种以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏结材料，通过逐层打印的方式来构造实体的技术。3D打印技术作为快速成型领域的一种充满活力并具有巨大市场的一种新兴技术,目前正成为一种迅猛发展的潮流。特别是从2012年以来，3D打印已成为热门的科技概念，小到戒指、杯子，大到无人飞机、汽车，3D打印的产品越来越多，从生产到生活，从工业到民用，从高端到大众，3D打印正在将“所想即所得”变成现实。

随着科学技术的不断发展以及先进技术在生活、科研等方面的广泛应用，众多学校纷纷将现代先进技术3D打印技术引入学校。我校作为第二批国家立项改革建设示范学校，顺着这股东风，学校买回了10台型号为GCY75打印机(融熔材料三维打印机)，学校开设了计算机辅助三维造型制作这门课程，3D打印技术在中职学校教学中的应用还是一个崭新的领域，有许多问题值得去研究。

本文通过对3D打印技术在计算机辅助三维造型制作课程中的应用进行研究。学生通过Pro/E设计出的虚拟作品利用3D打印机制作出实物，这样有助于营造出一个真实的学习环境，提高学生的学习兴趣和创新能力，同时加深学生对3D打印技术的认识。

二、3D打印设备及工艺

1.3D打印设备

学校引进的是超软公司生产的GCY75型号打印机(第二代机子)，图1所示的是GCY75型号打印机外形图。GCY75型号打印机打印的材料有PLA和ABS，可以依据打印模型的性能需要来进行选择相应的材料。打印的模型规模最大的可达到350mmx150mmx135mm。该设备设计相对简单，操作也很方便，只需要打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以快速地打印模型，最后获得模型实物，所以非常适合学生实践操作训练。并且该设备成本比较低，打印材料价格低廉，经济实用，是很好的教学设备。

图1　GCY75型号3D打印机

2.3D打印机的工艺过程

目前，快速成型的工艺主要以5种工艺为主，融熔沉积成型，选择性激光烧结，光固化成型，分层实体制造，多头喷射技术。不同类型的打印机有着不同的成型方式和打印过程，需要的打印材料也不尽相同。GCY75型号打印机采用的工艺是融熔沉积成型(FDM)，3D打印时首先要对零件的三维CAD模型转换为STL格式，再通过GCY75型号打印机自带的GCY三维打印系统软件GCY3DPRZNT生成G代码，也就是按照设定的厚度进行分层切片处理，生成控制喷头的移动轨迹。喷头在电脑的控制作用下，按照生成G代码喷头移动轨迹的二维几何信息运动，送丝机构将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴，材料以一定的压力挤压出来，同时喷头在同一水平面上移动，被挤压出来的材料与前一个层面熔结在一起。一个层面打印完成后，工作台就会垂直下降一个层的厚度，这样层层堆积，直到完成整个三维造型制作。

3D打印成型过程如下：

图2　3D打印成型过程

3.三维造型制作教学案例

在这门课程中，三维制作的主要内容是：熟练应用GCY75型号打印机自带的GCY三维打印系统软件GCY3DPRZNT和掌握GCY75型号打印机三维造型制作的步骤，需要导入的三维模型是由学生用Pro/E软件自己进行设计并另存为STL格式文件。

现以GCY75型号打印机及自带的GCY三维打印系统软件GCY3DPRZNT操作，以打印笔筒为例，具体步骤如下：

(1)打开GCY75型号打印机的开关上电，接上打印机和电脑连接的数据通讯线。

(2)打开GCY三维打印系统软件，设置串口号，单击链接设备，使打印机和电脑处于链接状态。

(3)设置尺寸操作：回限位点操作，XYZ三轴分别压到限位开关后，手动移动三轴到工作台中心位置，并定位喷嘴与工作台0.5毫米的距离设置为零点；接着分别点击XYZ三轴尺寸，最后按设置尺寸，完成喷头的尺寸设置。

(4)装材料：先设置挤出机(200～240)与热床温度(70～100)，当喷嘴温度与平台温度达到一致时即可安装打印材料，然后点击挤出按钮，这时轻压材料直至喷嘴有材料顺畅流出。

(5)参数设置：点击配置参数，进行编辑配置，编辑完毕后单击Save ALL保存。

(6)导入三维模型：单击导入模型(把事先已设计好的笔筒三维模型STL格式文件导入软件中)，单击将三维模型放在打印区域的最佳位置，再单击三维模型生成GCode模型。

(7)单击开始打印即可。最终打印出来的笔筒及后处理之后的笔筒如图3、图4所示。

图3　刚打印完毕的笔筒

图4　经后处理的笔筒

三、结语

基于3D打印技术的计算机辅助造型设计与制作课程将让学生受益匪浅，主要表现在以下几个方面：

1.营造了真实的学习环境

3D打印技术学名快速成型技术，直接从计算机数字模型快速打印成真实的三维模型。3D打印技术在计算机辅助三维造型制作课程中运用3D打印，为学生创造了真实的学习环境。3D打印使学生成功地实现了三维造型设计与制作于一体化的同时，也解决了Pro/E中三维造型“看得见、摸不着”的问题。学生的设计得以实现，提高了学生的学习兴趣，增强了学生的成就感，激发学生的学习热情。

2.提高了学生的创新能力

计算机辅助三维造型制作课程在教学中应用3D打印，学生利用Pro/E设计出的三维造型可以直接制作出实物模型。3D打印将“所想即所得”变成现实，这样激发了学生的想象力和创造力，可以结合感兴趣的实物，自主地设计出创意模型，并通过3D打印机打印出实物模型，实现虚拟世界与现实世界的连接，提高了学生的创新能力。

3.加深了学生对3D打印技术的认识

在教学中应用3D打印，可让学生掌握三维CAD技术(Pro/E软件)、熔融沉积成型(FDM)等先进设计技术和制作技术，同时使学生了解3D打印前沿技术的发展和应用，对模型的设计、加工制作过程有更全面更深入的认识，也扩展了学生的视野。

责任编辑何丽华