3D打印机教具

简介

3D打印机是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、叠加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。把这种设备称为“打印机”，是因为它分层加工的过程与喷墨打印机十分相似。3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言，具有速度快，价格便宜，易用性高等优点。

3D打印技术属于当今世界的前沿科技领域，发达国家的中小学课堂上已经引入了这一技术。3D打印机是辅导学生科技创新的一件利器，但目前市场上的3D打印机成品价格太高，不利于推广应用。所以，我开始自己研制3D打印机教具。经过一年多的努力，我的研究获得成功，让自己和身边的科技辅导员、学生用上了低成本的3D打印机。

项目研究的基本思路

◇了解3D打印机的原理、功能、性能。了解国际国内3D打印技术的现状、未来的发展趋势。

◇进行设计、论证，确定制作方案。

◇按照方案制作购买材料、工具。

◇制作、调试设备。

◇试用。

◇根据反馈情况进行改进。

◇定型推广。

3D 作品的制作

选择设计软件

市面常见作图软件中，AUTOCAD主要用于平面制图，也可以用于三维制图；3DMAX主要面向室内外装饰制图，三维功能较强；Pro/E和UG主要用于机械制图。以上几种专业的软件均不太适宜中小学生使用。我经多方探索，最终选择了草图大师（Sketchup）作为设计软件。草图大师是一款面向设计过程的三维设计软件，通过简单的推拉建模，方便方案的快速表达，通过设置能输出手绘风格的图片。在实际的试用中发现，中小学生学用这款软件时都很容易上手。

三维设计

3D打印的设计过程是：先通过设计软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用多个三角面来近似模拟物体的表面。每个三角面越小，其生成的物体表面精度越高。

工作步骤

3D打印采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为2步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，然后均匀地喷洒一层粉末，粉末遇到胶水会迅速固化，而没有沾上胶水的粉末仍保持松散状态。这样一层胶水一层粉末交替地喷洒，实体模型就能“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。自己制作的打印头见图1，打印机教具成品见图2。

制作完成

3D打印机的打印精度对大多数应用来说已经足够，要获得更高表面精度的物品可以通过如下方法：先用3D打印机打出稍大一点的物体，再将其表面稍加打磨即可得到表面光滑的高精度物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的材料（如可溶材料）作为支撑物。打印成品见图3。

我的部分创新

对打印平台的改进

在打印过程中，为了提高精度，每一层的厚度都不到1mm。由于厚度太小，打印材料又会热胀冷缩，打印的第一层很难做到铺平，因为打上层的时候，下层由于温度降低会收缩，导致其脱离打印平台，从而打印过程中经常出现成品凸凹不平的问题。

我试了很多材料，最后找到了芙蓉板。因为芙蓉板由纤维丝压成，上边有不少毛细孔，用它制作打印平台，第一层挤出的料会渗入毛细孔并紧密咬合，不易出现脱离现象。图4就是用芙蓉板作平台打出的作品，可看出其底面非常平整。

对挤出头的改进

使用常规挤出头时，打印时出丝不流畅、不易成型，容易出现空心等瑕疵。挤出头改进后，弹性可调，所以打出的作品成型好。

对程序的调整

程序调整前，挤出机收边不好，成品会出现毛边现象，我为此调整了打印程序，改进回程时的数据冗余，并调整了同步带张紧程度和角度。

教具的使用情况和进一步完善的设想

经过在作者实验室中的试用和在全国60多所学校半年多的使用，证明我的设计科学合理，能解决实际教学中的问题。下一步打算制定标准，开发模具，向更大的范围推广。

该项目获得第29届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目原理科学，概念清晰，构思巧妙，作品教育性强。项目选题新颖，具有实质性创新，在通常的3D打印机结构改进上有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。项目资料齐全，研究报告书写规范。展板内容齐全，选手答辩语言流畅。希望能在配套软件方面加以改进，使操作更为便捷。