3D打印技术在油料教学中的应用

文/李赵杰 曹明宝

3D打印技术，是近年来兴起的一项高新制造技术，以数字模型文件为基础，按一定的算法将计算机软件建立的三维模型分解成面、线、点后，再进行逐点打印形成线，逐线连接成面，逐面粘合形成完整立体构件，再经过一系列处理后，最终形成完整的三维模型[1]。3D打印技术具有设计方便、修改灵活、单次制作成本低等特点，将3D打印技术引入教学模型模具的制作，可针对教学快速制作出满足需要，能实现交互动作的教学模型模具，确保教学质量，提升教学效率。

1.常见教学模型制作方法比较

目前在油料教学过程中，为增强直观认识，提升学习兴趣，对于罐、管、泵、阀等常见油料设备设施一般采用教学实物模型进行辅助教学。教学实物一般包括小尺寸的实际设备和其教学模型，教学模型通常采用有机玻璃、塑料或木材等材料经切割、铸模等工艺后粘接成等比例实物模型，3D打印技术作为一种高新技术也能很好地应用于模型制作。

用实际设备做教学实物，购置方便，体验真实，但成本较高，仅适用于小尺寸设备，对内部结构进行观察时还需要拆解或进行切割；教学模型需进行前期制模，制作周期相对较长，其中有机玻璃模型成本较高，但具有透明特性，不需切割即可方便观察内部构造，采用塑料或木材成本相对低廉，一般制作为剖面结构模型以方便展示内部构造；3D打印技术前期投入大，但单个模型制作成本低，模型可随时进行修改，制作速度快，复杂结构制造能力好，可将打印对象分解打印再进行配合组装，实现零部件灵活更换，采用透明材料打印时，还可实现内部构造的直接观察。各种教学实物模型方法的比较结果如表1所示，成本越低，制作周期越短，可操作性、可维护性越好，精细度越高则评价越高。

表1 教学实物模型方法比较

综合比较，3D打印技术是一种较优的教学模型制作技术。

2.3 D打印技术选择

目前，市面上成熟的3D打印技术较多，主要包括以热塑性塑料、低熔点金属为材料，在喷头内加热融化后挤出成丝状而后进行粘接，凝固成型的熔融沉积造型技术（FDM）；以金属丝为材料，送入用电子束枪轰击金属表面形成熔池中熔化，再凝固堆积的电子束自由成形制造技术（EBF）；以金属、陶瓷、塑料粉末为材料，通过烧结热源将逐层铺设的粉末加热融化最终烧结成实体零件的激光烧结（DMLS、SLS、SLM）、电子束融化（EBM）、热烧结（SHS）等技术[2]；以塑料膜、金属膜、纸片等为材料，对单层进行切割，层与层之间用热熔胶粘合形成零件的分层实体制造法（LOM）；以光敏聚合物为材料，通过激光、紫外光层层照射使材料固化形成工件的光固化立体造型（SLA）、多材料喷射即时固化（Polyjet）、数字光处理（DLP）等技术。

在各种3D打印技术中，熔融沉积造型技术（FDM：Fused Deposition Modeling）虽然精度和工件强度相对较低，但设备及材料成本低，对环境的要求低，得到了迅速的推广，目前市场上多数产品均采用此技术[3]。教学模型不同于实际工件，对精度和强度要求较低，因此，选用成本相对较低的FDM技术进行教学模型打印。

3.3 D模型打印的实现过程

采用FDM技术进行3D打印的过程通常为：先通过计算机建模软件建模，再用切片软件将建成的三维模型进行切分成逐层的截面，而后打印机读取切片数据，对模型进行逐层打印，最终形成三维模型。下面以闸阀的制作为例，介绍3D打印模型的制作过程。

3.1 建立模型

首先，在计算机三维建模软件中绘制模型，建模软件很多，如3DMax、ProE、SolidWorks、AutoCAD等，本文采用AutoCAD2014进行闸阀的模型设计，各个零件、连接螺栓均按实物构造单独设计，为了方便观察内部构造，工作原理，壳体设计为剖切状态，模型如图1所示。

图1 建立三维模型

图2 模型切片前后对比

3.2 导出为3D印刷文件

第二步，将建立的模型转换成3D打印切片软件之间协作的标准文件格式，如stl、stp、obj格式等，其中stl格式最为常见。

AutoCAD导出的协作文件为stl格式，模型绘制完毕后，选取每个独立部件，选择发布->发送到三维打印服务，设置好相关参数后，即可将单个模型生成为stl格式文件。

3.3 进行3D切片

第三步，将3D印刷文件导入3D切片软件，3D切片软件可以完成模型切割，并将信息保存为3D打印机可识别的打印文件，如GCode文件，而后进行打印。3D切片软件较多，如Cura、Repetier、Slic3r等，均能对模型进行切割，切片软件可设置打印各层的层高，模型外壳的厚度、填充密度、填充形式、打印速度、初始层厚度等参数后。由于打印过程是一层层叠加，当下一层比上一层突出过多，不能被上一层支撑时，可能出现外表粗糙、垂丝甚至打印失败等情况，这时需要添加支撑，图2所示为闸阀闸板切片前与切片后的对比图，由于存在悬空部分，软件在切片过程中增加了支撑。

图3 3D打印模型

3.4 进行3D打印

最后，将切片文件发送到3D打印机打印。FDM打印机通过热熔技术，使打印材料加热软化后从喷嘴挤出形成极细的丝，喷嘴作XY向的平面运动，打印平台作Z向的垂直运动，喷嘴按预定轨迹走过，细丝附着在打印平台（或上一层材料）上，完成“印线”过程，单层轨迹走完，即完成“印面”过程，而后平台向下移动一层高度，喷嘴再按预定轨迹走过，完成下一层打印，这样层层叠加，最终完成“印体”过程。待材料逐渐冷却凝固后，取下模型，去掉支撑，即完成模型打印，图3a为打印完成的闸板模型，打印出闸阀的各个零件以及连接部件后，即可和实物一样进行装配，图3b为装配完成的闸阀打印模型。

4.结论

实践证明，将3D打印技术引入油料教学，技术可行，成本可控，模型与实物一致，可灵活操作，大大提升了教学对象的学习兴趣，确保了教学质量，提高了教学效率，取得了良好的教学效果。随着3D打印技术的逐渐推广，3D打印机和耗材的成本还会逐渐降低，3D打印技术在教学行业中具有良好的应用前景。