增材制造综合教学实验研究

俞彦勤，王新云，樊自田

增材制造综合教学实验研究

俞彦勤，王新云，樊自田

（华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

通过分析增材制造技术流程，运用已有的软硬件条件，设计了三维造型及逆向工程实验和FDM增材制造实验。叙述了增材制造综合教学实验的原理、方法与步骤。通过包括三维数字建模、模型数据处理、FDM加工零件增材制造全过程的实验教学，加强了学生在增材制造方面的技能训练，加深了他们对增材制造技术的认识与理解。由于学生可以自主设计或选择零件模型，既体现了“以学生为中心”的教学理念，又有利于培养学生的科技创新意识。在实际教学应用中，取得了良好的效果。

增材制造；三维测量；逆向工程；熔融沉积制造

增材制造也称为3D打印、快速成形、自由成形等，按美国材料与试验协会（ASTM）国际标准组织F42增材制造技术委员会的定义[1]，增材制造是根据三维CAD数据用材料层层堆积的方法来制作实体零件的工艺，是近30年来世界范围内先进制造领域兴起的集信息技术、先进材料技术、数控技术于一体的全新的数字化成形制造技术[2]。该技术利用三维设计数据模型，快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，具有加工成本低、周期短，无需传统模具、工具等特点，发展势头迅猛。我国已将增材制造技术作为制造强国的重要发展方向之一，并已从产业培育阶段发展到推广应用新阶段，2017年12月，工信部等12部委联合印发了《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》[3]，充分体现了国家对增材制造产业的重视。有鉴于此，我国高校的一些专业开展了增材制造综合实验课程设置研究[4-15]，以适应社会对增材制造方面的人才需求。我校针对增材制造的流程特点，结合自身的优质资源，针对材料成形及控制工程本科专业，设计开发出“增材制造综合实验”课程，并形成了自身特色。

1 增材制造技术流程

增材制造包括三维造型、前处理、打印成形、后处理等4个阶段，如图1所示。

图1 增材制造流程

（1）三维造型阶段。三维造型包括两种方法，一种是根据零件数据信息，如二维尺寸图等，运用三维CAD软件直接绘制出零件的三维数字模型，这种方法称为正向工程；另一种方法是对已知的零件样品或模型，利用三维测量仪器得到零件的三维数字模型，即逆向工程。

（2）前处理阶段。采用正向工程或逆向工程得到计算机上的数字模型后，再通过三维CAD软件转化为STL格式的数据文件。利用切片软件对模型进行离散处理，即分层切片，并将各层的信息存储为打印设备的路径文件。

（3）打印成形阶段。打印设备在控制系统指挥下，对各层进行打印，逐层堆积成零件。

（4）后处理阶段。对已打印的零件进行打磨、去支撑、抛光等处理。

根据以上增材制造的流程，构建增材制造综合实验，包括三维造型与逆向工程实验和增材制造实验。

2 三维造型与逆向工程实验

2.1 基于PowerScan的三维测量系统

传统的产品设计是根据功能和用途来进行的，即先从概念出发绘制出产品的二维图样，而后制作三维几何模型，经检查满意后制造出产品来，见图2(a)。逆向工程是先对已存在的实物模型进行测量，并根据测得的数据重构出数字模型，再经过分析、检验、修改及输出图样，最后制造出产品的过程，见图2(b)。

图2 传统设计与逆向工程

本实验课程中的三维测量系统为我校拥有自主知识产权的PowerScan测量系统，它是一种集结构光技术和计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术设备。测量时，光栅投影装置将特定编码的光栅条纹投影到待测物体上，摄像头同步采集相应图像，然后通过计算机对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理等解算出摄像机与投影仪公共视区内像素点的三维坐标。通过三维扫描仪软件界面可以实时观测相机图像以及生成的三维点云数据。系统操作流程如图3所示。

图3 三维测量系统操作流程

2.2 数据处理

对逆向工程得到的三维点云数据，运用逆向工程数据处理软件Geomagic Studio进行处理，使实物零件的扫描点云生成准确的增材制造的STL格式文件。其操作流程如图4所示。

即对导入的点云数据进行预处理，将其处理为整齐、有序及可提高建模效率的点云数据；对三角网格数据进行表面平滑与光顺优化处理，消除错误的三角形网格面片，提高模型重构的质量。经软件处理后的模型，存储为STL格式文件，以备后续增材制造实验之用。图5为Geomagic Studio软件对“大卫头像”点云数据进行处理后的模型效果。

图4 Geomagic Studio数据处理流程

图5 数据处理后的模型

3 增材制造实验

3.1 增材制造方式

增材制造大致分为以下5种方式：光固化成形（SLA）；叠层实体制造（LOM）；熔融沉积制造（FDM）；选择性激光烧结（SLS）；三维印刷成形（3DP）。其原理都是对零件三维数字模型进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓，再将二维轮廓顺序叠加成三维零件。从实验教学对设备环境的要求及实验效率、效益、噪音污染等方面考虑，熔融沉积制造（FDM）方式最适合于实验室环境下的实验教学。

3.2 实验用材料

目前用于FDM增材制造的材料主要是有机高分子材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、尼龙（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯醇（PVA）等，具有硬度高、韧性好、塑性强等特点。从耐热变形性能、成形稳定性、加工性能等方面综合考量，一般选择PLA，而且PLA是一种环境友好型材料，来源于再生资源，无毒、无味、可降解，符合现代绿色制造的要求[16]。

3.3 FDM设备工作原理

图6为我校拥有自主知识产权的HTS系列FDM设备工作原理简图。计算机发出控制指令后，步进电机驱动螺杆沿R方向旋转，同时通过齿轮传动驱动送料辊，将PLA丝料送入挤压头；由于电热棒的加热作用，挤压头中的丝料呈熔融状态；熔融的丝料在转动的螺杆连续推挤下流向喷嘴；计算机针对零件的数字三维模型沿高度方向（Z向）的切片结果，将截面层的轮廓数据传送至控制系统；控制系统根据截面层的轮廓数据，驱动成形头及工作台沿X-Y方向做合成运动，使丝料涂覆并凝固在工作台基底纸板上，从而完成相应截面层轮廓的涂覆；控制系统驱动成形头上升一个截面层厚度（一般为0.1~0.2 mm），进行下一层截面轮廓的涂覆；如此各层截面有序堆积，直至完成整个零件的堆积成形。

图6 FDM设备工作原理简图

3.4 FDM实验过程

整个实验过程包括以下步骤：

（1）加工基底准备。将270×240×1 mm的基底纸板，用双面胶带纸粘接到清洁的工作台上。

（2）安装PLA丝料。将卷筒状的PLA丝料安装在存储辊上，并拖拽一端使其通过送丝机构中的送料辊、导向套进入加热腔。

（3）设备加电预热。开机预热设备5~10 min，然后检查控制面板上挤压头的温度上升至设定值。

（4）运行软件。启动控制软件HTS，选择硬件设置，同时系统自动执行硬件初始化，读入准备加工的STL格式的零件文件。HTS系统软件具有对模型进行简单编辑、模拟加工、加工时间估计等功能。

（5）参数设置。在制作零件之前，必须对成形过程的一些参数进行设置，包括“工件参数”和设备“速度参数”，如零件位置、层高等。

（6）支撑设计。根据加工零件的具体形状，设置好支撑参数，系统将自动生成零件支撑。

（7）生成填充数据。包括生成路径及路径检查。

（8）加工前检查。包括成形头检查和平台运动检查。成形头检查就是检查熔融的丝料是否能连续、顺畅地从成形头的下端喷嘴挤出；平台运动检查就是将成形头X、Y、Z方向的坐标调整到合适的位置。

（9）开始零件加工。点击菜单栏上的“加工”按钮，系统开始自动对零件进行加工，图7为HTS系列FDM加工设备。完成零件加工后，机器自动停机。取出已加工好的零件，并对零件进行后处理。

图7 HTS系列FDM加工设备

4 结语

该实验课程通过包括三维数字建模、模型数据处理、FDM加工零件增材制造的全过程实验教学，加强了学生在增材制造方面的技能训练，加深了学生对增材制造技术的认识与理解。其教学成效主要体现在以下方面：

（1）在实验中，学生可以自主设计或选择零件模型，既体现了“以学生为中心”的教学理念，又有利于培养学生的科技创新意识；

（2）该综合实验将包括获国家科技进步奖的具有自主知识产权的一些科研成果，转化为优质实验教学资源，形成了自身特色；

（3）该实验课程已应用于我校材料成形及控制工程专业本科教学中，效果良好；

（4）本实验除应用于材料成形及控制工程专业综合性实验外，还可应用于该专业课程设计、毕业设计实验，对其他相近工程专业增材制造实验课程也有借鉴意义。

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Research on comprehensive teaching experiment for additive material manufacturing

YU Yanqin, WANG Xinyun, FAN Zitian

(School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the analysis of the technological process and the existing hardware and software conditions, 3D modeling and reverse engineering experiments and FDM experiments are designed. The principle, method and steps of the comprehensive teaching experiment of additive material manufacturing are described. Through the experimental teaching including 3D digital modeling, model data processing and the whole process of FDM processing parts, the students’ skill training in the aspect of additive material manufacturing has been strengthened, and their knowledge and understanding of such manufacturing technology has been deepened. Because students can design or choose the part models independently, it not only embodies the “student-centered” teaching idea, but also helps to cultivate students’ consciousness of scientific and technological innovation. Good results have been achieved in practical teaching application.

additive material manufacturing; 3D measurement; reverse engineering; fused deposition manufacturing

G423.31；TP391

A

1002-4956(2019)09-0164-05

2019-01-15

湖北省高校省级教学改革研究项目（2016070）；华中科技大学教学研究项目（2016007）

俞彦勤（1963—），男，湖北武汉，硕士，高级工程师，研究方向为材料精密成形工艺及模具设计。

E-mail: yuyq@hust.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.042