工业设计中的3d打印

第一篇：工业设计中的3d打印

3D打印在教学中的应用研究

牛一帆

(山东省济宁市技师学院，济宁 272000)

【摘要】3D打印是一种新型的快速成型技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由3D打印机将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。目前，该技术已在各个领域都得到了广泛的应用。对3D打印的技术原理、特点、发展，3D打印在教学中的应用及作用做了深层次的探讨。最后，针对3D打印在教学中的应用，提出了需进一步思考和解决的相关问题。

【关键词】3D打印;三维模型;逐层叠加;教学创新;创造力;个性化

【中图分类号】G42

【文献标识码】A

Research on Teaching Application of 3D Printing

NIU Yifan

(Jining College of Technician, Jining 272000, China) Abstract: 3D printing technology is a new rapid prototyping technology that 3D model designed by computer is blueprint. 3D model is decomposed into several plane layers by software, then pulverous, liquid or filamentous metal, ceramic, plastic, cell tissue and other materials are overlain layer by layer by 3D printer, and eventually physical product is molded. At present, this technology has been widely applied in various fields. Technology principle, characteristics, development and application in teaching of 3D printing are deeply explored. Finally, related problems need to be further thought and solved to application of 3D printing in teaching are put forward. Key words: 3D printing;3D model;overlying layer by layer;teaching innovation;creativity;personality

3D打印(Three Dimensions Printing)是一种新型的快速成型技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的技术[1]。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，是一种具有高科技含量的综合性

本文参与课题项目：山东省济宁市技工教育和职业培训科研课题《高技能人才培养模式研究》，编号：RSJY-Z2014003。 应用技术。目前，该技术已广泛地应用于工业产品制造、医疗行业、建筑业、汽车制造业、航空航天、食品、军事等行业[2]。

随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用也受到了研究者的普遍关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行探索。《地平线报告》是美国新媒体联盟与美国高校教育信息化协会合作发布的教育领域最有普及潜力的新技术报告。2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，并对3D打印作了较为详细的介绍，报告的编纂者认为，该技术将会在四到五年内普及[3]。

一、3D打印的技术原理和发展现状

(一)3D打印的原理与特点

1. 3D打印技术原理

3D打印，又称三维打印，是一种快速成型技术。从3D打印的制作过程出发，可将其分为设计与打印两个阶段。

(1)设计阶段：3D建模

通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型[4]。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型[4]。

(2)打印阶段

在打印阶段，3D打印机对3D模型数据进行逐层分切，通过读取文件中的横截面信息，对分切的每一层进行构建，将这些截面逐层打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。目前，3D打印用到多种技术，最典型的有分层实体制造技术(LOM)、立体光刻技术(SL)、熔融挤出技术(FDM)和选择性激光烧结技术(SLS)四种。3D打印材料主要有尼龙材料、金属材料、石蜡材料、橡胶材料、生物材料、工程塑料、光敏树脂等[4]。

模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。

为了帮助普通用户更好地使用3D打印服务，已有一些公司推出了相关的网络服务和移动服务，并使用云计算技术，为用户提供便利的设计和打印服务。在未来社会制造的环境下，大批3D打印机将形成制造网络，并与互联网、物联网无缝连接，形成复杂的社会制造网络系统，实时满足人们的各种需求。

2.特点与不足 与传统制造业的“减材制造技术”相反，3D打印遵从的是加法原则，即“逐层叠加”原则，不再需要传统的刀具、夹具和机床，能实现设计制造一体化，从而大幅降低了生产成本，缩短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，减少了对环境的影响。3D打印可以实现大规模的个性化生产，可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,成型产品的密度也更加均匀。可以实现首件的净型成形，大大减小了后期的辅助加工量，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度。另外，由于其制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。

3D打印技术目前也存在很多问题，比如某些行业缺乏宏观规划和引导、企业对技术研发投入不足、打印精度和打印速度不能满足需求等。

(二)3D打印技术的历史与现状

第一台商用3D打印机出现在1986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M.和Cima M.J.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的[4]。

经历二十多年的探索和发展后，3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度，较先进的产品已经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率，并可实现24位色彩的彩色打印。用于打印的材料涵盖从石料、金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，已开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低。3D打印的应用领域也在迅速扩张。此外，全球第一家3D打印照相馆也于2013年初在日本开业，用户经过拍照、建模、打印三个阶段，就可以为自己制作一个三维头像。另外，微软Windows 8.1操作系统和Photoshop图像处理软件也已经开始支持3D打印功能。

二、3D打印在教学中的应用研究

(一)3D打印在教学中的具体应用

1.3D打印在各学科教学中的创新应用

3D打印技术作为一种通用的技术，可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育。下图1是数十个学科领域使用3D打印辅助教学的例子。

图1 3D打印在各学科教学中的应用案例

Fig. 1 Application case of 3D printing in each subject teaching

2.3D打印教学应用项目

目前，一些国家和组织已经开始重视3D打印在教育领域中的应用，并开始探索这方面的研究。英国教育部开展了一项为期一年的试验项目(2012.10-2013.9)，以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，探索3D打印的教学应用，推动教学创新[5]。该项目与英国物理学会、全国数学教学创优中心(NCETM)和3D打印机厂商Makerbot合作，在“人类学习可以通过制造和分享过程产生”的理念下，为使用3D技术的学校提供良好的理论指导和技术支持。参与项目的学校定期报告试验情况，分享经验。

美国国防高级研究计划局(DARPA)制作实验和拓展(MENTOR)项目计划在美国高中推广3D打印机[6]。MENTOR项目旨在培养高中生的工程技术，培养学生一系列的技能，并激发他们对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣，促进高中学龄的学生协作完成一系列的设计和制作方案，以帮助他们解决在未来设计和工程方面的挑战。3D打印机在动手和动脑的学习中发挥着重要作用，将有助于MENTOR计划培养目标的实现。

意大利理论物理国际研究中心(ICTP)利用网上的免费工具将数学中的等值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学的实物或者很酷的装饰品[7]。将数学公式制作成三维模型主要有下面几个步骤：首先，需要一个能够在三维空间中对数学曲面建模的可视化软件，该项目中使用了免费的K3DSurf软件，这是一个支持参数方程和等值曲面的绘制工具，自带了五十多个范例。之后选择了pseudo-Duplin等值曲面为数据源，这个模型不仅看起来比较有趣，还能获得较好的3D打印效果。确定模型对象后，还要调整好模型的分辨率，将生成的三维模型导出为OBJ格式文件。接下来需要对三维模型进行打印前的加工。使用Netfabb Basic软件检测并修复模型中的网格错误，再将其转化成3D打印软件最常用的STL格式。然后使用Ultimaker公司开发的Cura软件，将三维模型大小调整为适合打印的尺寸。由于大部分数学等值曲面都有弧形的底部和内凹的空缺部分，这里需要放置一个支架来保证模型在打印过程中不会坍塌。最后将文件发送到打印服务，并利用不同的材料(如金属或陶瓷)将文件打印出来。3D打印还可以为枯燥的数学知识增添趣味性和实用性，将数字化和时尚相结合。通过技术手段，可以使得数学与艺术并驾齐驱，通过数学模型去构造和实现艺术设计。令人惊奇的是，一些数学曲面的形状和特性本来就特别适合于珠宝。例如，如下图2所示的实例不需要添加任何种类的挂环就可以作为吊挂的装饰物。

图2 打印前的3D结构(左)和打印出的实体模型(右)

Fig.2 3D structure before printing (the left figure) and printed physical model (the right figure) 我国上海市也将3D打印引入基础教育领域。静安区青少年活动中心创意梦工厂配置了3D打印机及配套的3D扫描仪[8]，定期开设相关课程，免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计的产品。 3D打印厂商也开始关注和重视3D打印在教育领域的应用和推广[9]。Stratasys公司为教育行业推出了一款面向高等教育机构的3D打印机教育包：Object30睿智(Scholar)[10]。该教育包具有超高分辨率和精确度，可以制造出具有光滑表面、移动部件、细节完善的模型，适用于小空间、办公室和桌面操作，能够兼容所有类别的3D软件。3D打印教育包将使学生有机会开发3D打印项目，为高校带来快速成型模具制造体验，帮助跨学科(尤其是理工科)的师生们快速实现创新与设计理念。

(二)3D打印在教学中的作用

1.可改善教学方式方法

在大部分的3D打印课程项目中，3D打印技术的本身并不是课程的重点。这类课程采用项目的形式，其主要目标是将抽象的概念变成有趣问题的解决，进而帮助教师和学生掌握抽象概念。如在《3D打印：从想象到现实》一书中提到的“边做边学”课程设计了一个制作风力发电机的项目，将物理学、电子技术的一些抽象概念和动手制作巧妙地结合起来，让学生自然而然地学会和应用这些基础知识[11]。此外，3D打印还可用来制作可视化教具和学具。原来的教学场景下，教师多使用语言和图片描述教学内容，多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象。形象直观的立体教具较少配备，或是无法定制。而且教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢。3D打印则提供了更多的创造空间，教师可以方便地自行制作和打印某些教具，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求并在课堂上展示。学生也可以观察、触摸和组装这些教具，这种方式显然要比原来的教学效果更好。

2.可辅助学生进行创新设计

工程类或建筑类项目的学生可以使用3D打印完成快速原型[12]。通过电脑直接将设计打印成微缩模型来构造设计方案，而不用花很多时间手工制作。通过这些快速原型，在设计初期就可以发现问题和不足，并且修正设计中的缺陷，教师也能及时给予指导和帮助。设计类专业的学生同样可利用3D打印技术快速实现他们的设计方案，并且到生活中进行检验和试用，把课堂上获得的技能和创造性构想应用到现实生活中。针对需要制作模型的课程，3D打印可以作为小组协作探究环境的一部分，承担对创意和技术方案进行快速验证的任务，促进学生创造力的培养和社会性认知。例如，Intel未来教育展示中有这么一个案例：某小学的物理课上讨论力学问题，学习小组设计了各种桥梁模型构造的方案，并将设计打印成实物，检验设计的承压能力。这就是一个将3D打印机作为探究学习环境的典型示例。

3.可提高学生的动手能力和参与协作意识，激发学生的学习积极性和创造力 3D打印需要学生的实践操作，从设计到打印，都需要他们参与完成，这将促进学生操作能力、观察能力和制作能力的发展，全面提高学生的动手能力和参与能力。而动手能力是学生实践学习的基础，在动手能力的基础上，学生才能进一步发展其研究能力和创新能力。同时，3D打印将激发学生DIY的兴趣，通过3D打印机，学生的构思转变为真实的立体彩色模型，将抽象概念和设计带入现实世界，使学习更加生动[12]。3D打印为学习活动开辟了新的空间，学生可以从设计、制作、展示、参与等角度融入到学习过程中，有效地激发了学生实践的积极性，提高了学习热情。

4.可营造更愉快的学习体验

3D打印的核心应用在于它能够帮助使用者将数字化的设计快速变成实物。独特的实物模型给学生提供了切身感受，并且可以操作模型互动，从另一个角度对事物增进了了解，能够帮助他们愉快地记忆，避免遗忘。还有，对于需要动手设计和制作的课程来说，3D打印可以帮助学生加速设计的过程，学生可以在设计的早期就通过原型化排除错误的设计，从而帮助他们避免因为浪费时间在无用工作上，或是项目失败带来的挫败感。

三、对3D打印教学应用的思考

3D打印技术虽然在当前教育领域的应用越来越多，但在未来的发展中，仍然有某些方面需要进行进一步的思考和持续探索。

(一)3D打印的普及与推广

首先，软硬件环境配备代价高昂，无论是3D打印机还是专业的三维建模软件价格都较高。同时3D扫描仪、三维模型的素材库等配套环境也有所缺失。而且入门级的3D打印机的工作效率很低，一个不太复杂的小物体都要数个小时才能打印出来，需要同时配备多台3D打印机才能满足一个30人小教学班的一次教学活动需要。虽然已经有一些项目(如“Object睿智教育包”、政府支持等)积极地推进3D打印机的教育应用，但在整体上，3D打印机在学校的普及还需要一个过程。同时，我国在3D打印技术的培训与推广方面，与其他国家相比还有差距，需要进一步推动新技术的学习，这需要教育行政部门、企业和学校共同努力。

(二)对教师的要求

教师在3D打印的教学应用中起着重要作用。一方面，教师自身是3D打印的使用者，可以通过3D打印制作个性化的教学模型;另一方面，教师要进行3D打印课程应用的教学设计，帮助和引导学生展开学习活动。因此，这将对教师提出更高的要求，教师需要从技术和教学设计等层面进行学习和提高，以做好领路人的角色。

(三)教育与教学改革

当前，全球教育领域正发生着革命性变化，3D打印、大规模在线学习课程(MOOC)[13]等的发展将对教育产生持续的深刻影响。因此，我们需要关注并参与到最新的工业革命和教育变革中，对原有教学课程重新进行设计和再造，加强创新型人才培养，这是我们未来能够在世界竞争中保持先进地位的根本保证。

[参考文献] [1]维基百科.“三维打印”词条[EB/OL].[2013 -05-20]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E6%89%93%E5%8D%B0. [2]张桂兰.神奇的3D打印[J].数码印刷,2013,(2):54-56. [3]National Program is The First of Its Kind to Put 3D Printers in High School Students’ Hands[EB/OL]. http:///2011/09/2349/national-program-is-the-first-of-its-kind-to-put-3d-printers-in-high-school-students-hands/. [4]罗军.3D 打印技术现状及发展趋势[EB/OL]. [2013-03-09]. http:///successstories/successstoryview.aspx?view=71&title=RIT+Engineering+Student+Raves+About+3D+Printing. [7] Gaya Fior. From Math to Jewel: an Example [EB/OL]. [2013-05-20]. http://sdu.ictp.it/3D/book/Low-cost_3D_printing_screen.pdf. [8]Jacobos P F. Rapid prototyping &manufacturing: fundamentals of stereo lithography [M].New York: McGraw Hill, Inc, 1992, 1-23. [9]Walters, P. & Davies, K. 3D printing for artists: research and creative practice [J]. Journal of the Norwegian Print Association, 2010, (1):12-15. [10]郭劲秋.3D 打印走进学校专业教育[EB/OL].[2013-03-17]. http:///news/news_98239.shtml. [11] University of Huddersfield. 3D Printing Opens Educational Doors for the School of Art &Design[EB/OL]. [2013-05-22]. http:///documents/14_CaseStudy-Hudders field-FINAL.pdf. [12] Ex One Company. Z Corporation 3D Printing Technology Fast, Affordable and Uniquely Versatile [D].America：ZCORPORATION, 2008, (5):60-61. [13]王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012,(26):3-5.

作者简介：

姓 名：牛一帆，出生年月：1982.5，性 别：女，籍 贯：山西长治，职 称：讲 师，印刷包装工程专职教师，邮寄地址：山东省济宁地区邹城市龙山北路759号兖矿新陆建设发展有限公司工程技术部

赵峰(收)，邮政编码：273500。联系电话：13355102280 或者15963030365，邮箱：nyf13319224072@163.com，工作单位：山东省济宁市技师学院(邮政编码：272000，所在城市：山东省济宁市)。

本文参与课题项目：山东省济宁市技工教育和职业培训科研课题《高技能人才培养模式研究》，编号：RSJY-Z2014003。

第二篇：浅谈3D打印技术在教学中的应用

[摘 要]3D打印是一种新兴的学习辅助技术，教学领域将是未来3D打印技术推广应用的重要市场。本文首先从3D打印的原理着手，剖析了3D打印技术在教学中的作用，并探讨了3D打印技术在教学实践中的应用模式，以及为进一步研究3D打印技术在教学中的应用提供参考。

[关键词]3D打印技术 教育应用 应用模式

中图分类号：D170 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2017)11-0382-01

1、3D打印的原理

对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上二维的喷墨打印和某些类型的3D打印在技术表现上确实比较相似，3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中，从而让打印的数字虚拟对象实现三维实体化。3D打印机的精确度相当高，可以打印出模型的大量细节，而且它比起铸造、冲压、蚀刻等传统方法能更快速地创建原型，特别是传统方法难以制作的特殊结构模型。一般来说，通过3D打印获得一件成品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段：

(1)三维建模

通过GoScan之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用3ds Max、Blender、AutoCAD、SketchUp等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用已做好的3D模型。

(2)分层切割

由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到计算机以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理。即将模型切分成一层层的薄片模块，每个模块的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。

(3)打印喷涂

由打印机将打印材料逐层喷涂或熔结到打印台的三维空间中，根据工作原理的不同，有多种流程方式。较常规的是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末。如此反复;或是通过高能激光融化合金材料，一层层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺流程耗时几分钟到数天不等。

(4)后期处理

由于3D打印机规格、打印材质、打印精度的不同，可能出现成品截面粗糙或有毛刺的现象，这时就需要对打印出来的模型进行必要的加工处理，如：表面打磨、剥离、上色、固化处理等。

2、3D打印技术在教学中的作用

2.1 提高学生主动学习的积极性

3D打印是以计算机软件生成或通过实体扫描获得的数字模型文件为基础，运用粉末状的金属或塑料等具有粘合性的材料，通过“积层造型法”逐层打印出实物的技术。该技术应用于课堂上能够激发学生浓厚的兴趣。通过3D打印，课本上的二维知识能够快速转化为三维的实物，3D打印本身的功能特性和新颖性以及对教学过程的辅助作用都能够激发学生的好奇心和学习兴趣，提高学生的积极性与主动性。通过将3D打印技术引入课堂，学生可以将自己的想法与构思实体呈现出来，不仅培养了学生的动手能力，还加深了对知识的理解与记忆，激发学生深入学习的热情，积极地投入到再学习中，形成良性循环。

2.2 培养学生的创新思维能力

3D打印技术为学生提供了一个自由发挥想象力的平台，学生可以通过3D打印将许多课本中看不见摸不着的内容变为实物，能够使学生捕捉知识要点并实体定格。在3D打印技术的支持下，学生可以将更多的时间与精力投入到设计与创新环节，通过自身的理解与想象，结合课本上的知识举一反三，将记忆理论概念转化为实物创作，在体验实践中融会贯通进而创新。可以说3D打印技术引入学校教学中，极大地促进了学生思维能力和创新能力的提高，学生可以参与创新设计，尽情发挥自己的想象力和创造力，将创新思维能力培养贯穿于学习活动之中，通过打印出具有个人特色的实体作品，体验课本外的知识实践应用。

2.3 帮助教师探索新的教学方法

在传统的教学中，教师只能通过口头讲述的方式来为学生讲解知识，即使是多媒体技术和设备非常发达的今天，教师也只能通过音视频使得教学相对生动真实，由于大量学科仍是非实物化的教学方式，加上学生的阅历有限，理解能力不足，使得他们对知识掌握的程度仍未教师理想。有了3D打印技术的支持后，教师就能够将全新的“体验式教育”实施到课堂之中，将课本上以前那些难以触摸，或是难以在课堂上具现化的内容打印成三维实物，让学生通过自己的亲身触碰和体验来加强学习理解。以学生为主导的教学方式，教师将学习的主动权交给学生，帮助学生去感受最真实最具体的内容，结合着理论概念与知识点，让学生更容易理解其中的内涵与意义。

3、3D打印技术在教学实践中应用模式探究

3.1 3D打印技?g用于课堂情境教与学

以莱夫为代表的情境学习理论认为，知识寓于情境之中，学习者通过具体活动能更好地获得知识，强调知与行的交互性。而我国教师在教学中普遍实施的是灌输式教学法，教学模式僵化。3D打印技术对于教师和学习者的重要价值体现在：它能够更加真实形象地呈现特定事物，并让学习者获得深刻的感知体验。利用3D打印机可将大多数有益于教学的模型实物打印出来并呈现在课堂上，借助实物教具教师可以更容易将抽象问题进行深刻解析，学习者也可通过其帮助对知识加深理解，实现教学双方所共同期望的交互教学模式。

在桌面3D打印机巨头MakerBot举办的数学工具模型大赛上，爱好者制作了各类创意教具，并用3D打印机将创意立体化为三维实物，大大提高了学习者的学习兴趣。大量实践证明，教学中采用生动的、符合情境的教具，课堂氛围更热烈，教学过程更轻松，学习效果更显著。(图1)为教师自行设计并打印的球齿轮教学模型，3D打印教具的使用可促使学习者将已有知识经验与实际问题进行联系，深化知识和内涵;使教师从知识权威转变为学习者研学的促进者，有利于引导学习者应用所学知识来解决“现实”问题。

3.2 3D打印技术用于课外创新实践活动

创新是一个民族进步的灵魂，提高自主创新能力、建设创新型国家必须依靠创新型人才，而我国教育工作者针对如何培养人才创新能力难题一直在努力探索。许多学校创建了学生社团以鼓励创新，但往往一些创意思想都囿于现实而被迫终止。例如在模具设计中学生试图将创意付诸实践时发现，即使标准零部件仍需去市场上逐一甄选，过程繁杂，而非标准件则必须找代工厂进行单件生产，加工周期长且价格昂贵，这些困扰在很大程度上消减了学生创新的积极性。

3D打印的出现彻底改变了?@一现状，任何创意设计都不再局限于传统加工能力的局限，3D打印机可以快速打印出学生DIY过程所需的零件，学生几乎可以足不出户就能将创意变成成品。3D打印可激发学生对某些科学过程或现象进行可视化展现，便于进行科技发明或创新制作，为实现设计提供一种更加高效的途径。

3.3 3D打印技术用于培养大学生的综合技能

当今社会对人才的知识体系要求发生剧烈变化，从传统的单一知识形式转变为多领域知识融合形式。3D打印对于中小学生可简单定位为一种科普教育，而在高等教育理工学科中则应是一种技能教育。因此，3D打印机对于大学生不仅仅是一种模型制作设备，更应该通过对打印设备的系统学习，深入掌握所涉及的各种技术知识。

如前所述，3D打印技术是一种集多领域知识于一体的技术形式，它要求学生综合学习机械设计、计算机技术、控制技术、光学技术、材料科学等多种专业技术，这就必然促使大学生加强多领域知识的学习与融合，契合当今社会对综合型人才的需求。

3.4 3D打印技术用于提高大学生就业竞争力

近年来我国大学生就业问题日益突出，其根源在于人才培养与社会需求脱节，存在“两张皮”现象。部分专业的课程设置和课程内容不能与时俱进，与社会岗位对专业人才的要求不相符合。2014年9月，人力资源咨询机构WANTED Analytics发布报告表示，近四年来市场上对具备3D打印与增材制造相关技能的人员需求量持续上升;2014年8月，3D打印行业的招聘广告数量比去年同期增长103%，且相关岗位的人员招聘难度系数最高达到60%，企业很难招聘到具有此项专门技术的人才，人才缺口十分巨大。

目前，我国还没有设置3D打印专业，仅出现小规模具有高校背景的培训机构，远不能满足市场对3D打印人才的需求，所以亟待将3D打印技术融入课堂教学，将人才培养与社会需求结合起来，可以大大提高学生就业竞争力。

3.5 3D打印技术用于开展产学研项目

技术作为连接知识与生产的桥梁，不仅是知识的应用与物化，要进行构思设计，还要直接作用于生产过程，进行产品开发与制造。因此，积极开展产学研项目合作是把握技术的理论性与实践性之间发展规律的重要环节。

3D打印技术用于开展产学研项目有利于培养学生科研能力，增强科研转化能力。对于高校，一方面可对3D打印技术进行深入科学研究，另一方面应向企业提供共享服务。如青岛高新区引进西安交通大学快速制造国家工程研究中心卢秉恒院士团队，帮助其打造完整的3D打印产业链;与中科院自动化所共建青岛智能产业技术研究院，建设3D打印社会资源平台等，形成双赢的局面。

4、结束语

目前，3D打印技术受到了各个领域的高度重视。虽然3D打印引入教学中还存在着很多困难，但其带来的效果是不可估量的。3D打印技术的运用，需要学校与师生的支持，使其充分发挥作用，为我国教育事业的发展提供动力。

参考文献

[1] 张彦芳.3D打印技术及其应用[J].科技视界，2013

[2] 刘翠.3D打印技术及其在职业教育领域中的应用[J].电子制作，2014

[3] 杨洁.3D打印在教育中的创新应用[J].中国医学教育技术，2014

第三篇：桌面3D打印技术在模具教学中的实践应用

摘 要：3D打印技术不需要加工，就能通过计算机图形数据快速生产任何形状的物体，大大缩短了产品的生产周期，近年来得到社会的广泛关注，并广泛利用在汽车、航天航空、医疗教育、工业设计、模具制造等社会各个领域。将3D打印技术应用在传统的模具教学中，能够为学生提供更加直观、形象的教学形式，提高教学效果。本文主要简单阐述了3D打印技术的概念，以及它在模具教学中的实践应用。

关键词：3D打印技术 模具教学 实践

随着计算机、信息技术的进步，3D打印技术逐渐成为时下最热门的一个话题，并广泛利用在社会各个领域。比如模具制造，主要用于工业产品中，大大节省了产品研发成本和生产的周期。但是目前由于受到材料的限制，3D打印技术还没有大面积的普及。将3D打印技术引用在模具教学中，能够便于学生的理解和记忆，将枯燥的理论课堂与实际产品进行有效地结合，激发了学生学习的兴趣，大大提高教学效率。

一、3D打印机打印原理

3D打印机又被称为三维打印机，是一种快速成型技术。它将数字模型文件作为打印的基础，通?^特殊的粉末状金属、蜡材、塑料等可黏合的材料，通过打印机将一层层的黏合材料打造成一个三维的实体物品。3D打印技术的原理，是通过计算机将数据信息和原材放入到打印机中，打印机按照设置的程序一层层地将产品打印出来。

二、桌面3D打印技术在模具教学中的实践应用

桌面3D打印机的价格比较便宜，工艺简单，材料选择比较多，尺度精度好，易于装配，能够快速构建中空和瓶状零件，比较适合模具教学。

1.桌面3D打印技术在课堂教学中的应用

3D打印技术归根到底是虚拟现实技术的延伸。它拓展了人类的知觉和感觉，促进了人类思维的发展，将3D打印技术与课堂教学融合在一起，能够刺激学生的感官，从而激发学生学习的兴趣，提高教学效果。随着3D技术的发展，目前3D打印技术已经比较成熟，将3D打印技术引入到模具教学中来，能够在教学活动中，现场打印一些模具的模型，让学生更加直观地了解模具知识和技术，从而优化教学效果。

2.桌面3D打印技术在课程设计方面的应用

模具设计课程一般需要一个到两个星期。教师让学生利用所学的软件，进行绘制模具图形。教师对学生的设计图形进行指导。如果学生的模具设计尺寸、大小等信息不符合实际要求，教师会给予学生一些指点并要求学生做出相应的修改，从而帮助学生加深对课堂知识的理解。在3D打印技术应用在模具设计课程中，学生设计作品完成以后，可以通过3D打印机将自己设计的作品打印出来，既可以提高学生学习的兴趣，又能提高学生的动手能力。在打印的过程中，学生很容易发现自己设计图纸存在的问题，从而进行修改和调整，进一步提高设计水平。目前，国内华南理工大学、华中科技大学等高校将3D打印技术应用在模具方面已经取得了一定的进展。比如华中科技大学成立了材料形成与模具技术国家重点实验室，并建立了3D打印材料性能和精度控制方法，形成了一套比较完整的技术体系。

3.桌面3D打印技术应用在实践环节

模具是一门实践性和应用性很强的专业。学生不仅要掌握模具设计、制造，还有模具的安装、维护和管理。很多高职院校由于受到资金与办学条件的限制，无法大量购买设备。而桌面3D打印机的成本比较低，可以打印一些体积比较小的模型，也方便教师在课堂上进行演示，然后让学生进行操作，能大大提高学生的动手能力。

三、小结

随着3D打印技术的发展，未来3D打印机的成本会逐步下降，3D打印机将会得到进一步的普及和应用。所以，教学也要与时俱进，让学生接触到新技术、新设备，培养学生的创新能力和实践能力，但是在教学中，也不能完全依赖3D打印技术，而是要将其与传统教学模式结合起来，切实优化教学效果。

参考文献：

[1]乔瑞丽，李海林.桌面3D打印技术在模具教学中的实践[J].模具制造，2015，15(1).

[2]王娟，吴永和，段晔等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015(1).

[3] 张艳华.3D打印技术在模具设计教学中的实践与探索[J].教育教学论坛，2016(12).

(作者单位：青岛市技师学院)

第四篇：3D打印技术在工业产品设计

3D printing technology and its application 3D printing technology in the industrial product design, especially the application of digital product model manufacturing is becoming a trend and hot topic. At present, the 3D printing technology support for a variety of materials, can be widely used in jewelry, footwear,industrial design,construction,a

3D打印技术及其应用

3D打印技术在工业产品设计，特别是数字产品模型制造领域的应用正在成为一种潮流和热门话题。目前，3打印技术支持多种材料，可以广泛应用于在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、航天、牙科、医疗甚至美食等不同的领域。 根据应用目标的需求，所使用的材料有树脂、尼龙、石膏、ABS、PC或食材配料等。 3D打印技术的快速成型技术使之在市场是哪个具有独具优势，在生产应用上潜力巨大，热点应用概述如下： 1.1 工业应用

“空气单车”是位于英国布里斯托尔的欧洲航空防务和航天公司采用3D打印机，应用3D打印技术制造出的世界是第一辆打印自行车。这辆自行车使用像钢铁和铝合金一样结实的尼龙材料，重量比金属材料尧65%。更有趣的是，“空气单车”无论车轮、链条还是轴承都是一次性打印出来的，无需要原来先制造零件在将零件组装在一起的总装的流程，打印结束后，自行车就能够活动自如。自行车的制造过程就像在平面打印中打印不连续的线条一样简单，3D打印机能够打印出空间彼此不相互连接的物体。 1.2 医学应用

在医学上，采用3D打印将双光子聚合物和生物功能材料组合修饰成毛细血管，不仅具有良好的弹性和人体相容性，还能够用于替换坏死的血管，与人造器官结合，部分取代药物研发中的实验动物。 1.3 日常生活应用

“3D食物打印机”是美国纽约康奈尔大学研制的食物制造设备。这部“3D食物打印机”采用了类似日常计算机打印机的工作原理，将食材和配料预先放入容器内，只需要输入所需的食谱，通过所配套的CAD软件就能把美食“印”出来。对于不少的厨师而言，这种烹饪的新厨具意味着它们可以创造出新菜品，制造出更多的个性美食，获得更高的食物附加值。使用“3D食物打印机”制造食物，可以大幅度地缩减从原材料到成品的环节，从而避免食物加工、运输、包装等环节中污染与保存等不利影响。由于烹饪的原料和配料必须放置在打印机的容器内，因此食物原材料必须是液体或其他可以“打印”的状态。 1.4 IT应用

最近，迪士尼的一组研究人员利用3D打印技术在与有机玻璃同样效果的高透性光塑料上，以低廉造价打印出了LCD屏幕与传感器，实现了IT应用中的新突破。利用3D打印光导管可以制造出高科技的国际象棋，这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。尽管这种单色屏与日常生活中见到丰富多彩的显示屏相比有些微不足道，但其拥有3D打印技术成本低廉，制造工艺简单的优势。除了显示屏，利用3D打印技术还能打印出多种传感器，这些传感器可以通过红外线来侦测触摸、振动等刺激，并将结果输出。3D打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT应用。 2. 选区激光熔化技术

目前，选区激光熔化技术是3D打印技术的比较成熟的一种加工看零件的技术，它是近几年出现的能直接制造终端、近终端金属产品的快速成型技术。该技术综合了激光技术、材料科学技术、机械工程及数控技术，可以直接成型金属三维实体。它将激光烧结技术与激光熔覆技术结合起来，利用纯金属或合金粉末直接制造具有冶金结合致密度接近100%，具有较高尺寸精度和较好的表面粗糙度的金属零件。

激光与金属粉末相互作用的机理是熔化城西的理论基础。通过研究就昂能量在金属粉末中的传导，探讨单一组金属粉末熔化成型的机制，并对影响金属扥莫熔化成型中最为重要的因素球化现象进行了理论的分析。 工艺参数优化是实现熔化成型的而重要的因素。激光器是选区激光熔化成型的核心设备，本论文主要采用的是具有良好的光束质量和聚焦能力好的光纤激光器，探讨工艺参数对成型体的影响。粉末密度及保护气体直接影响成形体的致密度及精度，采取合适的铺粉方式和有效保护气体装置可以提高成型质量。铺粉厚度要严格控制在激光能量穿透限度内才能使基层和熔化层达到很好的结合。

高能激光束可以气化金属粉末，形成熔池。激光功率和扫描速度直接印象粉末吸收激光能量的大小，继而影响熔池的高度和厚度，熔池重凝后可以形成金属薄壁。利用激光技术制备功能梯度材料是激光快速成型技术的一个发展方向。 3. 3D打印技术的发展趋势

3D打印技术持续发展，成本的大幅度降低使其已经从研发的小众空间爱你向主流市场进军，发展势头不可阻挡，已经成为社会广泛的关注，民用市场迅速崛起的新领域。3D打印制造的模型、礼品、纪念品乃至工艺品的应用，极大的吸引了社会的关注和投入，发展加速，市场开始呈现量与质的双飞跃。据预测，2020年3D打印成品将占据产品生产总量的50%。未来10年在电脑上完成产品设计蓝图，轻轻一按“打印”键，3D打印就能一点一点打印出设计的模型。现在一些铸造企业开始研发选择性的激光烧结3D打印机及其应用，力图将复杂铸件的交货期由3个月缩短到10天，发动机制造商通过3D打印技术，将大型的六缸柴油发动机缸盖砂芯的研发周期，由过去的5个月缩短至一周。3D打印技术的最大优势在于拓展设计人员的想象空间，只要在计算机上设计承的三维图形的东西，无论是形状各异的服装、精美的工艺品、还是个性化的车子，只要解决了材料问题，都可以通过3D打印实现。

随着3D打印技术的不断突破，新材料的日益改善，3D打印的速度、尺寸的大小在不断的提高，其技术在不断的优化，应用领域在不断的扩展，特别是在图形艺术领域的潜力，三维的概念模型能更好的传达制造者的想法或解决方案，一张图可以胜过几百甚至上千个文字的描述。专业人士坚信个性化或定制化的3D打印可以将想象的三维模型即可展现在眼前，能够快速的改进产品，增长幅度将超过想象，将会改变社会各种应用的未来。3D打印技术将淘汰传统的生产线，缩短制造的周期，大大减少生产废料，所需原材料用量将减少到原来的几分之一。3D打印不仅节约成本，提高制造精度，也将弥补传统制造的不足，并将在民用市场迅速崛起，从而开启制造业的新纪元，为印刷工业带来新的机遇和希望。

第五篇：3D打印机设计参考论文

导读：3D打印机设计参考论文，2015-02-063D打印机DIY，1.1国内外3D打印机的研究现状，1.1.1国外3D打印机的研究现状，1.1.2国内3D打印机的研究现状，1.2 3D打印机的发展趋势，1.2.1 3D打印产业的未来发展前景，1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势，1.3 3D打印机的工作原理及特点，2总体方案及结构设计，2.2总体框架的设计，2.3温度控制回路的设计，2.4 XYZ三方

3D打印机设计参考论文

2015-02-06 3D打印机DIY 3D打印机设计参考论文 1.1国内外3D打印机的研究现状 1.1.1国外3D打印机的研究现状 1.1.2国内3D打印机的研究现状 1.2 3D打印机的发展趋势 1.2.1 3D打印产业的未来发展前景 1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势 1.3 3D打印机的工作原理及特点 1.4发展创新与突破 2 总体方案及结构设计 2.1引言

2.2总体框架的设计 2.3温度控制回路的设计 2.4 XYZ三方向控制电机的设计 2.5喷头移动及喷出量调节的设计 3 机械结构 3.1传动方式的选择 3.2转动惯量的计算 3.3喷头的选择 4 电机的选择

4.1伺服电机和步进电机的对比 4.2直流交流伺服电机对比 4.3负载转矩的计算

1 4.4打印速度的初步估计 5 传感器

5.1温度传感器对比 5.2机械位置传感器 5.3压力传感器

6 3D打印机的优点及面临问题 6.1 3D打印机的优点 6.2 3D打印技术面临的问T

3D打印机设计参考论文

【摘要】3D打印是最近两年开始流行的一种快速成形技术, 它以数字模型文件为基础, 通 过逐层打印的方式来构造物体. 我们日常生活中的打印机能打印一些平面纸张材料, 而3D打印机打印出的是立体塑品产品.文章对3D打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，综述3D打印技术的基本概念、发展简史、打印过程原理、应用领域、广泛影响以及面临的问题等.在介绍3D技术的发展历程、3D打印技术的工作原理流程及特点的基础上，分析了3D打印技术的创新点和存在的问题，展望了3D打印技术的未来发展趋势. 关键词:3D打印机;快速成型;结构设计;社会制

【Abstract】：3D printing is one of the last two years became popular rapid prototyping technology,which is based digital model files, through over the printed layer by layer approach to construct objects. Our daily lives printer can print some flat sheet material, and 3D printer to print out the three-dimensional plastic goods products. Article on 3D printing technology system status and domestic industrial development, development made a comprehensive presentation situation, review the basic concepts of 3D printing technology, development history, the printing process principles, applications, and the problems faced widespread impact, etc. In the development process of introduction of 3D technology, working principle and characteristics of the process of 3D printing technology based on the analysis of 3D printing technology innovations and problems, looked to the future development trend of 3D printing technology. Key words：3D printers; rapid prototyping; structural design; social manufacture 引言

随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工

2 精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了3D打印这一先进的技术，我们可以通过3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛。 3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。

1 绪论

1.1 国内外3D打印机的研究现状 1.1.1 国外3D打印机的研究现状

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。

目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。

3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。

1.1.2 国内3D打印机的研究现状

自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势;华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到40.2mm;中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。

3 近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。

1.2 3D打印机的发展趋势 1.2.1 3D打印产业的未来发展前景

根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。

但3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。 总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。

1.2.2 3D打印技术未来发展的主要趋势

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造;开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点;3D打印机的

4 体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求;软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造;拓展在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

1.3 3D打印机的工作原理及特点 1.3.1 3D打印的工作原理

三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面印刷在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来. 可用于制造复杂形状的模型中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等. 图1是三维打印成型机的剖面示意图. 其工艺是先由铺粉辊从左往右移动, 将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层. 然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状, 然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的. 图1 三维快速打印技术工作原理示意图

3D打印的主要工作流程如图2所示, 其中3D建模是3D打印的前提，相当于平面印刷中的原稿，3D建模质量的好坏决定了3D打印的质量. 一般现有的3D建模软件都可以实现建模，比如CADPro/e等矢量建模软件，都可以轻易地实现3D建模. 3D分割将建立的3D模型分成一个个的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定, 厚度一般为几十微米到几百微米不等. 分割工序也是由软件来实现，类似于打印机的驱动程序. 喷墨打印中将成型材料一层层喷涂在基材上. 目前比较流行的做法是先喷一层胶水,然后再在上面撒一层粉末，如此反复, 喷头一般可采用喷墨打印机的喷头， 目前也有一些设备厂商提供专用的喷头. 打印完成后，还需要对打印出来的3D模型进行后处理，比如固化处理剥离模型的修整等等，最终完成所需要的模型的制作. 1.3.2 3D打印的特点

与传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势，主要表现如下: 1. 制作精度高。 经过20年的发展，3D打印精度有了大幅度的提高。 目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以0.3mm以下。

2. 制作周期短。 传统模型制作往往需要经过模具的设计模具的制作制作模型修整等工序，制作的周期长。 而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。

3. 可以实现个性化制作。 对于传统模型的制作，个性化模型的生产就显得力不从心，或者是成本高昂。 而3D打印对于打印的数量没有限制，不管是一个还是多个，都可以以相同的成本制作出来。

5 4. 制作材料的多样性。 一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。 比如金属石料高分子材料都可以应用于3D打印。 5. 制作成本相对低。 虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵，但是如果用来制作个性化产品，其制作成本就相对较低了 加上现在新的材料不断出现，其成本下降将是未来的一种趋势。

1.4 发展创新与突破

3D打印被用作经济学人杂志封面，主题为看制造业新技术如何改变世界，详细介绍了3D打印的历史和发展，可见人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注。 而 3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯巧克力小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机，3D打印行业的发展始终凸显着创新突破这一关键特质，主要表现在以下几个方面。

1.4.1 3D打印应用领域扩展延伸

3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇。 比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟; 哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备; 另外，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造服装奢侈品影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。

1.4.2 3D打印速度尺寸及技术日新月异

在速度突破上，2011年，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒在体积突破上，3D打印机体积为适合不同行业的需求，也呈现轻盈和大尺寸的多样化选择。 目前已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战轻盈极限，为未来进入家庭奠定基础。

在ViennaUniversityof Technology的一个研究项目中，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭在大尺寸领域，在德国的3D打印公 司发布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机，该款大尺寸3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能。3D打印技术日新月异，在2011年Lexus对外发布了新3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印，能够以编织的方式制作复杂的3D模型

1.4.3 设计平台革新

基于3D打印民用化普及的趋势，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB的3D设计平台—— 3DTin，另外，微软谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用，大大降低了3D设计 6 的门槛，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型。 2 总体方案及结构设计

2.1 引言

3 D打印机,专业领域又称快速原型机,是数字化增材技术。经过几十年发展后的逐渐走向民用市场的技术成果。其推广不仅意味着科技的进步,更为工业制造概念增添了新的内涵,有着广阔的发展前景。

本文拟对3 D打印机的控制结构进行设计,在综合考虑性能与经济性的基础上完成其元件 的讨论与选型。

3 D打印机利用不同的材料打印立体模型,利用计算机软件技术,设计者设计出一个初步模型之后,例如一座建筑亦或是人工心脏瓣膜,之后通过3 D打印机 进行打印。打印的原料种类繁多,有机材料、无机材料均可使用。例如塑料、橡胶等。打印材质视具体情况而定。 3 D打印机在9 0年代中期就出现了。随着科技的发展,它已经投人到各种科技工作的领域当中。通过一层一层堆积的液体和粉末来 生产物体,可以用来制造一次性的机械产品以及模型。牙科医生利用3 D打印机扫描患者的牙齿轮廓后复制出合适的矫正模具;产品生产厂商用它来完成对产品功能的设计,以避免在大规模生产后修改设计;展览馆用它复制真品,以避免真品被参观者损毁。

2.2 总体框架的设计 2.2.1 系统概述

系统由输人设备制定部分参数,从存储设备或者直接从计算机 中得到事先建好的三维模型,由单片机对模型进行分析,切片,建立 必要的支撑结构,再从单片机输出控制指令,控制喷头型材料融化,并通过一定的驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动,并控制喷头的喷出系统调节喷出材料的多少。每打好一 层,从外 部设备读取下一层的参数,再打印下一 层,直到全部模型完成。完成 模型的打印之后,还需要后期的材料回收工作。

2.2.2 系统框架

输入设备、存储外设、上位机、温度传感器的测量值----单片机分析----温度控制回路、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、显示设备

2.3 温度控制回路设计 2.3.1 打印耗材的选用

为了实现3 D打印机的功能,所选材料也很重要。既要由较低的熔点,也要有较好的粘滞性,同时也需要快速成型。综合考虑,我们最终选择了P L AA /B S耗材。

2.3.2 设计思路概述

7 ABS/PLA耗材熔点为230℃左右,分解温度260℃以上,故其通常成型温度在250℃以下。控制回路使用温度传感器返回当前温度,反馈回路保证了温度保持恒定,控制器统一使用了单片机来输出指令

(3)控制回路方框图如下：

设置的空气温度→单片机→D/A转换器→加热电路→当前温度→温度传感器→A/D转换器→单片机

2.4 x y z三方向控制电机的设计

采用化繁为简的思路,将三维打印转化为二维进而转化为一维 打印。即Z方向采用步进电机,由步进电机固定的 给量算出所需的步进角,用这种方式将三维打印先转化为每一平面内的二维打印,再由Y方向也为步进电机带动,则每一平面内的二维打印又转化为很多条 直线上的一维打印。

2.5 喷头移动及喷出量调节的设计 2.5.1 喷头系统的功能要求

熔融挤出系统对喷头系统的基本要求 是:将成型料丝送人液化器中,在其中及时而充分地熔化,由固态变 为熔融态,然后再进一步从更小直径的喷嘴中以极细丝状挤出,按扫描路径堆积成型。而且送丝速度要与扫描速度相匹配,以保证均匀一 致的材料堆积路径。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点: 1) 供应功能:将料丝从丝筒上拉出,提供成型材料; 2) 熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝及时且充分地 熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器; 3) 流道功能:提供熔融态材料稳定流动的通道; 4) 定径功能:对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积; 5) 出丝速度匹配与出丝起停控制功能:出丝速度可控,能根据扫描速度进行调整,实现互相匹配。出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径 起停处。 在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助液化器中未熔丝材的活塞作用,将熔融材料挤出喷嘴,出丝推力近似等于送丝驱动力,所以在此特定的工艺原理中,送丝功能和基础功能是等效的。

2.5.2 喷头实现方法设计

基于所选择的打印耗材,喷出技术采用熔融沉积成型技术,根据片层参数控制加热喷头沿模型断面层扫描,同时控制熔融液体的体积 流量,使粘稠液体物料均匀地铺洒在断面层上。

液化器中使用电热丝提供热量使料丝熔融。熔融挤压快速成型工艺对温度的要求极其严格,喷头出丝温度和成型室的温度严格处于一定的温度范围之内,且一旦设定温度控制值之后,须保证其温度保持在平稳状态,不能产生较大 的扰动,否则成型质量将受到影响。这就

8 要求液化器温度必须保持稳 定。因此,我们需要加入上述的温度控制回路来严格控制液化器的温度。

3 机械结构 3.1 传动方式的选择

直线导轨可分为：滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度较高。

滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。

2)高精度的保证

滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

3)微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

4)无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。

5)高速进给可能

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。

3.2 转动惯量的计算

滚珠丝杠根据国家标准JB/T9893-1999 选用长度L=1.0m，公称直径D=12mm,公称导程mmPh40 对本系统而言，丝杠传动折算到马达轴上的总惯量为： Jt=Z1+1/i2[Z2+JS+JW](kg.m2)++= 其中i为两齿轮的传动比，此处取i=Z1/Z2=1 其他符号说明如下：

9 Z1——齿轮l 及其轴的转动惯量;J1=0.0018kg.m2 Z2——齿轮2 的转动惯量，取J2=0.0018kg.m2×=; Js——丝杠转动惯量，kg.m2×; Jw----为工作台折算到丝杠上的动惯量; W——工作台重量，工作台轻，取6kg; S——丝杠螺距，4mm; g——重力加速度，9.8m/s2; 圆柱体的转动惯量：J=1/8MD2 M----圆柱体质量; D----圆柱体直径;

而且选用丝杠的密度(类于铁)为7.8g/m3=r; 滚珠丝杠的转动惯量为：

JS=1/4πD2pl*1/8D2=3.14*0.0124*1.0*7800/32=1.59*10-5( kg.m2 ) Jw=6*0.0042/(9.8*4π2)=2.48*10-7( kg.m2 ) 从而 Jt=3*10-3 ( kg.m2)-。

可见，Jt很小——主要由两个齿轮的转动惯量来决定，从而对电机的功率输出要求不苛刻，在功率不高情况下，可以实现高转速。

这是一个小惯量的系统，该系统启动，加速，制动的性能好，反应快，比较理想。 此类电机最高转速一般是3000r/min上下，取3000为参考研究

按360dpi的分辨率来考虑，则每英寸25.4mm对应360个色点，每两个色点的距离为25.4/360=0.07mm,又打印喷头为双排的，所以，打印喷头周期移动距离d=0.07*2=0.14mm，喷墨一次，喷粘剂一次，两个喷头喷出同步;

设定机械精度：0.005mm，对应的脉冲当量: 由i=1，求得丝杆转一圈，喷头前进4mm。则机械精度对应

丝杆转一周，上位机应该发出的指令脉冲为4mm/0.005mm=800(个)

则对应转速约为3000，上位机脉冲能力至少800*3000/60=40000r/s; 对应6000转的转速，则上位机脉冲能力80000r/s，电子齿轮比不变. CMX ：电子齿轮比的分子是电机编码器反馈脉冲。

CDV ：电子齿轮比的分母是上位机的给定脉冲(指令脉冲)。

电子齿轮比=CMX/CDV=(131072×100)/ 80000=6553600/200000=32.8。 在此计算电子齿轮比的目的——电子齿轮比把上位机的给定脉冲要换算成与电机编码器反馈脉冲同等意义的信号，便于控制中心按给定指令要求控制伺服转动定位。此外，通过上位机的脉冲能力的估算，对比实现的可能性，得知我们方案的合理性。

3.3 喷头的选择

10 选用Konica512L型号，实现宽度尽可能满足，分辨率满足，控制X轴方向运动，Y轴方向由另一电机控制，控制方式类似，单次位移为36.1mm,精度控制一样。双排式排列方式，使得走完一个幅面的时间相对于单排式减半，利于打印速度的提高。

4 电机的选择

4.1 伺服电机和步进电机的对比

控制电机的比较与选取：电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类。伺服有速度控制和位置控制模式。

4.2交流直流伺服电机对比

在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。

伺服电机可以考虑直流和交流两种：但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的 最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，

此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。 PMSM主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。

4.3 负载转矩的计算

PMSM定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n与ns相同(同步)。两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。(同性相斥，异性相吸) 其中θ为失调角，也称功率角;K与定子端电压和转子磁势(磁密)的乘积成正比。Fy和Fs分别是转子、定子的磁势或磁密;p为极对数。

当θ为90度角时，对应最大转矩，称最大同步转矩。对之前我们算得的负载转矩Jt=3.0*10-3kg.m2进行惯量匹配。

根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度a角”。加速度α影响系统的动态特性，α越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果α变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望α的变化小，则J应该尽量小。

11 传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

通常负载的惯量不要大于电机惯量的5倍，最大不要超过10倍。

对于功率P=2π*nT/60对旋转运动的物体来说，转矩和惯量的关系正如直线运动物体的受力和质量的关系。

4.4 打印速度的初步估计

每打一个，计划在Y轴方向移动10次，使宽度达到361mm=对此，计算喷头走完1个幅面的时间T，计划彩印周期T秒，暂时忽略10次Y方向移动时间，有：

电机一转对应丝杆1转对应10个导程共4mm，360mm需要电机转90r，最高转速时，电机每秒转50r，对应时间为1.8s。则10个来回大约18秒，x轴方向10次加减速，对应总时间6s;走完一个幅面，需要大概24秒，加上其余误差时间，30秒就可以完成一个幅面，T=30s，基本实现1分钟打印2页的要求。

求电机匀加速需要时间。

电机300ms，表示静止加速到额定转速的时间，角加速度为 α=50*2π/0.3=1047rad/s2 M=Ma+Mf Ma=(Im+It)α Mf=μWS/2πηι

式中Ma——电机启动加速力矩;

Jm，Jt——电机自身惯量与负载惯量(kg·m3); Mf——导轨摩擦折算至电机的转矩(N·m) μ——摩擦系数，取0.1;

η——传递机械效率，在此取0.15。

滚动螺旋传动的传动效率取0.95;滚动球轴承传动效率为0.99;齿轮的传动效率为0.93;总传动效率为：

η=0.95*0.99*0.93*0.99=0.866=′′′=h

导轨磨擦折算至电机侧的转矩：Mf=0.1*6*0.004/(2π*0.866*1)=4.4*10-4 需要的输出力矩为: T=Jα+Mf=(3.0*10-3+0.388*10-4)*1047+4.4*10-4=3.18N.m 出力力矩T=3.18，小于最大出力力矩=3.81 ，满足要求。

5 传感器

12 5.1 温度传感器对比

温度传感器的接触式特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以可方便地组成多路集中测量与控制系统。a 上面表分析，非接触时的对于1000摄氏度以下误差较大，应该采用接触式的温度传感器。其中，热敏电阻的铜的温度测量范围在-50~150℃，精度在0.1%~0.3%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲铜更加适合作为温度传感器。

5.2 机械位置传感器

支持直线运动的传动方式主要就是螺杆，和皮带两种，螺杆的精度比皮带高，载荷也大，但速度低一些。三维打印机的打印头基本不受力，对载荷没有要求，打印机的运动特点时，在水平两个方向上速度越快越好，在垂直方向上精度越高越好，速度无所谓(打完一层才动一次)。因此打印机的传动设计一般都是在水平方向使用皮带(同步带),垂直方向用螺杆。

5.3 压力传感器

压力传感器用于检测两个喷头分别对应的三原色颜料用量和粘剂的用量，还有固体粉末当使用情况检测。但物量不够的时候，反馈，提醒用户加入颜料、粘剂或粉末。对应以上表格，可以采用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。

6 3D打印机的优点及面临问题 6.1 3D打印机的优点

3D打印技术主要有以下优点：

1.制造快速 3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用[8]。

2.CAD/CAM技术的集成 快速成型技术集成CAD.CAM激光技术.数控技术.化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。

3.完全再现三维效果 经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。

4.材料种类繁多 到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。 5.创造显著的经济效益 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。

13 6.应用行业领域广 3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺术建筑工程等等都逐渐的使用3D打印技术，使得3D打印技术有着广阔的前景。

6.2 3D打印技术面临的问题

现在3D打印技术的精度约为0.1mm， 而且3D打印机本身的售价偏高，不过随着技术的进步和成本的降低，一台普通3D打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低。生物

3D打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的器官如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难于实现 ，一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内生物打印技术将成为一项标准技术。

当然，要实现3D打印技术的大规模使用还有不少挑战， 首先是打印材料，它根据打印商品的不同，需要各种特殊种类的金属塑料以及陶瓷等成本比较高 。

产权保护： 3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则 。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模而取决于创意。 然而单靠创意也不够，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品 。因此，竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短。

一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播，当然盗版也会变得更加猖獗。 当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网上流传时，其知识产权的拥有者会失去更多。因此人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈，并且随着开源软件新的非商业模式的出现，3D打印技术需要比目前更加严谨还是更加宽松的法规还有待验证。 税务问题：过去税务局海关对交易征税都是基于商品的价值。如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和耗材，从网上下载设计文件，自行打印出所需的物品，那么传统的征税模式将难以为继 ，未来的税基将很可能从增值税消费税转向个人所得税和营业税。