3D 打印快速成型虚拟仿真实验构建与应用论文

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摘   要：随着信息技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学领域已经有了广泛的应用，成为传统教学的有效补充。本文基于 3D 打印快速成型实验教学现状，开发完成“3D 打印快速成型虚拟仿真实验”教学项目。解决了该实验项目实验过程复杂、实 验器材昂贵、学生参与度低、实体教学实验难以开展的问题。

关键词：3D 打印 ；虚拟仿真实验 ；构建与应用
         【Abstract】： With the development of information technology, virtual simulation technology has been widely used in the field of experimental teaching and has become an effective complement to traditional teaching. Based on the present teaching situation of 3D printing rapid prototyping experiment, the teaching project of 3D Printing Rapid Prototyping Virtual Simulation Experiment is developed. It solves the problems of complicated experimental process, expensive experimental equipment, low participation of students, and difficult to carry out the solid teaching experiment.
         【Key words】： 3D printing;virtual simulation experiment;construction and application

          随着信息技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学领 域已经有了广泛的应用，成为传统教学的有效补充 [1]。 本文基于 3D 打印快速成型实验教学现状，根据《工业 设计综合实验》《先进制造技术》等课程的实验教学要 求，利用三维建模、人机交互、虚拟现实、智能网络等 技术，开发完成“3D 打印快速成型虚拟仿真实验”教 学项目。解决了该实验项目实验过程复杂、实验器材昂 贵、学生参与度低、实体教学实验难以开展的问题 [2]。 结合了虚拟仿真技术的实验教学，让学生在开放、自主、 交互的虚拟环境中，安全、经济、高效地进行实验，取得良好的教学效果 [3]。


1 3D 打印快速成型实验教学现状

1.1 实验条件受限

         3D 打印快速成型实验是工业设计专业的必修课，开设班级众多，给实验教学的安排带来了巨大的压力 [4]。一方面，开课班级多导致实验教学设备使用紧张。如果 班级每位学生都进行实验操作，则实验设备安排不过来 ； 如果选择分组实验，则无法保证所有学生参与到实验操 作中，实验效果不理想。另一方面，实验场地也存在诸 多限制，实验场地面积有限。难以容纳所有学生同时进 行实验，只能分批进行，影响了实验教学的效果 [5]。

1.2 实验成本高昂

         3D 打印快速成型实验中部分工艺的实验成本高昂， 现有 3D 打印技术中如立体光固化、选择性激光烧结等 工艺的材料成本和设备成本高昂 [6]。其中立体光固化工艺中的光敏树脂材料平均价格为每克 2 ～ 10 元。当模 型重量增加时，实验成本也随之增加，学生往往难以承 受。选择性激光烧结工艺更是以小时计算实验成本，包 括后期设备的维护和保养，叠加起来，成本高昂，从而 限制了实验教学工作的开展 [7]。

2 虚拟仿真实验教学目的

         将虚拟仿真技术运用于 3D 打印快速成型实验教学， 在计算机中仿真模拟实际 3D 打印快速成型制造过程。 使学生直观、快捷地掌握 3D 打印快速成型制造的基本 流程与方法，了解不同 3D 打印工艺的工艺原理和适用 范围 [8]。为掌握工业产品快速成型技术奠定理论基础， 培养操作技能。结合了虚拟仿真技术的实验教学，一方 面解决了该实验项目实验过程复杂、实验器材昂贵、学生参与度低、实体教学实验难以开展的问题 [9]。另一方 面，有利于培养学生严谨求实的科学态度和独立动手的 工作能力 ；有利于帮助学生理解、掌握和运用理论知识 ； 有利于学生发展观察思考与创新设计等能力，增强就业 竞争力。


3 虚拟仿真实验教学管理和共享平台

         本虚拟仿真实验项目在开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台上运行，实验项目初始界面如图 1 所示。 教师可利用该平台在网上安排学生预习、指导学生实验 和批改实验报告。学生可利用该平台在网上进行选课、 预习、自主测试、自主设计实验以及撰写和提交实验 报告。平台中的教学管理系统提供一体化的教学过程管 理。学生需在理论学习之后，熟悉相关设备操作规程和实验安全要点，才能进入虚拟仿真实验室进行实验，如 图 2 所示。


4 虚拟仿真实验项目构建

         3D 打印技术，又称快速成形技术。它是一种以数 字模型文件为基础，运用塑料、石膏或金属粉末等材料， 通过逐层叠加的方式来构造实体模型的技术。“3D 打印 快速成型虚拟仿真实验”包含两个独立的实验项目 ：立 体光固化快速成型实验和熔融沉积快速成型实验。

4.1 立体光固化快速成型实验

         本实验通过 Flash AS3.0 交互 +3D 组合平台技术， 模拟从“模型前处理”到“快速成型”再到“模型后期 处理”的整套 3D 打印工艺流程，演示了立体光固化快 速成型工艺进行“扳手模型”制作的过程。

         立体光固化快速成型作为最早发展起来的快速成型 技术，具有成型效率高、精度高、系统稳定等特点。其 原理为利用材料累加成型的方法，以液态光敏树脂为原 料，通过控制紫外光束扫描液态光敏树脂，使其有序 固化成型，形成实体模型，材料利用率接近 100％。本 次实验使用设备为 3D System Projet-5000 快速成型 机，采用喷射固化成型技术。喷射固化成型作为光固化 成型技术的一种新技术，其成型原理如下 ：使用阵列式 喷头，在计算机控制下，喷嘴工作腔内的液态光敏树脂 瞬间形成液滴，在压力作用下液滴喷射到基底的指定 位置，并立即使用紫外线将其固化，薄层聚集在打印 平台上，形成精确的 3D 模型或零件，其层分辨率可达 16μm，精度可达 0.01mm。在悬垂部分或形状复杂需要支撑的部位，打印设备喷射石蜡材料作为支撑。成型 结束后通过“失蜡法”去除。立体光固化快速成型虚拟 仿真实验分为三个过程 ：前处理过程、成型过程和后处 理过程。前处理过程包含模型建立、导入模型、模型调 节、分层切片等步骤，成型过程即为模型打印过程，系 统会根据切片数据自动打印模型。后处理过程包含冰柜冷冻、烘箱加热、油浴去蜡、水浴清洗等步骤。每个实 验过程及步骤都在虚拟仿真实验室里进行，操作者需要 严格遵守设备安全使用规定。操作不当或有安全问题 时，系统会提醒、提示，直至完成规范操作。立体光固 化快速成型实验界面如图 3 所示。


4.2 熔融沉积快速成型实验

          本实验通过 Flash AS3.0 交互 +3D 组合平台技术，模 拟从“模型前处理”到“快速成型”再到“模型后期处理”的整套 3D 打印工艺流程，演示了熔融沉积快速成 型工艺进行“扳手模型”制作的过程。
熔融沉积快速成型工艺作为应用最广泛的快速成型 工艺之一，具有材料利用率高、材料成本低、可选材料 种类多和工艺简单等优点。本次实验使用设备为宝岩 HOFI X2 型桌面式 3D 打印机，其成型原理如下 ：将丝 状的热塑性材料按特定温度融化，使材料始终保持液体 状态，通过挤出头匀速挤出。在成型数据的控制下，有 选择的沉积在工作平台上，沉积后立即冷却并固化。当 完成一层截面的沉积后，成型平台移动预设分层高度， 继续沉积过程。如此重复，层层堆积完成实体模型。 熔融沉积快速成型虚拟仿真实验分为三个过程 ：前处理 过程、成型过程和后处理过程。前处理过程包括模型建 立、导入模型、模型调节、分层切片等步骤。成型过程 即为模型打印过程，系统会根据切片数据自动打印模 型。后处理过程包括去除支撑材料、模型打磨等步骤。

          每个实验过程及步骤都在虚拟仿真实验室里进行，操作 者需要严格遵守设备安全使用规定。操作不当或有安全 问题时，系统会提醒、提示，直至完成规范操作。熔融 沉积快速成型实验界面如图 4 所示。


5 虚拟仿真实验教学效果

          将虚拟仿真技术应用于实验教学，创设基于模拟情 境、自主学习的实验教学方法。学生可根据实验要求， 自主选择实验时间和实验方案，从而获得一个宽松的思维和想象的空间。通过自主选择，自主设计实验，充 分调动了学生实验、实践的积极性和主动性。变教师主 导为学生自主 ；变教师灌输为启发、讨论和互动 ；变机 械式完成实验过程为研究、探索和合作。建立了符合学 生认知规律的教学程序，使学生由浅入深、由简单到综 合，逐步认识、理解和掌握工业产品快速成型方法和操 作技能，取得了良好的教学效果。

参考文献

[1] 武泽慧,曹皓洋,刘玮.三维动画技术在机电产品展示中的应 用研究[J].包装与设计,2021(4):108-109.
[2] 刘玮,王琦,王博.三维动画技术在3D打印机产品展示设计中 的应用研究[J].产业科技创新,2020,2(19):41-42.
[3] 崔庆旭,刘玮.3D打印机产品开发策略研究[J].艺术科技,2019, 32(4):28-29.
[4] 吴梦真,郁舒兰,黄琼涛,等.基于Unreal Engine 4的家居虚 拟展示技术研究[J].家具,2017,38(2):64-67.
[5] 郁舒兰,孙昊夫.家居类实验课程体系交互教学模式研究与 实践[J].家具,2018,39(2):87-89.
[6] 刘俊哲,高洋.基于参数化的个性3D打印产品设计研究[J].包 装工程,2021,42(16):22-28+71.
[7] 张会,徐伟,詹先旭.智能家居背景下智能家具的发展现状与 趋势[J].林业机械与木工设备,2020,48(4):8-10+21.
[8] 杨跃倩,徐伟.木制品漆膜测干器具的结构改良设计[J].林业 机械与木工设备,2021,49(3):44-47.
[9] 缪冬昕,郁舒兰.可视化工具对比分析:以地理信息可视化功 能为例[J].艺术科技,2019,32(3):68-69.

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