《工程材料及成形工艺基础》教案 第十章 3D打印成形技术.docx

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课题

第十章3D打印成形技术

课时

4课时(180min)

教学目标

知识目标:

(1)掌握3D打印的原理、实现过程和特点

(2)掌握3D打印的主要工艺

(3)了解3D打印的应用和发展趋势

素养目标:

培养优化意识,持续提升个人能力

教学重难点

教学重点:3D打印的原理、实现过程和特点,3D打印的主要工艺,3D打印的应用和发展趋势

教学难点:掌握3D打印的主要工艺

教学方法

情景模拟法、问答法、讨论法

教学用具

电脑、投影仪、多媒体课件、教材

教学过程

主要教学内容及步骤

考勤

【教师】使用APP进行签到

【学生】班干部报请假人员及原因

问题导入

【教师】提出问题:

什么是3D打印技术?其原理是什么?

【学生】聆听、思考、回答

传授新知

【教师】通过学生的回答,引入新知,讲解3D打印的基本原理、主要工艺、应用和发展趋势等知识

3D(3Dimensions)打印是基于离散-堆积原理,由零件三维数据模型驱动,采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。相对于传统的“自上而下”去除材料的加工技术,3D打印是一种“自下而上”的制造方法,所以又称增材制造(AM,AdditiveManufacturing)。

3D打印的概念最早可以追溯到19世纪,J.E.Blanther在专利中提出用堆叠系列蜡片的方法来制作三维地貌图的地图模型。1984年,CharlesW.Hull在UVP公司的支持下,完成了一个能自动制造零件的系统,称为光固化3D打印。1988年,美国3DSystems公司推出了第一台现代商用3D打印机——SLA-250,标志着3D打印机商用化的开始。

……(详见教材)

第一节3D打印的基本原理

一、3D打印的原理

【教师】利用多媒体展示“3D打印原理图”图片(详见教材),并进行讲解

3D打印技术是基于离散-堆积原理的累加式打印,如图所示。

【教师】播放“3D打印原理”视频(详见教材),并提出以下问题:

请谈谈你对3D打印原理的了解?

【学生】观看、思考、举手回答

【教师】总结学生回答

3D打印时,零件的三维数据模型通过特定的数据格式存储、转换,并由专用软件对其进行切片离散,得到各层截面的二维轮廓信息。计算机按照二维轮廓信息自动生成加工路径,在控制系统的控制下,层层累积打印材料,形成各个截面轮廓薄片,并逐步按顺序叠加成三维实体,最后进行适当的后处理,获得目标零件。

【教师】随机邀请学生回答以下问题:

传统的“去材加工”有哪些缺点?

【学生】聆听、思考、回答

【教师】总结学生的回答

传统的“去材加工”是在做“减法”,通过车、铣、磨等工艺将不需要的地方去掉,但会存在着“伸不进、够不着”的问题,因此在加工复杂形状的产品时较为困难,而且切削下来的材料也被浪费了,降低了材料的利用率。

二、3D打印的实现过程

【教师】利用多媒体展示“3D打印实现过程图”图片(详见教材),并进行讲解

3D打印实现的基本过程包括前处理、逐层打印和后处理三个阶段。其中,前处理又可以分为构建三维CAD模型、模型的近似处理、分层处理和生成数控代码四个步骤,如图所示。

(一)构建三维CAD模型

3D打印系统需要接受计算机构建的三维CAD模型,然后才能进行模型分层和材料逐层叠加。构建产品的三维CAD模型有以下三种方法。

(1)应用三维CAD软件根据产品要求设计三维模型。

(2)将已有产品的二维图转成三维模型。

(3)用扫描设备对已有产品进行扫描,通过数据重构得到三维模型(即反求工程)。

(二)模型的近似处理

由于产品上往往有一些不规则的自由曲面,加工前必须对其进行近似处理。最常用的方法是用一系列小三角形平面来逼近自由曲面。每个小三角形用三个顶点坐标和一个法向量来描述。三角形的大小是可以选择的,从而得到不同的曲面近似程度。经过上述近似处理的三维模型文件称为STL文件,它由一系列相连的空间三角形组成。

(三)分层处理

分层处理即三维模型的Z向离散化。将CAD模型根据有利于零件堆积制造的方位,沿成形高度方向(Z方向)分成一系列具有一定厚度的薄片,提取截面的轮廓信息。层片之间间隔的大小按精度和生产率要求选定,间隔越小,精度越高,成形时间越长。

(四)生成数控代码

根据层片几何信息,生成层片加工代码,用于控制打印机的运动。

(五)逐层打印

在计算机的控制下,根据生成的数控指令,系统中的成形头(如激光扫描头或喷头)在X-Y平面内按截面轮廓进行扫描,固化液态树脂(或切割纸、烧结粉末材料、喷射热熔材料等),从而堆积出当前的一个层片,并将当前层与已叠加好的零件部分黏合。然后,成形机工作台面下降一个层厚的距离,再堆积新的一层。如此反复进行,直到整个零件加工完毕。

(六)后处理

对打印完成的工件进行处理,

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