摘要：科技的進步催生了越來越多先進制造技術，3D打印是近年來發展很快的一種新技術，因其快速成型特點被廣泛應用于制造業各領域。高等職業院校機械設計與制造專業畢業設計是一個重要的教學環節，要求學生設計并制造產品。受課時和設備所限，制造環節往往被省略，3D打印技術能幫助學生實現產品設計與快速制造的有機結合。文章就基于3D打印技術的機械設計與制造專業畢業設計一體化應用展開了論述。

關鍵詞：3D打印；畢業設計；機械設計與制造一體化

甘肅機電職業技術學院是一所以工科專業為主的高等職業院校，歷年來，機械設計與制造專業的畢業設計選題主要有帶式齒輪泵、套筒類零件、注塑模設計與制造、逆向零件設計與加工等。對學生而言，畢業設計是對三年所學專業知識的梳理與總結，其重要性不言而喻，然而，長期以來，受實訓設備等因素的限制，學生在進行畢業設計時往往只借助CAD/CAM軟件完成產品參數設計、實體造型、加工工藝編制及數控編程等環節，涉及實際加工的部分無法完成。畢業設計環節的缺失，極大地影響了教學效果，妨礙了學生創新能力的拓展。3D打印技術無需模具、裝夾具、刀具等，能實現產品快速成型和個性化定制，目前主要用于航天航空、醫療教育等領域。2016年以來，學校根據裝備制造業發展前景，適時投入大量資金采購了門類齊全的3D打印設備，包括塑料打印機、光敏樹脂打印機、金屬打印機等，硬件的升級為教學方式的變革提供了堅實的物質保障。

13D打印關鍵技術

機械制造及其自動化畢業設計、1.1正向建模技術

正向建模技術是把設計人員大腦中構建的零件，依照外部結構、材質、顏色等主要特征，運用各種常用CAD/CAM軟件(如AutoCAD、Solidworks、UG、Creo等)設計虛擬產品的整個過程。是最常用的傳統建模方法。依據其建模思想，通常將正向建模分為實體建模、曲面建模和參數化建模三種。

1.1.1實體建模

實體建模是指通過數學上定義的幾何信息和位相數據展現三維形狀的建模方式，最常用的是邊界描述法(用點、線、面的連接關系及面的位置關系表示)和構造實體幾何法(用幾何形狀之間的和、差、交等邏輯運算表示)。實體建模一般應用于在產品外形較規則的場合，有明確的零件尺寸，能通過數學計算得到各尺寸，還可以通過定義實際使用的材料計算質量、重力等屬性，并進行工程需求的分析。

1.1.2曲面建模

機械設計畢業設計。曲面建模是指通過定義曲面(多為NURBS曲面、Polygon多邊形曲面或Subdivision細分曲面)生成其外形的一種模型建立方式。相對實體建模而言，這種建模方式只需得到零件的表面信息，同時可以隨意改變零件表面的精度，不用考慮對零件外形的影響。其缺點是無法反映零件的重量、厚度等物理特性，只能應用于偏重外觀的工業設計、動畫角色模型設計等。

1.1.3參數化建模

參數化建模側重于特征的創建，原理是通過特征表面約束、形狀位置關系約束、尺寸之間對應關系的約束，將模型中的各類定量信息參數化，通過調整參數值控制幾何形狀變化。目前主流的CAD/CAM軟件，如UG、Creo等的建模方式都在朝著這一方向發展。

1.2逆向工程建模

在產品研發初期，很多復雜零件因包含了大量自由曲面，基本無法通過正向建模法建立數學模型。通常來說，這類零件的建模需要以實物為參考，通過仿照外形、改造曲面等方式完成，整個造型過程包括實物模型仿形掃描、CAD模型重構、實物加工等過程，該過程被稱為逆向工程。逆向工程由產品數字化、數據編程處理、生成曲線曲面和模型重新設計等階段構成。工程人員先應用三維掃描儀對現有產品進行全面掃描，得到產品的離散數據(曲面點、線等信息)，再應用逆向重建軟件進行數據預處理，通過曲面擬合、切割、重建等將建模過程轉變為正向建模，最后通過常用的二維和三維專用軟件對曲面進行處理和優化，得到最終的模型。在逆向生成三維模型數據過程中涉及兩個重要的技術，一個是3D掃描技術，一個是曲面重構技術。

機械設計pdf、1.3三維掃描技術

當前最流行的產品設計方法中都有三維掃描技術的身影，三維掃描技術可用于各行業的產品設計，包括飛機制造業、航空航天、汽車、模具制造、鑄造行業、玩具制造業等。特別是汽車、飛機、玩具等領域。現實生活中，并不是所有的工業產品都是通過正向建模使用CAD軟件設計的，特別是一些不標準的產品，在很多情況下常常采用無尺寸設計，先通過快速成形方法做出手工模型，再采用三維掃描儀進行三維數據采集，最后通過各種計算機輔助設計和工藝規劃軟件接口完成產品的建模、數據修改、優化、試制等過程。例如，從一輛汽車誕生開始，三維數字化技術就已被帶入這個流程體系，可以輕松生成用于造型評估的油泥模型以及標的車型的三維數據[1]。

23D打印機的種類

2.1按照打印產品的尺寸分類

按照3D打印產品的尺寸，可以將其分成桌面級3D打印機和工業級3D打印機。工業級3D打印機一般比較大，能實現較大尺寸的產品打印，用于工業產品的生產。桌面級打印機因其擁有較小的尺寸，對布置場所要求較低，可以放置在桌子上進行產品的打印，以FDM成型原理居多，主要用于較小零部件的日常設計使用。同時，這種打印機簡單輕便，很受設計師的歡迎，他們會購置3D打印機印證自己的設計是否可行[2]。

機械設計經典案例，2.2按照打印機的成型原理分類

按照3D打印機的成型原理，可以將其分為SLA光固化打印機、3DP三維打印機、FDM熔融沉積打印機、SLS選擇性激光燒結打印機、DED多層激光熔覆打印機、LOM分層實體制造打印機等。

2.3按照打印機打印噴頭的數量分類

按照3D打印機打印噴頭的數量，可以將其分為單頭打印機、雙頭打印機和多頭打印機。這種分類方式依據的是FDM的工藝特點——將打印材料(塑料、尼龍等)通過噴頭擠出，再一層一層進行累積，完成產品的生產。現在使用的FDM打印機以單頭打印機居多，雙頭、多頭的較少，主要原因是單噴頭的精度較高。

3畢業設計與3D打印的結合

機械設計濮良貴第十版？如何將3D打印融入機械設計與制造專業畢業設計是文章的核心問題。1)學生根據畢業設計任務書進行文獻檢索、課題論證，以及產品基礎數據的計算。2)借助UG、Creo、soildworks等CAD軟件完成產品二維圖紙的繪制和三維實體造型；產品實物則通過CAM軟件進行實體切片，轉換數據格式，3D打印機快速增材制造完成。一體化應用的過程，使學生體驗到了產品“設想—設計—仿真驗證—修改方案—產品加工”的全過程，很好地激發了學生的學習熱情，調動了其參與的積極性，真正達到了畢業設計的效果。用3D打印輔助畢業設計，能使學生了解3D打印的基本理論和基本知識，初步掌握3D打印的模型數據處理、打印參數設置、支撐設定，并掌握合理安排打印工藝路線及后處理等方面的能力[3-4]。

4畢業設計應用實例

文章以2019屆機械設計與制造專業畢業設計——帶式齒輪泵的結構設計與制造為例，研究其應用過程。

4.1設計要求

該齒輪泵要求設計使用年限20年，工作制為三班倒，每年工作160d，理論排量108mL/r，工作介質軸承油110mm2/s，額定壓力5.0MPa。

機械設計項目實例、4.2設計內容

4.2.1結構設計

分析設計參數、要求，制定工藝方案，確定主要零件結構形式，初定裝置外形尺寸，繪制總裝圖(包括裝配圖、編寫明細表等)，繪制所有零件圖，編制主要零件的機械加工工藝規程。

4.2.2計算機輔助設計

使用AutoCAD軟件繪制總裝圖及零件圖，并打印；使用UG、Pro/E軟件設計三維裝配圖，生成二維工程圖并進行標注。

機械制造與機械設計有什么區別，4.2.3其他

根據三維實體造型圖，進行格式轉換(將Prt格式文件轉換為stl格式文件)，進行分層切片，設置打印機各項參數，3D打印帶式齒輪泵一套。

5結束語

文章針對機械設計與制造專業畢業設計存在輕視制造的問題，引入3D打印技術，很好地解決了該問題。實際案例表明，該方式激發了學生參與畢業設計的積極性與主動性，改善了學生的學習體驗，取得了良好的教學效果。該應用為機械類專業教學改革提供了一定的參考價值。

參考文獻：

[1]王小新.3D打印在塑料制品及模具設計課程教學中的應用探索[J].模具工業,2016(11):68-73.

[2]白鶴,陳濤.3D打印技術在高職機械教學中的實踐及應用技巧[J].電工技術,2018(10):97-98.

[3]豐章俊,符海建.3D打印技術在機械專業教學中的應用[J].廣東職業技術教育與研究,2017(1):31-33.

[4]王新琴.3D打印技術在高職機械類專業“創客”培養中的應用[J].勞動保障世界,2020(11):11-12.

作者:張宏樂 單位:甘肅機電職業技術學院