摘要:开发了一个基于3D打印技术,将三维CAD设计、有限元分析、3D打印、逆向工程等先进技术相结合的综合性创新实验。以微型四旋翼飞行器机身的轻量化设计为目标,用三维CAD软件设计机身结构,通过ANSYS软件对机身结构进行有限元分析,利用3D打印制作出机身,使用手持三维扫描仪对打印的机身进行三维重构和精度分析。该创新实验培养了学生的工程设计思维、综合分析思维、数字化思维和创新意识,提高了学生的动手实践能力,取得了良好的教学效果。
关键词:3D打印;先进制造技术;创新实验
制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基[1]。在机械工程专业学生培养过程中,要注重培养学生的工程设计思维、综合分析思维、数字化思维和创新意识,提高学生的创新精神和综合实践能力。实践教学环节对学生的创新精神和综合技能培养有着非常重要的作用。在实践教学中,给予学生足够多的现场实践和综合性项目训练的机会,使学生熟练掌握专业基本技能,形成创新意识,以增强学生实践创新或进一步深造的后劲[2]。但是原有的实践教学环节多为单一的、验证性实验,与其他课程之间缺乏联系,实践教学效果满足不了当前社会对高素质工科综合性人才的需求。为此,很多高校根据自身专业特点开发了综合性创新实验[3-10]。新疆大学机械工程专业是教育部2019年首批部级一流本科专业建设点。随着“双一流”建设、“部区合建”的开展,新疆大学在科研平台建设方面取得了长足的进步。为了使科研平台建设成果服务于一流本科教育的创新实践环节,学院依托自治区重点实验室—新疆增材再制造技术重点实验室,开发了集3D打印、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、逆向工程技术为一体的综合性创新实验。该实验能够使学生更深入掌握相关的先进技术,提高学生的综合素质。
1创新实验的开发思路
1.1学情分析
学生在第七学期已经完成了机械设计、工程力学、计算机辅助设计、先进制造技术、计算方法及其应用等课程,掌握了相关技术的基本理论知识和相关设备的基本操作方法。学生对新技术非常感兴趣,但还没有机会系统地利用所学的理论知识和技能来解决工程实际问题。
1.2实验题目
根据实验所提供的微型四旋翼飞行器的主板、电动机、螺旋桨、电池、遥控器等全套配件,学生自行设计和3D打印出飞行器的机身,也可参考在网上搜索的无人机样式进行自主设计。教师根据装配后微型四旋翼飞行器升空高度和稳定性对学生的设计结果进行评价。
1.3实验目的
将CAD,CAE,3D打印、逆向工程等技术应用到微型四旋翼飞行器的设计与制作过程中,培养学生的工程设计思维、综合分析思维、数字化思维和创新意识,提高学生的创新能力和动手实践能力。图1为创新实验的流程图。
2结构设计
在创新实验中,机身结构设计的核心为轻量化设计,对学生采用哪种三维CAD软件无要求。学生在开始设计时对于减重、轻量化的概念理解不深,而“结实”是多数学生在设计中关注的因素。针对这种思维方式,教师在布置实验任务时并没有特别要求轻量化,先任由学生发挥。在整机装配完成试飞时,机身重量问题开始显现,微型四旋翼飞行器因太重飞不起来。这时再启发学生思考如何在保持强度的前提下减轻机身重量,即采用什么样的结构进行轻量化设计。学生在重新设计时就会考虑镂空、薄壁、加强筋等结构设计方案。结构设计可分为初步设计、试飞、轻量化设计三个阶段。学生分组完成创新实验,在创新实验的各个阶段都会发现一些问题,部分问题通过对结构修改来解决,多数小组会修改2~3次,少数发现问题较多的小组会修改4~5次。表1为3名学生第一次和第四次设计的机身3D打印后的质量对比,可以清楚地看出从“结实”到“轻盈”的转变。图2为表1中3名学生最终的机身结构设计结果,其中学生1用UGNX设计,学生2和学生3用SolidWorks进行设计。
3有限元分析
学生在完成计算方法及其应用课程的学习后,对有限元分析的基本理论知识已经有所了解,但还不清楚如何利用有限元法解决实际工程问题。此环节利用AYSYS软件对机身结构进行有限元分析,使学生掌握前处理、求解、后处理的过程,从工程分析角度对自己的设计进行系统分析,找出机身设计中的薄弱环节,为修改设计提供依据。图3为对一个机身进行应力分析的结果。
43D打印
采用桌面型FDM式3D打印机(HORIZ300)打印机身设计。学生除了进行模型布置、分层设置、支撑设置、参数设定等基本操作外,更重要的是要理解3D打印中的由点连成线、线连成面、面堆成体的动态过程,能够有效解决温度场导致的打印件变形这一共性问题,并理解支撑与打印精度、打印时间、材料消耗等的关系。对支撑分布、打印时间等通过分层软件进行比较,可以发现一些机身结构存在所需支撑多、打印时间长等问题。完成打印后还有少量机身会出现设计过于单薄、去除支撑后导致结构损坏的情况。针对这些情况,启发学生思考单喷头3D打印机在支撑方面存在的问题及其解决办法,使学生更清晰地认识双喷头3D打印机、水溶性支撑材料的优势。图4为表1中学生1在第一次和第四次设计完成的机身模型在分层软件中进行分层设置的情况。第一次设计的模型预计打印时间为2小时40分钟,第四次设计的模型预计打印时间为1小时43分钟。该生第三次设计的模型因过于追求“轻薄”,导致打印后去支撑时出现了两个支撑脚断裂,所以在第四次设计中又调整了支撑脚的厚度。从图4中可以看出,最终的机身设计与第一次的设计相比,结构更加巧妙、轻盈。将电动机座和支撑脚二合一,而且通过镂空、薄壁、加强筋等结构将重量减轻了约62%,打印时间缩短了近一个小时,实现了轻量化设计的目标。
5精度检测
机身形状不适合用接触式的三坐标测量仪检测,实验中采用了手持式三维扫描仪(3Dscan7XB)进行逆向重构和精度检测分析。此阶段通过对机身扫描和逆向重构,利用配套精度分析软件对打印的机身变形进行分析,使学生掌握非接触方式的精度检测方法。结合3D打印原理,学生对3D打印过程中的热变形及机身刚度方面存在的问题有了更为直接的认识。图5为机身的三维扫描和精度分析结果,变形结果以图形的方式展示,有利于学生更加直观地了解变形的特点。
6整机装配与试飞
将主板、电动机、螺旋桨、电池装在机身上,要注意两对螺旋桨的方向,有时会出现部分电机座的孔径小于电动机外径而无法装配的情况。在试飞时,可能会出现个别机身变形大、电机装配间隙不合适导致飞行器飞偏的情况。结合精度检测、3D打印工艺分析,对机身模型进行了修改,重新打印。图6为部分打印的机身及3个完成装配的微型四旋翼飞行器。
7结语
本文开发了一个将三维CAD设计、有限元分析、3D打印、逆向工程等先进技术相结合的综合性创新实验。通过微型四旋翼飞行器机身的轻量化设计、制作、精度分析、装配试飞等环节,将多门课程的内容有机结合,使学生能够综合应用学到的理论知识和实践技能来解决实际工程问题,培养了学生的工程设计思维、综合分析思维、数字化思维和创新意识,提高了学生的动手实践能力,取得了良好的教学效果。
作者:乌日开西•艾依提 阿依古丽•喀斯木 贾儒 单位:新疆大学机械工程学院