摘要：科技的进步催生了越来越多先进制造技术，3D打印是近年来发展很快的一种新技术，因其快速成型特点被广泛应用于制造业各领域。高等职业院校机械设计与制造专业毕业设计是一个重要的教学环节，要求学生设计并制造产品。受课时和设备所限，制造环节往往被省略，3D打印技术能帮助学生实现产品设计与快速制造的有机结合。文章就基于3D打印技术的机械设计与制造专业毕业设计一体化应用展开了论述。
关键词：3D打印；毕业设计；机械设计与制造一体化
甘肃机电职业技术学院是一所以工科专业为主的高等职业院校，历年来，机械设计与制造专业的毕业设计选题主要有带式齿轮泵、套筒类零件、注塑模设计与制造、逆向零件设计与加工等。对学生而言，毕业设计是对三年所学专业知识的梳理与总结，其重要性不言而喻，然而，长期以来，受实训设备等因素的限制，学生在进行毕业设计时往往只借助CAD/CAM软件完成产品参数设计、实体造型、加工工艺编制及数控编程等环节，涉及实际加工的部分无法完成。毕业设计环节的缺失，极大地影响了教学效果，妨碍了学生创新能力的拓展。3D打印技术无需模具、装夹具、刀具等，能实现产品快速成型和个性化定制，目前主要用于航天航空、医疗教育等领域。2016年以来，学校根据装备制造业发展前景，适时投入大量资金采购了门类齐全的3D打印设备，包括塑料打印机、光敏树脂打印机、金属打印机等，硬件的升级为教学方式的变革提供了坚实的物质保障。
13D打印关键技术
1.1正向建模技术
正向建模技术是把设计人员大脑中构建的零件，依照外部结构、材质、颜色等主要特征，运用各种常用CAD/CAM软件（如AutoCAD、Solidworks、UG、Creo等）设计虚拟产品的整个过程。是最常用的传统建模方法。依据其建模思想，通常将正向建模分为实体建模、曲面建模和参数化建模三种。
1.1.1实体建模
实体建模是指通过数学上定义的几何信息和位相数据展现三维形状的建模方式，最常用的是边界描述法（用点、线、面的连接关系及面的位置关系表示）和构造实体几何法（用几何形状之间的和、差、交等逻辑运算表示）。实体建模一般应用于在产品外形较规则的场合，有明确的零件尺寸，能通过数学计算得到各尺寸，还可以通过定义实际使用的材料计算质量、重力等属性，并进行工程需求的分析。
1.1.2曲面建模
曲面建模是指通过定义曲面（多为NURBS曲面、Polygon多边形曲面或Subdivision细分曲面）生成其外形的一种模型建立方式。相对实体建模而言，这种建模方式只需得到零件的表面信息，同时可以随意改变零件表面的精度，不用考虑对零件外形的影响。其缺点是无法反映零件的重量、厚度等物理特性，只能应用于偏重外观的工业设计、动画角色模型设计等。
1.1.3参数化建模
参数化建模侧重于特征的创建，原理是通过特征表面约束、形状位置关系约束、尺寸之间对应关系的约束，将模型中的各类定量信息参数化，通过调整参数值控制几何形状变化。目前主流的CAD/CAM软件，如UG、Creo等的建模方式都在朝着这一方向发展。
1.2逆向工程建模
在产品研发初期，很多复杂零件因包含了大量自由曲面，基本无法通过正向建模法建立数学模型。通常来说，这类零件的建模需要以实物为参考，通过仿照外形、改造曲面等方式完成，整个造型过程包括实物模型仿形扫描、CAD模型重构、实物加工等过程，该过程被称为逆向工程。逆向工程由产品数字化、数据编程处理、生成曲线曲面和模型重新设计等阶段构成。工程人员先应用三维扫描仪对现有产品进行全面扫描，得到产品的离散数据（曲面点、线等信息），再应用逆向重建软件进行数据预处理，通过曲面拟合、切割、重建等将建模过程转变为正向建模，最后通过常用的二维和三维专用软件对曲面进行处理和优化，得到最终的模型。在逆向生成三维模型数据过程中涉及两个重要的技术，一个是3D扫描技术，一个是曲面重构技术。
1.3三维扫描技术
当前最流行的产品设计方法中都有三维扫描技术的身影，三维扫描技术可用于各行业的产品设计，包括飞机制造业、航空航天、汽车、模具制造、铸造行业、玩具制造业等。特别是汽车、飞机、玩具等领域。现实生活中，并不是所有的工业产品都是通过正向建模使用CAD软件设计的，特别是一些不标准的产品，在很多情况下常常采用无尺寸设计，先通过快速成形方法做出手工模型，再采用三维扫描仪进行三维数据采集，最后通过各种计算机辅助设计和工艺规划软件接口完成产品的建模、数据修改、优化、试制等过程。例如，从一辆汽车诞生开始，三维数字化技术就已被带入这个流程体系，可以轻松生成用于造型评估的油泥模型以及标的车型的三维数据[1]。
23D打印机的种类
2.1按照打印产品的尺寸分类
按照3D打印产品的尺寸，可以将其分成桌面级3D打印机和工业级3D打印机。工业级3D打印机一般比较大，能实现较大尺寸的产品打印，用于工业产品的生产。桌面级打印机因其拥有较小的尺寸，对布置场所要求较低，可以放置在桌子上进行产品的打印，以FDM成型原理居多，主要用于较小零部件的日常设计使用。同时，这种打印机简单轻便，很受设计师的欢迎，他们会购置3D打印机印证自己的设计是否可行[2]。
2.2按照打印机的成型原理分类
按照3D打印机的成型原理，可以将其分为SLA光固化打印机、3DP三维打印机、FDM熔融沉积打印机、SLS选择性激光烧结打印机、DED多层激光熔覆打印机、LOM分层实体制造打印机等。
2.3按照打印机打印喷头的数量分类
按照3D打印机打印喷头的数量，可以将其分为单头打印机、双头打印机和多头打印机。这种分类方式依据的是FDM的工艺特点——将打印材料（塑料、尼龙等）通过喷头挤出，再一层一层进行累积，完成产品的生产。现在使用的FDM打印机以单头打印机居多，双头、多头的较少，主要原因是单喷头的精度较高。
3毕业设计与3D打印的结合
如何将3D打印融入机械设计与制造专业毕业设计是文章的核心问题。1）学生根据毕业设计任务书进行文献检索、课题论证，以及产品基础数据的计算。2）借助UG、Creo、soildworks等CAD软件完成产品二维图纸的绘制和三维实体造型；产品实物则通过CAM软件进行实体切片，转换数据格式，3D打印机快速增材制造完成。一体化应用的过程，使学生体验到了产品“设想—设计—仿真验证—修改方案—产品加工”的全过程，很好地激发了学生的学习热情，调动了其参与的积极性，真正达到了毕业设计的效果。用3D打印辅助毕业设计，能使学生了解3D打印的基本理论和基本知识，初步掌握3D打印的模型数据处理、打印参数设置、支撑设定，并掌握合理安排打印工艺路线及后处理等方面的能力[3-4]。
4毕业设计应用实例
文章以20机械设计与制造专业毕业设计——带式齿轮泵的结构设计与制造为例，研究其应用过程。
4.1设计要求
该齿轮泵要求设计使用年限20年，工作制为三班倒，每年工作160d，理论排量108mL/r，工作介质轴承油110mm2/s，额定压力5.0MPa。
4.2设计内容
4.2.1结构设计
分析设计参数、要求，制定工艺方案，确定主要零件结构形式，初定装置外形尺寸，绘制总装图（包括装配图、编写明细表等），绘制所有零件图，编制主要零件的机械加工工艺规程。
4.2.2计算机辅助设计
使用AutoCAD软件绘制总装图及零件图，并打印；使用UG、Pro/E软件设计三维装配图，生成二维工程图并进行标注。
4.2.3其他
根据三维实体造型图，进行格式转换（将Prt格式文件转换为stl格式文件），进行分层切片，设置打印机各项参数，3D打印带式齿轮泵一套。
5结束语
文章针对机械设计与制造专业毕业设计存在轻视制造的问题，引入3D打印技术，很好地解决了该问题。实际案例表明，该方式激发了学生参与毕业设计的积极性与主动性，改善了学生的学习体验，取得了良好的教学效果。该应用为机械类专业教学改革提供了一定的参考价值。
参考文献：
[1]王小新.3D打印在塑料制品及模具设计课程教学中的应用探索[J].模具工业,2016(11):68-73.
[2]白鹤,陈涛.3D打印技术在高职机械教学中的实践及应用技巧[J].电工技术,2018(10):97-98.
[3]丰章俊,符海建.3D打印技术在机械专业教学中的应用[J].广东职业技术教育与研究,2017(1):31-33.
[4]王新琴.3D打印技术在高职机械类专业“创客”培养中的应用[J].劳动保障世界,2020(11):11-12.
作者:张宏乐 单位:甘肃机电职业技术学院
