碩士生金屬3D打印斯特林發(fā)動機模型，使用3DXpert增長增材制造經(jīng)驗

導(dǎo)讀：賓夕法尼亞州立大學(xué)與3D Systems合作，通過動手實踐增加學(xué)生從設(shè)計到后期處理的增材制造經(jīng)驗。

△金屬3D打印斯特林發(fā)動機運行視頻

面臨的挑戰(zhàn)
建立實習(xí)車間，使學(xué)生能夠使用專業(yè)但易上手的軟件工具獲得增材制造經(jīng)驗

解決方案
采用3D Systems的3DXpert®（一站式增材制造軟件）和ProX®DMP 320金屬3D打印機

使用成效

• 在一款軟件中靈活支持從CAD圖紙設(shè)計、準備工作到后期處理的整個增材制造流程
• 使用最初的CAD格式保持設(shè)計的完整性，無需轉(zhuǎn)換到STL
• 探索技術(shù)和工作流程中遇到的挑戰(zhàn)，完全控制整個增材制造工作流程，包括激光參數(shù)和打印策略
• 進行高度精準的3D打印，部件重量減輕了40%-70%，裝配步驟減少了20%-45%
• 將后期處理需求降至最低
  

賓夕法尼亞州立大學(xué)是世界領(lǐng)先的從事增材制造研究和教育的高等院校之一，提供很有特色的增材制造與設(shè)計工程碩士（MEng AMD）項目。該項目的特色之一是它不僅招收全日制學(xué)生，還招收在職工程師，后者用過賓夕法尼亞州立大學(xué)世界校區(qū)（網(wǎng)絡(luò)虛擬校區(qū)）在線完成學(xué)習(xí)。為幫助學(xué)生成為技術(shù)專家將其所學(xué)的增材制造知識用于實踐，該項目將多學(xué)科理論知識與親身實踐相結(jié)合，學(xué)生們可在賓夕法尼亞州立大學(xué)增材制造車間獲得實踐經(jīng)驗。所有學(xué)生都必須接受實驗室課程，學(xué)習(xí)從設(shè)計到后期處理的整個增材制造工作流程，獲得相關(guān)經(jīng)驗，而且參加該項目的大多數(shù)學(xué)生都在為行業(yè)領(lǐng)先的打算進軍增材制造領(lǐng)域的企業(yè)工作。

“為實驗室課程選擇合適的教學(xué)道具真的挺難的，”Timothy W. Simpson教授說道，他是增材制造與設(shè)計碩士項目主任兼創(chuàng)新金屬加工-直接數(shù)字化沉積中心（CIMP-3D）的聯(lián)合主任�！耙环矫�，我們希望學(xué)生能夠體驗到他們將來工作會用到的最專業(yè)的軟件工具，獲得良好的實際動手經(jīng)驗。另一方面，這些軟件工具必須非常容易學(xué)習(xí)和使用，因為學(xué)生在學(xué)校呆的時間很有限，”Simpson補充道。

“我們發(fā)現(xiàn)3DXpert教學(xué)版軟件是最合適的教學(xué)軟件，它能夠教會學(xué)生如何準備和優(yōu)化用于打印的3D CAD模型，”賓夕法尼亞州立大學(xué)機械工程助理教授Guha Manogharan說道，他負責(zé)教授實驗室實踐課程�！罢n程老師和學(xué)生都對3DXpert的功能和易用性印象深刻，”Manogharan補充道。

         

賓夕法尼亞州立大學(xué)MEng AMD項目的學(xué)生將重新設(shè)計過的3D打印版斯特林發(fā)動機模型與原版模型進行比較。

增材制造實踐：從概念到工作模型
我們的實驗室課程項目之一是打印一個用金屬制成的斯特林發(fā)動機，采用增材制造提高現(xiàn)有的功能裝配模擬真實世界的發(fā)動機功能。由于時間限制，學(xué)生們掃描了一些運行中的斯特林發(fā)動機模型，使用逆向工程技術(shù)作為其學(xué)習(xí)起點而非從頭開始。通過的標準是觀察學(xué)生是否能夠獲得一個能夠正常運行的模型，其轉(zhuǎn)速RPM（每分鐘速率）等參數(shù)能夠比得上原始模型甚至更為優(yōu)越，同時還要整合增材制造的優(yōu)勢，比如零部件更為牢固，重量更輕等。學(xué)生必須使用不同速度和等級的激光來進行后期處理，對不同體積的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行金屬增材制造設(shè)計和生產(chǎn)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)增材制造實驗室實踐課程概要
學(xué)生Joseph Fisher、Ryan Henderson、Adnen Mezghani、Nicholas Nace和Nate Watson完成了該項目的下述流程：
1.對一臺運行中的斯特林模型進行掃描，且/或使用一臺坐標測量機（CMM）進行逆向工程操作。
2.將數(shù)據(jù)上傳到CAD軟件進行處理和設(shè)計更改。
3.將原始CAD數(shù)據(jù)（邊界表示模型）導(dǎo)入到3DXpert。
4.進行打印可行性分析，使用3DXpert進行打印準備工作。
5.使用一臺塑料3D打印機進行CAD模型原型打印，確保其標稱和組件功能都是精準的，且很好地體現(xiàn)了3D打印概念。
6.使用3DXpert對CAD模型進行設(shè)計和優(yōu)化，以便進行3D金屬打�。�

• 進行打印可行性分析。
• 添加要在后期處理過程中移除的材料（機加工偏置）。
• 設(shè)置最佳的零部件打印方向。
• 使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)減少材料使用量，增加美學(xué)效果。
• 設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，消除變形。
• 為零部件添加標簽。
• 設(shè)置打印參數(shù)。
• 將多個零部件在托盤進行排版布局。
• 發(fā)送到打印機。
  

7.使用位于賓夕法尼亞州立大學(xué)CIMP-3D實驗室的3D Systems ProX DMP 320打印機，采用鈦金屬（Ti6Al4V）和不銹鋼（316L）材料打印優(yōu)化后的模型。
8.進行所需的后期處理操作，完成每個增材制造部件的制作。
9.組裝斯特林發(fā)動機部件。
10.檢查部件確保其滿足所需的設(shè)計目的。
11.運行發(fā)動機，檢查運行結(jié)果，將增材制造模型與原始模型進行對比。

使用3DXpert重新設(shè)計的熱交換器

使用3DXpert重新設(shè)計的網(wǎng)格基座

項目成果
該項目讓學(xué)生清楚了解到增材制造設(shè)計工作（DfAM）的重要性，并學(xué)會如何在打印之前設(shè)計和優(yōu)化模型。在設(shè)計階段，學(xué)生能感受到加入增材制造后帶來的變化，也能體會到不同的設(shè)計對后期處理的影響。

△金屬3D打印斯特林發(fā)動機運行視頻

所有團隊都達到了該課程的通過標準，使用的零部件數(shù)量降低，大幅減少了發(fā)動機的體積和重量，且極大地提高了發(fā)動機零部件的穩(wěn)固性。盡管學(xué)生時間有效無法對項目進行進一步優(yōu)化，且后期處理經(jīng)驗很少甚至近乎于無，但他們還是能夠取得了很好的表現(xiàn)，新模型相較原始模型重量更輕，使用的零部件更少，且裝配步驟也少。我們的團隊將所用零部件數(shù)量降低了45.8%，重量減少了43.3%。第二個團隊將零部件數(shù)量減少了21.8%，但重量減少了71.6%。

斯特林發(fā)動機模型 1
原始參數(shù)	新設(shè)計參數(shù)	差異
55個部件	43個部件	-21.8%
141 cm3	40 cm3	-71.6%

斯特林發(fā)動機模型2
原始參數(shù)	新設(shè)計參數(shù)	差異
59個部件	32個部件	- 45.8%
300 cm3	170 cm3	- 43.3%

對學(xué)生而言，在真實場景中重新設(shè)計增材制造零部件是一個很棒的學(xué)習(xí)體驗。體驗了整個增材制造工作流程后，學(xué)生能夠了解到增材制造軟件中不同功能的重要性。
  “學(xué)生們深深地被3DXpert軟件的新功能迷住了，因為它融合了所有設(shè)計、優(yōu)化和制造功能�！�

——Guha Manogharan，賓夕法尼亞州立大學(xué)機械工程助理教授

他進一步補充道，學(xué)生們尤為關(guān)注軟件的下述功能：

• 能夠自由使用基礎(chǔ)版CAD格式（例如STEP或IGES），直接應(yīng)用網(wǎng)格到模型上，這是一個很大的優(yōu)勢。最重要的是，他們還可自行進行某些更改工作，無需從頭開始建模。
  

• 能夠建立支撐結(jié)構(gòu)并對其進行控制，取得想要的結(jié)果，例如將后期處理需求最小化，減少關(guān)鍵面的支撐需求。
  

隨著大家對增材制造專業(yè)知識的需求越來越多，參加該碩士項目的學(xué)生人數(shù)也不斷增加，賓夕法尼亞州立大學(xué)將繼續(xù)在其課程中使用3DXpert軟件。