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

導讀：賓夕法尼亞州立大學與3D Systems合作，通過動手實踐增加學生從設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)
建立實習車間，使學生能夠使用專業(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格式保持設計的完整性，無需轉換到STL
• 探索技術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是世界領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生，還招收在職工程師，后者用過賓夕法尼亞州立大學世界校區(qū)（網(wǎng)絡虛擬校區(qū)）在線完成學習。為幫助學生成為技術專家將其所學的增材制造知識用于實踐，該項目將多學科理論知識與親身實踐相結合，學生們可在賓夕法尼亞州立大學增材制造車間獲得實踐經(jīng)驗。所有學生都必須接受實驗室課程，學習從設計到后期處理的整個增材制造工作流程，獲得相關經(jīng)驗，而且參加該項目的大多數(shù)學生都在為行業(yè)領先的打算進軍增材制造領域的企業(yè)工作。

“為實驗室課程選擇合適的教學道具真的挺難的，”Timothy W. Simpson教授說道，他是增材制造與設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?！耙环矫妫覀兿Ｍ麑W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習和使用，因為學生在學校呆的時間很有限，”Simpson補充道。

“我們發(fā)現(xiàn)3DXpert教學版軟件是最合適的教學軟件，它能夠教會學生如何準備和優(yōu)化用于打印的3D CAD模型，”賓夕法尼亞州立大學機械工程助理教授Guha Manogharan說道，他負責教授實驗室實踐課程。“課程老師和學生都對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MEng AMD項目的學生將重新設計過的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，使用逆向工程技術作為其學習起點而非從頭開始。通過的標準是觀察學生是否能夠獲得一個能夠正常運行的模型，其轉速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)格結構進行金屬增材制造設計和生產(chǎn)。

賓夕法尼亞州立大學增材制造實驗室實踐課程概要
學生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軟件進行處理和設計更改。
3.將原始CAD數(shù)據(jù)（邊界表示模型）導入到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模型進行設計和優(yōu)化，以便進行3D金屬打?。?br />

• 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）。
• 設置最佳的零部件打印方向。
• 使用網(wǎng)格結構減少材料使用量，增加美學效果。
• 設置支撐結構，消除變形。
• 為零部件添加標簽。
• 設置打印參數(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計目的。
11.運行發(fā)動機，檢查運行結果，將增材制造模型與原始模型進行對比。

使用3DXpert重新設計的熱交換器

使用3DXpert重新設計的網(wǎng)格基座

項目成果
該項目讓學生清楚了解到增材制造設計工作（DfAM）的重要性，并學會如何在打印之前設計和優(yōu)化模型。在設計階段，學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)	新設計參數(shù)	差異
59個部件	32個部件	- 45.8%
300 cm3	170 cm3	- 43.3%

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

——Guha Manogharan，賓夕法尼亞州立大學機械工程助理教授

他進一步補充道，學生們尤為關注軟件的下述功能：

• 能夠自由使用基礎版CAD格式（例如STEP或IGES），直接應用網(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。
  

• 能夠建立支撐結構并對其進行控制，取得想要的結果，例如將后期處理需求最小化，減少關鍵面的支撐需求。
  

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生人數(shù)也不斷增加，賓夕法尼亞州立大學將繼續(xù)在其課程中使用3DXpert軟件。