硕士生金属3D打印斯特林发动机模型，使用3DXpert增长增材制造经验

导读：宾夕法尼亚州立大学与3D Systems合作，通过动手实践增加学生从设计到后期处理的增材制造经验。

△金属3D打印斯特林发动机运行视频

面临的挑战
建立实习车间，使学生能够使用专业但易上手的软件工具获得增材制造经验

解决方案
采用3D Systems的3DXpert®（一站式增材制造软件）和ProX®DMP 320金属3D打印机

使用成效

• 在一款软件中灵活支持从CAD图纸设计、准备工作到后期处理的整个增材制造流程
• 使用最初的CAD格式保持设计的完整性，无需转换到STL
• 探索技术和工作流程中遇到的挑战，完全控制整个增材制造工作流程，包括激光参数和打印策略
• 进行高度精准的3D打印，部件重量减轻了40%-70%，装配步骤减少了20%-45%
• 将后期处理需求降至最低
  

宾夕法尼亚州立大学是世界领先的从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与设计工程硕士（MEng AMD）项目。该项目的特色之一是它不仅招收全日制学生，还招收在职工程师，后者用过宾夕法尼亚州立大学世界校区（网络虚拟校区）在线完成学习。为帮助学生成为技术专家将其所学的增材制造知识用于实践，该项目将多学科理论知识与亲身实践相结合，学生们可在宾夕法尼亚州立大学增材制造车间获得实践经验。所有学生都必须接受实验室课程，学习从设计到后期处理的整个增材制造工作流程，获得相关经验，而且参加该项目的大多数学生都在为行业领先的打算进军增材制造领域的企业工作。

“为实验室课程选择合适的教学道具真的挺难的，”Timothy W. Simpson教授说道，他是增材制造与设计硕士项目主任兼创新金属加工-直接数字化沉积中心（CIMP-3D）的联合主任。“一方面，我们希望学生能够体验到他们将来工作会用到的最专业的软件工具，获得良好的实际动手经验。另一方面，这些软件工具必须非常容易学习和使用，因为学生在学校呆的时间很有限，”Simpson补充道。

“我们发现3DXpert教学版软件是最合适的教学软件，它能够教会学生如何准备和优化用于打印的3D CAD模型，”宾夕法尼亚州立大学机械工程助理教授Guha Manogharan说道，他负责教授实验室实践课程。“课程老师和学生都对3DXpert的功能和易用性印象深刻，”Manogharan补充道。

         

宾夕法尼亚州立大学MEng AMD项目的学生将重新设计过的3D打印版斯特林发动机模型与原版模型进行比较。

增材制造实践：从概念到工作模型
我们的实验室课程项目之一是打印一个用金属制成的斯特林发动机，采用增材制造提高现有的功能装配模拟真实世界的发动机功能。由于时间限制，学生们扫描了一些运行中的斯特林发动机模型，使用逆向工程技术作为其学习起点而非从头开始。通过的标准是观察学生是否能够获得一个能够正常运行的模型，其转速RPM（每分钟速率）等参数能够比得上原始模型甚至更为优越，同时还要整合增材制造的优势，比如零部件更为牢固，重量更轻等。学生必须使用不同速度和等级的激光来进行后期处理，对不同体积的网格结构进行金属增材制造设计和生产。

宾夕法尼亚州立大学增材制造实验室实践课程概要
学生Joseph Fisher、Ryan Henderson、Adnen Mezghani、Nicholas Nace和Nate Watson完成了该项目的下述流程：
1.对一台运行中的斯特林模型进行扫描，且/或使用一台坐标测量机（CMM）进行逆向工程操作。
2.将数据上传到CAD软件进行处理和设计更改。
3.将原始CAD数据（边界表示模型）导入到3DXpert。
4.进行打印可行性分析，使用3DXpert进行打印准备工作。
5.使用一台塑料3D打印机进行CAD模型原型打印，确保其标称和组件功能都是精准的，且很好地体现了3D打印概念。
6.使用3DXpert对CAD模型进行设计和优化，以便进行3D金属打印：

• 进行打印可行性分析。
• 添加要在后期处理过程中移除的材料（机加工偏置）。
• 设置最佳的零部件打印方向。
• 使用网格结构减少材料使用量，增加美学效果。
• 设置支撑结构，消除变形。
• 为零部件添加标签。
• 设置打印参数。
• 将多个零部件在托盘进行排版布局。
• 发送到打印机。
  

7.使用位于宾夕法尼亚州立大学CIMP-3D实验室的3D Systems ProX DMP 320打印机，采用钛金属（Ti6Al4V）和不锈钢（316L）材料打印优化后的模型。
8.进行所需的后期处理操作，完成每个增材制造部件的制作。
9.组装斯特林发动机部件。
10.检查部件确保其满足所需的设计目的。
11.运行发动机，检查运行结果，将增材制造模型与原始模型进行对比。

使用3DXpert重新设计的热交换器

使用3DXpert重新设计的网格基座

项目成果
该项目让学生清楚了解到增材制造设计工作（DfAM）的重要性，并学会如何在打印之前设计和优化模型。在设计阶段，学生能感受到加入增材制造后带来的变化，也能体会到不同的设计对后期处理的影响。

△金属3D打印斯特林发动机运行视频

所有团队都达到了该课程的通过标准，使用的零部件数量降低，大幅减少了发动机的体积和重量，且极大地提高了发动机零部件的稳固性。尽管学生时间有效无法对项目进行进一步优化，且后期处理经验很少甚至近乎于无，但他们还是能够取得了很好的表现，新模型相较原始模型重量更轻，使用的零部件更少，且装配步骤也少。我们的团队将所用零部件数量降低了45.8%，重量减少了43.3%。第二个团队将零部件数量减少了21.8%，但重量减少了71.6%。

斯特林发动机模型 1
原始参数	新设计参数	差异
55个部件	43个部件	-21.8%
141 cm3	40 cm3	-71.6%

斯特林发动机模型2
原始参数	新设计参数	差异
59个部件	32个部件	- 45.8%
300 cm3	170 cm3	- 43.3%

对学生而言，在真实场景中重新设计增材制造零部件是一个很棒的学习体验。体验了整个增材制造工作流程后，学生能够了解到增材制造软件中不同功能的重要性。
  “学生们深深地被3DXpert软件的新功能迷住了，因为它融合了所有设计、优化和制造功能。”

——Guha Manogharan，宾夕法尼亚州立大学机械工程助理教授

他进一步补充道，学生们尤为关注软件的下述功能：

• 能够自由使用基础版CAD格式（例如STEP或IGES），直接应用网格到模型上，这是一个很大的优势。最重要的是，他们还可自行进行某些更改工作，无需从头开始建模。
  

• 能够建立支撑结构并对其进行控制，取得想要的结果，例如将后期处理需求最小化，减少关键面的支撑需求。
  

随着大家对增材制造专业知识的需求越来越多，参加该硕士项目的学生人数也不断增加，宾夕法尼亚州立大学将继续在其课程中使用3DXpert软件。