專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院專業(yè)綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓 名： 小組成員： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 日 期： 指導(dǎo)老師： 高速列車頭型三維數(shù)字化建模與3D打印姓名 蔡昊天 學(xué)號(hào) 1104110422（交通運(yùn)輸工程學(xué)院，交通設(shè)備信息工程專業(yè)）1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹皩I(yè)綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”是本專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中設(shè)定的一個(gè)重要教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，目的是在學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程上，開(kāi)展一個(gè)具體的大、中型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目激發(fā)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和潛能的自我挖掘，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用專業(yè)理論、知識(shí)、技能，進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)踐和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，使學(xué)生具備良好的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生畢業(yè)后成為有創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力

2、的專業(yè)人才。本實(shí)驗(yàn)熟悉三維數(shù)字化的基礎(chǔ)上，結(jié)合本專業(yè)相關(guān)知識(shí)，不用廣泛運(yùn)用的減材制造技術(shù)，采用3D打印增材制造技術(shù)進(jìn)行高速列車頭型建模及打印。2 選題背景“3D打印”是通俗的叫法，學(xué)術(shù)名稱為“快速成型技術(shù)”，也稱為“增材制造技術(shù)”。這種技術(shù)是依據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式，制成實(shí)物模型，甚至直接制造零件或模具，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、并縮減生產(chǎn)成本。3D打印是一片一片地打印，然后疊加到一起，成為一個(gè)立體物體。說(shuō)得簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是由點(diǎn)堆積成面，再由面堆積成實(shí)體。  3D打印的概念早在幾十年前就已提出。上世紀(jì)70年代，隨著3D輔助設(shè)計(jì)的興起，設(shè)計(jì)師能在電腦軟件中看到虛擬的

3、三維物體，但要將這些物體用粘土、木頭或是金屬做成模型卻非常不易，可以用費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢來(lái)形容。3D打印的出現(xiàn)，使平面變成立體的過(guò)程一下簡(jiǎn)單了很多，設(shè)計(jì)師的任何改動(dòng)都可在幾個(gè)小時(shí)后或一夜之間重新打印出來(lái)，而不用花上幾周時(shí)間等著工廠把新模型制造出來(lái)，這樣一來(lái)可以大大降低制作成本，節(jié)省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品，而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說(shuō)，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，

4、比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車，打印各種模型等等。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。這種打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。3D打印是一種通過(guò)材料逐層添加制造三維物體的變革性、數(shù)字化增材制造技術(shù)，它將信息、材料、生物、控制等技術(shù)融合滲透，將對(duì)未來(lái)制造業(yè)生產(chǎn)模式與人類生活方式產(chǎn)生重要影響。這次選用3D打印課題，以前一直學(xué)習(xí)的都是減材技術(shù)，從沒(méi)接觸過(guò)這種增材制造技術(shù)，因而3D打印技術(shù)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)相對(duì)新鮮的技術(shù)方法，這符合本次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的要求。而為了同本專業(yè)交通設(shè)備信息工程有一定的聯(lián)系相關(guān)性，采用3D打印技術(shù)來(lái)增材制造一個(gè)高速列車車頭模型的

5、課題。目前，世界鐵路趨于高速化，這必將引起一系列的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如空氣阻力、列車風(fēng)、兩車交會(huì)壓力波、隧道氣壓波、氣動(dòng)噪聲及車輛震動(dòng)等，這些問(wèn)題與列車外形緊密相聯(lián)，尤其是車頭的流線外形設(shè)計(jì)。此次采用3D打印技術(shù)來(lái)制造一個(gè)高速列車車頭模型，能幫助我更好了解流線型車頭形狀構(gòu)造及性能要求。而學(xué)院擁有的硬件設(shè)備也給我們本次創(chuàng)新實(shí)踐提供了技術(shù)支持。3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）3D打印機(jī) MakerBot Replicator 2學(xué)院實(shí)驗(yàn)室所使用的3D打印機(jī)型號(hào)是makerbot replicator 2。MakerBot Replicator 2 是MakerBot 3D打印機(jī)的第四代產(chǎn)品，由MakerBot公司

6、于2012年9月推出, 并在2012年11月引進(jìn)中國(guó)。該產(chǎn)品的打印精度提升至三倍（為100微米），擁有410立方英寸的打印體積，和上一代比體積增大37%?？梢源蛴〈笪矬w，或者同時(shí)打印多個(gè)部件。Replicator 2采用的是MakerBot PLA耗材（多種顏色可選），這種新型生物塑料可以更牢靠的粘在打印平臺(tái)上，減少脫落，卷曲，滑動(dòng)和收縮情況的發(fā)生。（2）ProE、SolidWorks、UG等軟件（3）PC 計(jì)算機(jī)4 實(shí)驗(yàn)原理及方案(1)根據(jù)已有的和諧號(hào)CRH2動(dòng)車組的三維模型，用ProE軟件分析點(diǎn)的功能，測(cè)出15組剖面曲線上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，剖面垂直于車身縱軸線方向；(2)整理數(shù)據(jù)；(3)選擇

7、一種三維繪圖軟件(如UG)，根據(jù)前面相關(guān)參數(shù)進(jìn)行高速列車頭型建模。(4)將生成的3D打印stl文件導(dǎo)入makerbot軟件，設(shè)置合適參數(shù)，打印出高速列車車頭模型。5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.ProE收集剖面各點(diǎn)數(shù)據(jù) 小組成員根據(jù)已有的CRH2三維模型，利用ProE軟件中的功能：分析點(diǎn)，得出15組剖面上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖1 ProE收集數(shù)據(jù)方法圖2.部分?jǐn)?shù)據(jù)采集結(jié)果2.ug繪圖常用的3D繪圖軟件主要有 UG、PRO/E、SolidWorks、CATIA等等。其中SolidWorks建模精度比較低，一般情況中小企業(yè)用的比較多。PRO/E是現(xiàn)在比較流行的三維建模軟件，各行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。UG在一般的大

8、中型企業(yè)用的比較多。CATIA適合流線型建比如飛機(jī)流線型翅膀，汽車的外殼等，在航空領(lǐng)域應(yīng)用的比較多。在本次創(chuàng)新型實(shí)踐我選用的是UG8.0軟件進(jìn)行建模。以前并未太多接觸過(guò)UG軟件，在UG中繪制一些平面圖形并不困難，需要的學(xué)習(xí)的是如何將這些平面圖形變成三維圖形，這期間通過(guò)觀看一些視頻及自己摸索學(xué)會(huì)使用UG的回轉(zhuǎn)拉伸及曲面繪制等功能，一些基本的三維模型已經(jīng)可以基本畫出。根據(jù)CRH2的外形的一些參數(shù)繪出3D模型后（如上圖），就是進(jìn)行打印工作了。在課程實(shí)踐一開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)室老師教會(huì)我們?nèi)绾尾僮魇褂?D打印軟件makerbot desktop，在與老師的交流中我們了解到打印時(shí)底板溫度、擠出速度、打印材料等幾個(gè)

9、方面是需要在默認(rèn)設(shè)置的基礎(chǔ)上根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置的。其中底板溫度設(shè)置適宜是一個(gè)難點(diǎn)。底板溫度太低時(shí)，支撐零件的底座不易于底板粘連，導(dǎo)致打印無(wú)法進(jìn)行；底板溫度太高時(shí)，初期效果良好底座粘連，但隨著打印時(shí)間的增加，底板不斷加熱底座，底座翹起并與底板脫落，容易使得零件側(cè)翻，打印失敗。一開(kāi)始我們?cè)趧偨佑|打印機(jī)時(shí)就因底層與底板粘合度不夠，零件在打印過(guò)程中底層被帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，導(dǎo)致打印出的模型在中途就只能作廢。經(jīng)過(guò)不斷嘗試后我們?cè)谑煜ち塑浖褂貌⒛茉O(shè)置好打印參數(shù)后，并在第二次打印中成功打印出模型。3D打印機(jī)預(yù)熱完成后便開(kāi)始工作，首先在噴涂打印支撐座，可以看出3D打印機(jī)是逐層打印工作的。一段時(shí)間后可以看出車

10、頭已初具形狀。一段時(shí)間的等待后，拿出模型，去除支撐座，得到的模型如圖所示。4 總結(jié)經(jīng)過(guò)這次課程實(shí)踐，我增強(qiáng)了自己的UG軟件使用能力，提高了自身的自學(xué)能力。除此之外還了解了3D打印這一項(xiàng)融合了計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識(shí)的綜合性系統(tǒng)性的技術(shù)。3D打印將對(duì)未來(lái)制造業(yè)生產(chǎn)模式與人類生活方式產(chǎn)生重要影響。越來(lái)越多的跡象表明，3D打印技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室和工廠逐漸走出來(lái)了，并且走進(jìn)學(xué)校和家庭，與我們每個(gè)普通人的生活息息相關(guān)。這樣會(huì)極大地沖擊我們的工作方式，或者增強(qiáng)很多行業(yè)的生命力，也或者導(dǎo)致某些行業(yè)走向消亡。我們必須認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)也會(huì)催生大量前所未有的行業(yè)和巨大機(jī)遇，我們必須牢牢的抓住機(jī)遇。在本次實(shí)驗(yàn)中也是有不足的，繪制模型時(shí)對(duì)車頭有些