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工程科学学院本科生“理论与应用力学”专业创新课程―― 《设计与制造》

  • 赵远
  • 日期:2019-10-11
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    《设计与制造》课程是工程科学学院本科生的必修课程,由力学研究所虞钢研究员主讲,何秀丽副研究员担任助教老师。该课程基于人文和科技的结合、工学和美学结合的主旨,主要讲述设计与制造的基本方法与应用。通过该课程的学习,同学们掌握了设计和制造的基本知识,包括造型设计、功能设计、工程设计等不同的设计方法和表达,以及从传统制造、先进制造到智能制造不同制造技术的基础及模式等。与此同时,课程旨在提高同学们对工程设计到产品制造全过程的认识能力、创新设计能力以及工程实践能力。为培养未来的工程科学家和国际工程技术的领军人才做贡献。

    该课程在讲授传统设计制造技术的同时,还着重介绍了当下应用面极广的一种先进制造技术——3D打印技术。在课堂上,虞老师讲述了3D打印的发展历史、现状和未来趋势,并介绍了各种3D打印机的原理、3D打印的技术和工艺、3D打印的建模方法以及3D打印产业的发展。

    为了使得同学们更深入地掌握3D打印工艺原理,实现自主设计3D打印模型,熟练打印3D作品,本课程安排了3D打印的课程实践课。实践课作业分为规定内容与自由发挥内容。自由发挥内容从最开始的确定目标、设计绘图、修改方案到最终的打印过程,都由同学们自己完成。下面是同学的3D打印作品以及他们的心得体会:

201910本科生3D打印实践设计与制造2

  

  1. 斯杨剑同学作品:

201910本科生3D打印实践设计与制造3

         这个模型是以三合一磁怪为蓝本建起来的。最初的确定这个为目标的原因是它本身具有一定的对称性,在完成主要部分之后,可最终通过变化和拼接完成模型。而在主要部件建模过程中,遇到的最大难点是在于螺钉的建模,螺钉头上的十字怎么设计,螺纹应该选取多大的螺距,牙形应该通过何种方式得以实现,都是此次设计中遇到主要的问题。从最后的成品来看,总体效果还不错,但螺钉部分与预想还有一定的差距,也说明了在设计过程中,为了得到最好的效果,加工能力也是一个必须加以考量的重要因素。

 

  1. 储旭同学作品

201910本科生3D打印实践设计与制造1

    航空燃气涡轮发动机是工业皇冠上的明珠,是技术美、工艺美的优良体现。本次作业以商业大涵道比涡轮风扇发动机CFM56和GE90为原型,设计了一个涡轮风扇发动机模型。

         经过简化,本模型可以分为三部分,风扇、核心机、发动机整流罩。除了风扇,其他两部分是旋成体,绘制较为简单,即先用样条绘制出截面轮廓的封闭曲线,然后旋转形成几何体。画完核心机和整流罩后,用旋转对称的支撑架将核心机外壳和排气椎、核心机与整流罩连起来,整个发动机的主体部分就完成了。风扇的难点在于扇叶的绘制,本次先画出风扇翼尖翼根的截面轮廓,然后画出风扇前后缘直线,使用这两条直线为扫掠路线,画出风扇上下表面的曲面,最后粘合所有曲面形成几何体。

         第一次设计完后进行打印模拟,发现风扇叶片过于细小,打印机打不出,而且模型主体中支撑过于复杂,打印完成后不易取出。故进行修改,将叶片加厚,加固支撑,并将模型主体分为两部分打印,方便取出支撑。

        

  1. 高尔康同学作品

201910本科生3D打印实践设计与制造4

     一开始受到“看天下”杂志的启发,准备制作的是一个与鸡蛋壳十分类似的蛋形椅的模型,于是就在网络寻找到了蛋形椅的实物图照片以及具体的尺寸。

    然而因为初次接触三维建模软件经验不足,在构建椅背曲面的过程中渐渐发现做出来的结构与正常的蛋形椅相距甚远,但是推倒重做又费时费力。于是在当时模型的基础上,又找到了和上图很相近的普通椅子的模型,遂放弃了蛋形椅的打算转而设计这把椅子的3D模型。

    在制作过程中,碰到的最大的问题就是曲面和曲面的过渡以及曲面的光滑性。调整过渡段的曲面大概用了五到六个小时,整体模型构建完成以后对于曲面光滑性的打磨又花了至少五个小时。最终的结果是好的,做出来的曲面让人感觉流畅和舒服。

    简简单单的一把椅子的3D打印模型,真正做起来都是那般费力,更不要说高深的科研。所以无论做什么事情,都应该脚踏实地,一步一步来。本次课程实践在知识和心理两方面都得到了升华。

 

  1. 司英明同学作品

201910本科生3D打印实践设计与制造5

    之所以想制作节能灯,来源于一次绘制螺旋线的尝试应用。之后逐步添加细化,就得到了这样一个作品。

    首先,这是个和实物比例接近1:1的作品。在制作过程中,尽量雕刻其中各个微小的细节,希望成品能达到以假乱真的效果。比如两个螺旋线灯管的连接处,如果直接用直灯管连接会显得相当突兀,因此不得不添加一些曲线灯管来过度。其中灯管与底座的连接更为麻烦,如果仔细观察的话,灯管中心线所在平面是不在xy,xz,yz任何一个平面内的,这对于三维建模来说也是颇有难度的。在其他细节上也有所注意,比如灯管底部的螺丝口在两端用抛物线型曲面来过度等。

    作品还算满意,至少可以容易地看出所制作的东西,但是颜色搭配有些难尽如人意。作为3d打印的一次尝试,已经达到了该有的目的。但同时,在制作过程中追求细节,追求极致的过程,也是一种享受。

  

  1. 庄逸同学作品

201910本科生3D打印实践设计与制造6

    这是一只造型简单的兔子,选择兔子作为打印的目标,是因为它和别的模型相比,总体上具有下大上小,主要是向内斜的斜面。由于3D打印的原理是逐层堆积,如果有过多的悬空部分,就会需要额外加一些支撑,并可能使打印效果变差。因此,原先想做镂空房子模型、宝剑、马踏飞燕、动作夸张的人物等,最终都被否定,而是选择一只肥兔这样比较稳定的形态。制作模型的过程,则近乎捏橡皮泥,不可能得到实际兔子形状的曲线,只好建立一个椭球体加一个球体,对着图片一点一点调。至于兔耳朵,是用随手画的一条曲线沿着另一条随手画的曲线形成曲面,再进行各种调整。兔爪则先捏出一个椭球体,再用一些很扁的圆锥进行布尔运算切出爪子之间的缝隙,最后切下顶部的一块。总体而言,做这只兔子没有严格的要求,因此难度也不大,同时还收获了不少乐趣。

   

  1. 段鑫淼同学作品

201910本科生3D打印实践设计与制造7

    作品最初目标是等比例制造一个东方明珠电视塔的模型。

    设计的过程中遇到了一些困难。首先是由于没有实地参观过东方明珠,需要确定东方明珠的具体形状。这只能通过网上搜索的图片想象,由于阴影遮挡,各个照片角度的不同,拍摄距离的远近,造成了不少困惑,不过最终克服。塔身的具体数据由网上搜索的设计图纸得到,进行等比例缩小后放到模型中。此时发现由于塔的高与底面半径比值过大,即过于细长,导致底面有很大的一部分面积未能利用,且不符合设计美的原则。于是在塔的后边加上了上海国际会议中心的模型,结构略作改动:将一个圆球顶改为抛物锥面。

    通过这次作业熟悉了建模软件操作的整个流程,同时对设计3d打印模型需要注意的细节有了新的认识,获得了新的经验。

 

  1. 徐守文同学作业

201910本科生3D打印实践设计与制造8

    本次3D打印作品是一只绿色的大黄蜂。其实在刚一开始的时候计划打印一个6层的立体陀螺仪,但是由于对打印机的性能不了解,所以工艺上有些行不通,加上师兄说了一句“你画的这个其实挺简单的”,受到刺激,于是决定画一个更复杂一点的作品。思考之后,想画一枚卵形手雷,带可脱插销保险的那种,结果画好了下半部分发现,看着有点像蜜蜂的尾腹部。于是中途改弦易辙,直接就设计了这只大黄蜂。

    在设计的时候躯干所有的部位都是用一些规则的立体图形组合而成,所以躯干部位还勉强看得下去,而六条腿则因为没有标准化的尺寸,所有看着很牵强,不自然,也不对称。另外为了保证拆支撑的时候不会把打印件拆坏,所以蜜蜂的翅膀是分开来打印,再用胶水粘上去的。最终得到的这个打印件也还比较满意。总结一下,对打印工艺本身来讲,基本都因为打印太快导致底部来不及凝固而出现一定的变形,所以需要合理的设计形状并且让较大面积的部分朝下。

    通过本次课程实践的3D打印大作业,工程科学学院理论与应用力学专业的同学们熟悉了3D绘图的各种操作,也通过实践了解到了制造工艺对于设计的限制以及在设计过程中相应的注意点,收获颇丰。

   

 文/高尔康