• 分類：應用項目
• 發佈時間：2023-06-15 14:10
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【概要描述】賓夕法尼亞州立大學是從事增材製造研究和教育的高等院校之一，提供很有特色的增材製造與設計工程碩士（MEng AMD）專案。該專案的特色之一是它不僅招收全日制學生，還招收在職工程師，後者用過賓夕法尼亞州立大學世界校區（網路虛擬校區）線上完成學習。

 



 

為幫助學生成為技術專家將其所學的增材製造知識用於實踐，該專案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製造車間獲得實踐經驗。

 

所有學生都必須接受實驗室課程，學習從設計到後期處理的整個增材製造工作流程，獲得相關經驗，而且參加該專案的大多數學生都在為行業領先的打算進軍增材製造領域的企業工作。

 



“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，他是增材製造與設計碩士專案主任兼創新金屬加工-直接數位化沉積中心（CIMP-3D）的聯合主任。“一方面，我們希望學生能夠體驗到他們將來工作會用到的最專業的軟體工具，獲得良好的實際動手經驗。另一方面，這些軟體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。

“我們發現3DXpert教學版、Geomagic Design X 和Geomagic Control X 軟體是相當合適的教學軟體，它能夠教會學生如何通過三維掃描創建模型，準備和優化用於列印的3D CAD模型，並檢測成品品質，課程老師和學生都對他們的功能和易用性印象深刻。”

 

增材製造實踐：從概念到工作模型

 

我們的實驗室課程專案之一是列印一個用金屬製成的斯特林發動機，採用增材製造提高現有的功能裝配模擬真實世界的發動機功能。由於時間限制，學生們掃描了一些運行中的斯特林發動機模型，使用Geomagic Design X 逆向工程軟體技術作為其學習起點而非從頭開始。然後創建一個參數化的、基於特徵的、可編輯的實體模型，並將其導入到CAD系統中。

 

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）等參數能夠比得上原始模型甚至更為優越，同時還要整合增材製造的優勢，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鐳射來進行後期處理，對不同體積的網格結構進行金屬增材製造設計和生產。

 

賓夕法尼亞州立大學

增材製造實驗室實踐課程概要

 

學生Joseph Fisher、Ryan Henderson、Adnen Mezghani、Nicholas Nace和Nate Watson完成了該專案的下述流程：



對一臺運行中的斯特林模型進行掃描，使用Geomagic Design X進行逆向工程操作。


將數據上傳到CAD軟體進行處理和設計更改。


將原始CAD數據（邊界表示模型）導入到3DXpert。


進行列印可行性分析，使用3DXpert進行列印準備工作。


使用一臺塑膠3D印表機進行CAD模型原型列印，確保其標稱和組件功能都是精准的，且很好地體現了3D列印概念。


使用3DXpert對CAD模型進行設計和優化，以便進行3D金屬列印：- 進行列印可行性分析 - 添加要在後期處理過程中移除的材料（機加工偏置） - 設置最佳的零部件列印方向 - 使用網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 - 為零部件添加標籤 - 設置列印參數 - 將多個零部件在託盤進行排版佈局 - 發送到印表機。


使用位於賓夕法尼亞州立大學CIMP-3D實驗室的ProX DMP 320印表機，採用鈦金屬（Ti6Al4V）和不銹鋼（316L）材料列印優化後的模型。


進行所需的後期處理操作，完成每個增材製造部件的製作。


組裝斯特林發動機部件。


用Geomagic Control X 檢測部件確保其滿足所需的設計目的。


運行發動機，檢查運行結果，將增材製造模型與原始模型進行對比。





 

專案成果

 

該專案讓學生清楚瞭解到增材製造設計工作（DfAM）的重要性，並學會如何在列印之前設計和優化模型。在設計階段，學生能感受到加入增材製造後帶來的變化，也能體會到不同的設計對後期處理的影響。


所有團隊都達到了該課程的通過標準，使用的零部件數量降低，大幅減少了發動機的體積和重量，且極大地提高了發動機零部件的穩固性。

 

儘管學生時間有效無法對專案進行進一步優化，且後期處理經驗很少甚至近乎於無，但他們還是能夠取得了很好的表現，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量降低了45.8%，重量減少了43.3%。第二個團隊將零部件數量減少了21.8%，但重量減少了71.6%。

 

對學生而言，在真實場景中重新設計增材製造零部件是一個很棒的學習體驗。體驗了整個增材製造工作流程後，學生能夠瞭解到增材製造軟體中不同功能的重要性。

 

“學生們深深地被3DXpert和Geomagic 軟體的新功能迷住了，因為它融合了所有逆向工程、3D列印設計、優化和製造以及三位檢測的功能。” 

—— 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，學生們尤為關注軟體的下述功能：- 能夠通過逆向工程快速掃描到複雜幾何圖形並生成點雲數據模型。- 能夠自由使用基礎版CAD格式（例如STEP或IGES），直接應用網格到模型上，這是一個很大的優勢。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。- 能夠建立支撐結構並對其進行控制，取得想要的結果，例如將後期處理需求最小化，減少關鍵面的支撐需求。

 

隨著大家對增材製造專業知識的需求越來越多，參加該碩士專案的學生人數也不斷增加，賓夕法尼亞州立大學將繼續在其課程中使用3DXpert，Geogmagic Control X 和 Geomagic Design X 軟體。

 

關於 3DXpert（DfAM） 

在一個軟體環境內完成增材製造設計和工藝設置。


通過先進的端到端增材製造設計 (DfAM)  最大限度地提高效率和創新，並為工業零件設計和增材製造建立數據處理能力。


借助 3DXpert，設計師在有充分的設計自由度的情況下設計滿足增材製造生產的功能性結構。



 關於 Geomagic Control X  

 

作為專業計量軟體，Geomagic Control X 基於3D掃描技術，更快速、更全面、隨時隨地捕獲並測量數據，對零件進行3D掃描和檢測的速度比使用三座標測量儀快 7 倍，且用戶根據節省的時間和人力報告檢測成本降低多達 80%。

 



關於 Geomagic Design X  

 

利用逆向工程軟體（結合了基於歷史的 CAD 與 3D 掃描數據處理）對實物部件進行逆向工程，將其轉化為數字參數 CAD 模型，以實現最優結果！



 

源文摘自：Oqton