第十届国家级大学生创新训练项目——3D打印技术在建筑构部件生产中的应用

项目成员：

张子豪 重庆大学土木工程学院2014级本科

关慧凝 重庆大学土木工程学院2014级本科

王雷 重庆大学材料科学与工程学院2014级本科

项目介绍视频：同济大学创新创业学院国创微课

项目概要

大家好，我是同济大学交通运输工程学院2018级研究生张子豪，我本科就读于重庆大学土木工程专业。我本科参加国家级大学生创新训练项目课题的题目是3D打印技术在建筑构部件生产中的应用，本课题在去年以优秀成绩结题，并参展教育部第十届全国大学生创新创业年会。项目包括设计制作两种新结构的3D打印机——全丝杠传动3D打印机和改进柱坐标3D打印机，以及3D打印相关的社会活动和创业互动。

项目背景

3D打印增材制造技术具有数据驱动、智能制造、个性定制、环保减排等优点，成为 “工业4.0”和“中国制造2025”的重要推动力，代表着一个国家高端制造业的水平。3D打印的金属、建筑材料、碳纤维、医用材料等新材料的成熟，在模具加工、建筑业、医疗器械行业引发了革命。

项目缘起

同济大学也在2018年新开设了智能建造和智能制造本科专业，作为新工科变革的重要内容。早在2014年，国内3D打印行业刚刚起步之时，同济大学中德工程学院就开始举办工业4.0-国际大学生3D打印机设计邀请赛，吸引了来自卓越大学联盟和海外高校的众多同学参赛，比赛的内容为在规定时间内使用各团队自主设计制作的3D打印机根据组委会提供的三维模型进行零件3D打印制作，根据产品的尺寸精度、表面粗糙度、后处理工艺、机器尺寸与重量、成型速度等指标评判成绩。我们团队在首届比赛中获得了冠军，特等奖。这个团队在第二年发展成为重庆大学3D打印学生社团，我担任第一任社长。

那么，如何改进3D打印机的结构，将3D打印扩展到建筑构配件制作、中小学创客教育等领域，同时实现环保制造和节能减排呢？我们的国创项目便应运而生。

第一台3D打印机：麻雀虽小，五脏俱全

在国创立项之后，我们亲手组装了第一台3D打印机，从采购零件到组装传动结构，从单片机编程到上位机控制，从熔融挤出喷头的设计到接线与焊接，从三维建模到打印参数的调整优化，3D打印机麻雀虽小却五脏俱全，涵盖了机械、材料、软件、电控、工业设计等诸多领域，这同时也为跨学科组队合作提供了绝佳平台。

在组装之前我们认为很快就可以搞定，但是到了真正实际上手，才发现实践中会发生很多从理论无法预测的问题，大到机架尺寸的测量、同步带的张紧、供电安全，小到每一颗螺丝的拧紧、电线的排布、每一行单片机代码的调试。组装完成后，还遇到许多毫无征兆出现故障的“幺蛾子”事件，只能靠大胆的推断、严谨的排查和丰富的经验来解决，这一过程培养了我们的“工程师匠心”。

第二台3D打印机：丝杠传动3D打印机

国创立项四个月之后，我们开始自主设计一款3D打印机：全丝杠传动3D打印机。有了之前组装的基础，我们迅速制定了计划：绘制机架尺寸草图、确定零件清单、购买铝型材和零件、三维建模、工业设计、机器组装、电路接线、单片机固件烧录、机器调试与排线。

这款3D打印机四个运动轴全部采用丝杠传动，通过螺母和丝杠的相互旋转进行传动定位。但在最后调试的时候发现，x轴和y轴总是处于较高速运动，而螺母和丝杠在运动时会产生很大的阻力，在电机扭力不足时，会造成步进电机丢步，进而导致模型打印错层。

这个问题是我们整个国创项目解决的一个核心问题，我们用了半年时间构思了各种方法尝试解决这个问题，比如采用导程更大的丝杠、扭力更大的电机、带闭环编码器的伺服电机、阻力更小的滚珠丝杆、涂抹润滑油、改变电机驱动芯片的电流、采用双螺母结构进行重复定位……最终，问题得到了解决，当它顺利完整打印出第一个产品时，那种感觉就像看着自己的孩子终于成才，我们团队成员都长舒了一口气。

第三台3D打印机：柱坐标3D打印机

接着，受奶油蛋糕的制作与建筑工地大型塔吊的启发，我们决定改进一种全新的3D打印机传动结构——柱坐标传动3D打印机。

通过改进优化开源代码，将XYZ直角坐标转换成ρ、θ、Z柱坐标，使用柱坐标回转定位可以大大提高空间利用率，减轻机器自重。同时，我们用“3D打印机打印一台3D打印机”，除几根光轴之外，所有零件均采用3D打印制作，特别是带动底盘旋转的单道人字齿轮，使用3D打印制作成本极低，在寝室花不到一个小时就可制得，避免了繁杂的传统金属加工。实现环保易得和极低成本。

这个作品在去年全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获得一等奖。在党的十九大期间获得了第九届全国高等学校土木工程专业本科生优秀创新实践成果奖 特等奖。

项目潜在的扩展空间

受材料与设备局限，缺乏大型机电设备知识，我们并没能真正配置水泥砂浆，制作混凝土3D打印机。

同时，这个项目有很多可扩展的研究空间，比如，将3D打印与物联网、智能家居、树莓派智能硬件、嵌入式开发集合，实现远程监控3D打印和无人自动化3D打印；将3D打印与人工智能、机器视觉、卷积神经网络、强化学习等机器学习方法相结合；改进3D打印上位机操作的用户界面，优化用户体验等。

社会活动

我们的足迹并不止于金工车间和实验室，还广泛参加各种社会活动。我们为重庆大学同学免费开设3D打印系列课程，包括电路接线、机器结构、组装调试、三维建模、单片机编程、上位机控制、参数最优化等全套3D打印领域所需的基础知识，这个课程也填补了当时国内的空白。

我们参加了清华大学创客节和重庆市创客节，并在重庆市创客节的开幕式上介绍了我们的国创项目。

我们参观了清华大学生物增材制造中心、中国建筑科学研究院的混凝土3D打印机、同济大学的工业4.0实验室，以及建筑3D打印企业方圆有度太空灰。我们创办了3D打印云服务平台和淘宝网店。在重庆市优秀大学生优秀创业项目展上展出，获得重庆市副市长屈谦先生的好评。在“互联网+”创业竞赛中获得重庆赛区金奖。

我们还开发了全套的重庆大学3D打印校园纪念品，包括校内地标建筑、著名人像、景点虚拟现实三维模型建构。著名导演黄磊先生在去年来访重庆大学，学生会将我们制作的3D打印重庆大学校门赠送给了他，他夸赞道“非常漂亮”。著名作家郑渊洁先生来访重庆时，得知我们自己设计制作3D打印机，表示非常赞赏，专门发了一条新浪微博，当时很多朋友都看到了这条微博，纷纷向我表示祝贺，我感到非常幸福。

项目感想

回顾整个国创项目，国创不仅带给我基础的工程训练，也带领我走进尖端技术和产业前沿。如果没有国创，我可能永远不会自己主动去组装一个机器，更不用说自己独立设计组装制作3D打印机这样的精密数控设备和高端智能装备。我和小伙伴们牺牲了几乎所有的假期和周末，但事实证明，专注的投入换来的是丰硕的成果，一切努力都是值得的。非常鼓励学弟学妹们投身国创、上创这样优秀的创新创业平台中，这里有丰富的专业导师、经费支持、学术资源，将你的想法变成现实。

项目获奖与荣誉

2017.6 第十届国家级大学生创新训练项目“优秀”成绩结题

2017.10 第九届全国高等学校土木工程专业本科生优秀创新实践成果奖 特等奖（教育部）

2017.11 参展第十届全国大学生创新创业年会（教育部），文章《从入门到精通，我的3D打印之旅》入选教育部国创十周年丛书《成长篇》

2017.6 第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技竞赛 重庆赛区 一等奖（共青团重庆市委）

2017.7 第三届中国“互联网+”大学生创新创业大赛 重庆赛区 金奖（重庆市教委）

2016.8 第九届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛 一等奖（教育部）

2017.8 第十届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛 一等奖（教育部）

2016.7 第十九届“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品建模创新大赛 一等奖（教育部）

2016.12 实用新型专利《基于定点转轴转盘装置的节能型混色3D打印喷头》

2018 中国土木工程学会高校优秀毕业生（詹天佑土木工程科学技术发展基金会）