劉傳根 周海貝 龔春健

[摘要]介紹了快速成型機的工作原理、應(yīng)用范圍和教學(xué)實驗的過程，重點指出了快速成型機應(yīng)用在教學(xué)實驗中的意義。實踐表明，將快速成型機應(yīng)用于教學(xué)實驗，能規(guī)范學(xué)生的實驗行為，對學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和動手能力的提高起到了重要的推動作用。

[關(guān)鍵詞]快速成型機；教學(xué)實驗；模型

[中圖分類號]G40—057

[文獻標(biāo)識碼]A

[論文編號]1009—8097(2009)13—0305—02

一引言

教學(xué)實驗是理論結(jié)合實際的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生由知識型人才向能力型人才轉(zhuǎn)化的重要途徑，由于教學(xué)實驗具有直觀性、綜合性和創(chuàng)新性，對于學(xué)生能力的培養(yǎng)有著重要的不可替代的作用。教學(xué)實驗不僅涵蓋了理論課的內(nèi)容，而且比理論課更加復(fù)雜。經(jīng)過多年的教學(xué)實驗，我們深深體會到：借助于先進實驗設(shè)備的使用，讓學(xué)生在各個環(huán)節(jié)中通過眼、手、腦等并用，可以很好地訓(xùn)練和培養(yǎng)他們實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，對提高學(xué)生動手能力及知識綜合運用和創(chuàng)新能力，強化教學(xué)質(zhì)量具有重要作用。

長期以來，在材料成型的教學(xué)實驗中所使用的儀器設(shè)備比較陳舊，實驗方法落后，本科生基本無緣接觸先進的儀器。然而，現(xiàn)在的學(xué)生有強烈的求知欲，他們渴望了解新知識，特別是代表學(xué)科發(fā)展前沿的專業(yè)知識，傳統(tǒng)的演示型和驗證型教學(xué)實驗總會招致他們的抱怨。基于這種情況，并結(jié)合專業(yè)教材的更新，材料學(xué)院中心實驗室成立了數(shù)字制造實驗室，配置了數(shù)控雕刻機、工業(yè)用掃描儀、影像測量儀、快速成型機等先進裝備，用于教學(xué)實驗。下面就快速成型機在教學(xué)實驗中的應(yīng)用談點個人體會。

二快速成型機及其應(yīng)用范圍

1快速成型機簡介

快速成型技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)成果，是先進制造技術(shù)的重要組成部分。

快速成型機的工作原理是：將單面涂敷一層熱熔膠薄層材料(紙、塑料薄膜或復(fù)合材料)，通過熱壓裝置使材料表面達到一定溫度，薄層之間粘合在一起。隨后位于其上方的激光器按照CAD模型切片分層所獲得的數(shù)據(jù)，將薄層材料切割出零件該層的內(nèi)外輪廓。激光每加工完一層后，工作臺下降相應(yīng)的高度，然后再將新的一層薄層材料疊加在上面，重復(fù)前述過程。如此反復(fù)逐層切割——粘合——切割……，逐層堆積生成三維實體，直至整個零件模型制作完成。非原型實體部分被切割成網(wǎng)格，保留在原處，起支撐和固定作用，制件加工完畢后，可用工具將其剝離。

2快速成型機的應(yīng)用范圍

(1)可直接制作紙質(zhì)功能件，用作結(jié)構(gòu)驗證和功能測試。

(2)成形速度快，精度較高，運行費用比較低。

(3)經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新，不僅可制作尺寸較大的制件，也可制作復(fù)雜薄壁件，工業(yè)應(yīng)用面廣。

(4)可以直接制作翻砂用模型，替代傳統(tǒng)木模。

(5)可以用轉(zhuǎn)移涂料技術(shù)制造鑄造用金屬模。

(6)制作出來的原型件可翻制各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、石膏模、合金模、電鑄模、環(huán)氧樹脂模和氣化模等。

三教學(xué)實驗過程

1設(shè)備

所用設(shè)備是HRP—ⅡB型快速成型機。

2準(zhǔn)備過程

本著實驗創(chuàng)新的原則，讓學(xué)生根據(jù)自己的意愿選題，將自己設(shè)計的要制作的模型完成數(shù)學(xué)建模，然后轉(zhuǎn)換成STL格式文件，將其復(fù)制到快速成型機的數(shù)據(jù)庫。

3實驗過程

(1)啟用系統(tǒng)軟件：打開HRP2006程序，打開要制造的模型文件，在“制造”中選擇“打開強電”；再在“制造”中選擇“打開加熱器”并根據(jù)材料型號設(shè)置加熱器溫度。再將其他的參數(shù)設(shè)置好。將設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用范圍，參數(shù)設(shè)置的原則等向?qū)W生講解。

(2)教師示教：約30分鐘后，數(shù)控柜操作面板上溫度控制器顯示溫度達到設(shè)定值，即可操作。將紙張鋪設(shè)好，在“制造”中選擇“基底”，系統(tǒng)進行一次循環(huán)的制造，設(shè)備正常即可，將操作中注意的事項向?qū)W生交代清楚，然后交給學(xué)生操作。

(3)學(xué)生操作：打開HRP2006程序，打開要制造的模型文件，根據(jù)材料型號和模型的外型尺寸大小將所有的參數(shù)設(shè)置好。將紙張鋪設(shè)好，在“制造”中選擇“基底”，系統(tǒng)進行一次循環(huán)的制造，然后在模型基底的最大輪廓線內(nèi)粘上雙面膠帶，再將設(shè)備設(shè)置成連續(xù)制造。模型作完后，用專用工具小心去掉廢料，再用木工工具將模型打磨好。

四實驗結(jié)果

二年多來，設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)實驗、綜合實驗、畢業(yè)設(shè)計和演示實驗，學(xué)生做出了不少成品，圖1(世博會標(biāo)志)就是其中的一件。

五實驗特點

1直觀性通過實驗，學(xué)生可以直接接觸產(chǎn)品的制作過程，對設(shè)備的運行有了充分的感覺，對產(chǎn)品由三維圖形轉(zhuǎn)換到實體，由理性認(rèn)識上升到感性認(rèn)識。

2系統(tǒng)性通過實驗，學(xué)生可以對產(chǎn)品的全部制作過程，設(shè)備的性能、運行狀態(tài)和注意事項有了充分的認(rèn)識。因此，通過實驗，使學(xué)生對產(chǎn)品的全部制作過程有了較為系統(tǒng)的認(rèn)識。

3互動性實驗使用的快速成型機為師生交流提供了一個互動平臺，教師可以在實驗室解答學(xué)生提出的問題，學(xué)生舉一反三，觸類旁通。

六實驗意義

與傳統(tǒng)的單項實驗相比，快速成型機應(yīng)用于教學(xué)實驗中，顯示出以下優(yōu)勢：

1對專業(yè)課的學(xué)習(xí)有很大幫助本實驗對專業(yè)課特別是模具設(shè)計有很大幫助，由于在模具設(shè)計時，設(shè)計的依據(jù)是產(chǎn)品圖紙，不太直觀，對沒有工作經(jīng)驗的學(xué)生來說，難度比較大，而將該產(chǎn)品制作成模型則將對模具設(shè)計有很大幫助，也能激發(fā)起學(xué)生做實驗的興趣。

2提高了實驗的直覺效果由于實驗?zāi)苤苯訉⒛Ｐ娃D(zhuǎn)換成實物，因此，提高了實驗的直覺效果，使學(xué)生對模型的認(rèn)識由理性上升到感性認(rèn)識，增強了學(xué)生的感官認(rèn)識。

3容易獲得理想的實驗結(jié)果由于模型是用數(shù)學(xué)建模制作轉(zhuǎn)換的，因此需要什么模型，事前可以修改、控制，即使個別學(xué)生的實驗結(jié)果不理想，可以根據(jù)實驗結(jié)果修改原模型，以便做出更好的產(chǎn)品。他們從使用CAD軟件設(shè)計，到用快速成型機做出工件，將綜合實驗的作用全部發(fā)揮了出來。

4有利于發(fā)揮學(xué)生的動手能力傳統(tǒng)的實驗大都是教師做實驗，學(xué)生觀察，記下實驗結(jié)果，完成實驗報告就可以了。這導(dǎo)致實驗報告往往只有幾個版本，學(xué)生的創(chuàng)新意識無法展現(xiàn)，實踐能力得不到提高。而本實驗不僅需要學(xué)生自己動手設(shè)置參數(shù)，需要處理實驗過程中出現(xiàn)的具體問題，而且產(chǎn)品出來后還要用專用工具將其剝離，并用木工工具將模型打磨好，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和細(xì)心地操作。

5對“消極型”學(xué)生問題的解決具有促進作用“消極型”學(xué)生是指那種對實驗題目不明確，實驗課注意力分散，在分組實驗中只看熱鬧，抄襲實驗報告、對學(xué)習(xí)抱無所謂的態(tài)度，在學(xué)習(xí)上不努力的學(xué)生。而本實驗需要大家分工合作，共同努力才能完成實驗，而且產(chǎn)品做的好他們也有成就感，因此能吸引學(xué)生的實驗興趣，規(guī)范學(xué)生的實驗行為效果非常明顯，提高了學(xué)生的整體特別是差生的實驗?zāi)芰Α?/p>

6有利于發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用傳統(tǒng)的實驗大都是教師做實驗，學(xué)生觀察，記下結(jié)果，完成報告就可以了，而本實驗是需要學(xué)生自己動手，教師可以隨時觀察學(xué)生的實驗過程，及時糾正學(xué)生實驗中存在的問題，充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用。

7有利于教學(xué)資源的開發(fā)和利用實驗需要使用計算機繪圖軟件和快速成型機，實驗內(nèi)容可拓展到材料成型專業(yè)的綜合實驗、畢業(yè)設(shè)計和開放實驗，使教學(xué)資源得以充分利用。

8有利于提高師生素質(zhì)使用快速成型機互動實驗室可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)的能力，調(diào)動學(xué)生做實驗的積極性，提高參與意識，使理論學(xué)習(xí)和實驗驗證相結(jié)合，促進學(xué)生的綜合素質(zhì)全面提高。同時要求教師必須提高計算機的應(yīng)用水平，特別是能熟練應(yīng)用計算機輔助設(shè)計軟件和快速成型機，熟悉模具制造的工藝方法，并能及時解決實驗中出現(xiàn)的技術(shù)和理論問題。

經(jīng)過二年多的教學(xué)實踐，快速成型機在不同層面對學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和動手能力的提高起到了重要的推動作用，得到了廣大學(xué)生和教師的一致好評。通過這一實驗環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生的對理論知識的理解，擴大了學(xué)生的眼界和思維能力，提高了學(xué)生的動手能力和理論聯(lián)系實際的能力，為以后就業(yè)和工作奠定了良好的基礎(chǔ)。