向金林

摘 要：在工業(yè)4.0時(shí)代，利用快速成型技術(shù)才能快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求，技校教育中如何應(yīng)用快速成型技術(shù)是該文所要討論的問(wèn)題。該文介紹了快速成型技術(shù)的原理和分類，介紹了快速成型技術(shù)在技校教育中所起到的作用，以機(jī)械設(shè)計(jì)這一課程為例介紹了如何應(yīng)用快速成型技術(shù)來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，完成教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù)原理 快速成型技術(shù)分類 技校教育

中圖分類號(hào)：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（a）-0156-02

隨著制造業(yè)進(jìn)入工業(yè)4.0，產(chǎn)品進(jìn)入多品種、小批量的生產(chǎn)，如何能快速響應(yīng)市場(chǎng)，是企業(yè)能否生存的關(guān)鍵。在此種形勢(shì)下快速成型技術(shù)得到飛速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型（雕刻）、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域。

1 快速成型簡(jiǎn)介

快速成型技術(shù)（也稱快速原型）（Rapid Prototyping）將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的零件三維模型，表面三角化處理，存儲(chǔ)成STL文件格式，對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化或燒結(jié)或切割一層層的成型材料，形成各個(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成原型[1]。

這樣的技術(shù)不同于傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作模具，可以把零件原型的制造時(shí)間大大減少，甚至縮短為幾天、幾小時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。

現(xiàn)在成熟的快速成型技術(shù)主要有5種。

（1）光固化成型（SLA）：采用液態(tài)光敏樹(shù)脂為材料，利用激光掃描固化材料而成型。其生成的產(chǎn)品精度高，但強(qiáng)度低，不能進(jìn)行裝配后期也易變形，設(shè)備與材料都貴。

（2）選擇性激光燒結(jié)（SLS）：采用粉末為材料（理論上一切粉末皆可），利用激光掃描燒結(jié)成型，無(wú)需支撐，后期需要處理，產(chǎn)品強(qiáng)度好，但表面精度差，燒結(jié)過(guò)程中有異味。

（3）疊層實(shí)體制造（LOM）：采用薄紙或者錫箔紙為材料，利用激光燒結(jié)成型，可以制作大尺寸制件，制作成本低，但易吸濕膨脹。

（4）熔融沉積（FDM）：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，通過(guò)帶有微細(xì)噴嘴的噴頭擠出來(lái)。成本較低，成型樣件強(qiáng)度好，易于裝配，表面質(zhì)量一般（可進(jìn)行打磨）?，F(xiàn)常用于樣品的制作。

（5）3D打?。?DP）：運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2 快速成型在我國(guó)的發(fā)展

快速成型技術(shù)起源于美國(guó)，興盛于20世紀(jì)90年代，我國(guó)快速成型技術(shù)研究工作起步于90年代初。剛開(kāi)始時(shí)技術(shù)引進(jìn)較多，但由于引進(jìn)價(jià)格昂貴，使生產(chǎn)成本過(guò)高，國(guó)內(nèi)制造型企業(yè)往往無(wú)法承受。從1991年開(kāi)始，國(guó)家開(kāi)始大力發(fā)展快速成型技術(shù)。先后在清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)和浙江大學(xué)等知名高等院校開(kāi)展研究應(yīng)用。清華大學(xué)研制出世界上最大的 LOM雙掃描成型機(jī)，已提供給國(guó)內(nèi)的汽車制造企業(yè)，研制成功的多功能快速造型系統(tǒng)MRPMS已打入國(guó)際市場(chǎng)，自主開(kāi)發(fā)的大型擠壓噴射成型RP設(shè)備SSM1600成形尺寸已達(dá) 1600×800×750，也居世界之首。

目前，部分國(guó)產(chǎn)RP設(shè)備已接近或達(dá)到美國(guó)公司同類產(chǎn)品的水平，價(jià)格卻便宜得多，自主研發(fā)應(yīng)用于快速成型的材料也逐步趨于完善，材料的價(jià)格更加便宜。國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)在快速成型系統(tǒng)的應(yīng)用上，走在了國(guó)內(nèi)制造型企業(yè)前列：如廣東的美的、科龍，江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用快速成型系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。近些年隨著通訊事業(yè)在我國(guó)的高速發(fā)展，一些國(guó)內(nèi)通訊巨頭企業(yè)例如華為、中興等公司也逐漸將快速成型技術(shù)引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，使得公司對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)效率、產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力提升了一個(gè)等級(jí)[2]。

3 快速成型技術(shù)在技校的應(yīng)用

隨著RP技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)界對(duì)相關(guān)技術(shù)和工程應(yīng)用人員的需求量越來(lái)越大。為滿足社會(huì)的需求，各類學(xué)校紛紛增設(shè)了快速成型技術(shù)方面的課程。

就RP技術(shù)而言，據(jù)對(duì)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果顯示，企業(yè)希望畢業(yè)生能了解快速成型的基本理論和工作方法，能熟練運(yùn)用三維軟件進(jìn)行建模和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，且可以熟練應(yīng)用快速成型設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品或模具的快速制造[3]。技工學(xué)校培養(yǎng)的是技能型應(yīng)用人才，具體到快速成型技術(shù)來(lái)說(shuō)，學(xué)生就是會(huì)用快速成型設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品的制造。

為對(duì)接企業(yè)的需求，技工學(xué)校也開(kāi)始紛紛引進(jìn)快速成型設(shè)備，大多數(shù)是3D打印機(jī)并應(yīng)用于課程教學(xué)中。但由于專業(yè)性的原因，主要分布于機(jī)械制造類、創(chuàng)意設(shè)計(jì)類和園林工程類等設(shè)計(jì)類專業(yè)，或者作為選修課供其他有興趣的同學(xué)學(xué)習(xí)。

快速成型設(shè)備的引入把教學(xué)中抽象的物體通過(guò)快速成型技術(shù)直接呈現(xiàn)于學(xué)生和教師面前，為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提供真實(shí)可靠的探索依據(jù)，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣?？焖俪尚驮O(shè)備在技工學(xué)校教育中提高了很多學(xué)科的教學(xué)效果。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）變抽象為具體。教師可以通過(guò)快速成型設(shè)備將抽象的物體打印出來(lái)直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，避免了學(xué)生在對(duì)行業(yè)了解不多的情況下對(duì)抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)困難。如在機(jī)械設(shè)計(jì)中的機(jī)械制圖，學(xué)生可以通過(guò)打印實(shí)物將二維與三維很好地結(jié)合在一起，更加直觀地了解投影的概念；在機(jī)械設(shè)計(jì)課程中，可以將設(shè)計(jì)的圖紙落地變成實(shí)物，讓學(xué)生更好地理解結(jié)構(gòu)與裝配的關(guān)系。還有其他課程如園林設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)和動(dòng)漫設(shè)計(jì)等專業(yè)都可以采用快速成型設(shè)備實(shí)現(xiàn)抽象變具體，便于學(xué)習(xí)。

（2）有利于教師進(jìn)行教學(xué)改革與科研研究。教師可以通過(guò)快速成型設(shè)備制作研究項(xiàng)目的實(shí)物來(lái)測(cè)試研究項(xiàng)目的可行性，同時(shí)還可以大大降低制作成本，節(jié)約時(shí)間。

（3）提高了學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)中的探究能力。技工學(xué)校中建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、園林設(shè)計(jì)和珠寶設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生都能通過(guò)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)后制作出實(shí)體模型，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。能看到成品的出現(xiàn)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究能力。

（4）快速成型技術(shù)為師生的教學(xué)環(huán)境提供了充滿創(chuàng)新和興趣的課堂。教師通過(guò)快速成型技術(shù)把書(shū)本里的抽象物品制作出實(shí)物，同學(xué)們?cè)谝患?shí)物模型前都會(huì)感覺(jué)知識(shí)就在自己身邊，自己的想法也能通過(guò)創(chuàng)新實(shí)體化，這對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)造能力提供了很多種的可能。

（5）快速成型技術(shù)為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育提供了巨大發(fā)展的空間。通過(guò)快速成型技術(shù)可以將同學(xué)們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)展現(xiàn)出來(lái)而不僅僅是停留在紙面上的概念設(shè)計(jì)，這對(duì)于同學(xué)們?cè)趧?chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中是一個(gè)非常重要的技術(shù)。

4 如何培養(yǎng)技校的快速成型技術(shù)技能型人才

快速成型技術(shù)結(jié)合了三維建模技術(shù)、切片技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等于一體，要達(dá)到優(yōu)質(zhì)的教學(xué)效果，應(yīng)該以項(xiàng)目為載體，采用“做中學(xué)，學(xué)中做”的一體化教學(xué)方式，以最大限度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。在項(xiàng)目的設(shè)置上應(yīng)該本著從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，知識(shí)點(diǎn)逐步深入貫穿到整個(gè)教學(xué)中。以機(jī)械設(shè)計(jì)中快速成型技術(shù)的應(yīng)用為例，整個(gè)課程設(shè)計(jì)了4個(gè)項(xiàng)目“軸零件設(shè)計(jì)”“齒輪設(shè)計(jì)”“減速器上蓋設(shè)計(jì)”和“減速器底座設(shè)計(jì)”。

軸零件設(shè)計(jì)項(xiàng)目（8學(xué)時(shí)）：學(xué)生首先學(xué)習(xí)軸技術(shù)知識(shí)；其次在三維建模軟件中完成簡(jiǎn)單的軸零件設(shè)計(jì)（如圖1所示）；隨后將軸的三維模型文件導(dǎo)入到快速成型的切片軟件中，學(xué)習(xí)如何切片，切片完成的模型（如圖1所示）；最后學(xué)習(xí)設(shè)備的操作，將模型打印出來(lái)，驗(yàn)證軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確與否。整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)集理論與實(shí)踐于一體，既學(xué)習(xí)了必須具備的理論知識(shí)，還初步掌握了三維設(shè)計(jì)和快速成型設(shè)備的操作，學(xué)生能看到實(shí)物出現(xiàn)，興趣高漲，對(duì)后續(xù)的課程充滿了期待。同時(shí)操作技術(shù)在后續(xù)的項(xiàng)目中還可以得到加強(qiáng)，這對(duì)以技能型人才為培養(yǎng)目標(biāo)的技校教育來(lái)說(shuō)是非常重要的鍛煉。

5 結(jié)語(yǔ)

快速成型技術(shù)融入技工學(xué)校教育的領(lǐng)域中，對(duì)未來(lái)的國(guó)家制造業(yè)發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)在很多技工學(xué)校的學(xué)生都是企業(yè)未來(lái)生產(chǎn)線上的主力。這些在學(xué)校里學(xué)會(huì)專業(yè)技能又能通過(guò)快速成型技術(shù)進(jìn)行企業(yè)工藝創(chuàng)新的人才將會(huì)是企業(yè)快速發(fā)展的一股重要力量。雖然快速成型技術(shù)進(jìn)入技校教育的時(shí)間不長(zhǎng)，但教育界從上到下都對(duì)此充滿了期待，相信快速成型技術(shù)將在技工學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)中發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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