朱小明, 韓 偉， 牛吉梅， 潘健怡

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，廣州 510800)

0 引 言

近年來我國3D打印技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期，3D打印機(jī)已經(jīng)被用于教學(xué)和科研，逐步改變著傳統(tǒng)教育方式和學(xué)習(xí)方式[1-4]。各高校不斷探索3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，研究可行的基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立3D打印創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，支持和推動(dòng)創(chuàng)客教育的發(fā)展[5-7]。應(yīng)用3D打印技術(shù)，讓設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)作為一種有價(jià)值的教育工具，進(jìn)入機(jī)械類課程教學(xué)的課堂是一種積極的嘗試。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)中十分重要和應(yīng)用廣泛的機(jī)構(gòu)。對(duì)齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式探索具有一定的重要性和代表性。

1 規(guī)劃和流程

教學(xué)中以學(xué)生完成齒輪等相關(guān)機(jī)械原理學(xué)習(xí)，并具有一定二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)能力為前提。學(xué)生以完成齒輪系列零件建模、3D打印加工任務(wù)為核心，運(yùn)用SolidWorks設(shè)計(jì)軟件中齒輪的建模功能，根據(jù)齒輪相關(guān)原理參數(shù)，完成齒輪零件虛擬建模和裝配，學(xué)習(xí)和掌握熱塑擠壓打印原理、3D打印機(jī)的使用并完成齒輪零件加工，對(duì)零件進(jìn)行尺寸測量、裝配、運(yùn)動(dòng)模擬、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化。表1所示對(duì)齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)進(jìn)行了分解和規(guī)劃。

表1 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)規(guī)劃表

該任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式打破傳統(tǒng)理論教學(xué)、二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模式的局限，達(dá)到從理論到二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、三維軟件虛擬建模、3D打印到裝配驗(yàn)證的“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)效果。主要目的是使學(xué)生能完成齒輪系列零件的設(shè)計(jì)建模、3D打印加工、驗(yàn)證和優(yōu)化創(chuàng)新。學(xué)生是操作的主體，而教師是組織任務(wù)、分配、指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)學(xué)生工作的角色。具體的教學(xué)工作流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)工作流程

2 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)

目前應(yīng)用最廣泛的是漸開線齒輪，所以在任務(wù)設(shè)計(jì)中以漸開線齒輪系列零件參數(shù)化建模為主，涉及到齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)等重要技術(shù)參數(shù)[8-9]；3D打印中采用目前使用最廣泛的熱塑擠壓3D打印機(jī)，該類型打印機(jī)的成本逐步降低，已廣泛應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域。本校使用的是太爾時(shí)代公司制造的桌面級(jí)UP！系列3D打印機(jī)。如圖2所示為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪等典型漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪的SolidWorks建模，熱塑擠壓3D打印機(jī)加工，齒輪零件測量、裝配驗(yàn)證的任務(wù)導(dǎo)向圖。

2.1 齒輪系列零件的建模

教師提出齒輪零件的設(shè)計(jì)要求，等學(xué)生分組并完成設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)方案的討論后，指導(dǎo)學(xué)生使用SolidWorks軟件完成齒輪零件的建模。在SolidWorks中繪制符合規(guī)定的齒廓曲線方程的齒輪齒廓較為困難，齒輪建模難度比較大。但SolidWorks軟件中有集成很多常用零件數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)庫、相關(guān)的第三方插件[9-11]，所以學(xué)生不必掌握很好的特征建模能力也可輕松得到基本常用齒輪系列零部件的三維模型。

圖2 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向圖

如圖3所示SolidWorks Toolbox標(biāo)準(zhǔn)件庫中包括多種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的齒輪零件，可直接調(diào)用建立一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)齒廓的齒輪齒圈，然后建立齒輪的輪轂和腹板[10]。在此設(shè)計(jì)過程中，涉及到齒輪模數(shù)、齒數(shù)等參數(shù)，提高學(xué)生對(duì)齒輪理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。

圖3 從Toolbox中建立齒輪零件

GearTrax是SolidWorks第三方插件，是專業(yè)的齒輪產(chǎn)生器。GearTrax插件可用于設(shè)計(jì)直齒輪/斜齒輪、錐齒輪、鏈輪、齒輪傳動(dòng)帶、帶輪、渦輪/蝸桿等，軟件等于是一個(gè)齒輪設(shè)計(jì)條件的輸入界面[9-10]。圖4所示是GearTrax2014插件中直齒輪選項(xiàng)卡界面，在此界面只需選擇齒輪標(biāo)準(zhǔn)和輸入指定的參數(shù)值，例如節(jié)距的規(guī)格、模數(shù)、齒數(shù)、徑向變位系數(shù)、齒面厚度和齒背隙等，系統(tǒng)便自動(dòng)連接到SolidWorks生成相應(yīng)的精確齒輪實(shí)體模型[10]，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)。軟件中的輸入條件，要求學(xué)生應(yīng)用齒輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以鞏固所學(xué)的知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)的理解。圖5所示通過GearTrax輸入不同參數(shù)條件后生成的齒輪系列零件和齒輪裝配體。齒輪模型最后以當(dāng)前3D打印的標(biāo)準(zhǔn)文件格式—STL格式保存輸出。

圖4 geartrax2010插件界面

為提高建模效率，教師可將較難的齒輪模型文件、學(xué)生的優(yōu)秀齒輪模型文件保存在設(shè)計(jì)庫中，建立一個(gè)齒輪零件設(shè)計(jì)庫，實(shí)現(xiàn)資源共享。

2.2 齒輪系列零件的3D打印

在SolidWorks上完成的齒輪虛擬模型要通過3D打印機(jī)打印成可觸摸的物理模型。學(xué)生要了解所用打印機(jī)的原理和學(xué)會(huì)使用打印機(jī)完成齒輪模型加工。

圖6為熱塑擠壓3D打印的原理示意圖。材料被送到加熱后的噴頭內(nèi)加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化后的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)[12]。

圖6 熱塑擠壓3D打印的原理示意圖

本校使用的是UP！系列3D打印機(jī)，料絲使用的是ABS和PLA等熱塑性材料，可以制作體積較大并非常精致的模型。學(xué)生打印操作之前要熟悉打印機(jī)結(jié)構(gòu)，打印軟件參數(shù)的設(shè)定，打印的操作步驟。在打印軟件中設(shè)定合理的加工參數(shù)對(duì)模型的加工非常重要，包括層片厚度、輪廓加工軌跡(截面輪廓的填充方式)、支撐角度、密封表面層數(shù)、掃描速度等。層片厚度越小，零件打印精度越高；輪廓內(nèi)部填充線越密，零件越牢固；在合理的范圍內(nèi)，掃描速度慢一點(diǎn)，打印精度高一點(diǎn)。圖7所示為UP！軟件的參數(shù)設(shè)定界面，該軟件中需設(shè)定的參數(shù)相對(duì)較少，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。

圖7 UP！軟件的參數(shù)設(shè)定界面

UP！系列打印機(jī)操作簡單，步驟如下：開機(jī)、初始化、平臺(tái)加熱—在UP！軟件中導(dǎo)入STL格式文件—調(diào)整模型大小、放置角度和設(shè)定打印參數(shù)—打印加工—取下模型并進(jìn)行后處理。參數(shù)設(shè)定后，打印機(jī)接收數(shù)據(jù)開始打印工作，完成分層堆積過程。打印完成后，模型一般要進(jìn)行后處理，例如移除支撐材料、手工打磨、清洗等。圖8為UP！打印機(jī)進(jìn)行齒輪零件的加工。

2.3 齒輪零件的驗(yàn)證和優(yōu)化

通過3D打印得到齒輪模型后，要進(jìn)行尺寸測量、裝配、運(yùn)動(dòng)模擬等分析，在驗(yàn)證分析中更好了解和掌握齒輪抽象的概念，有助于加強(qiáng)對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)原理的理解，提高動(dòng)手能力。

圖8 UP！打印機(jī)進(jìn)行齒輪零件的加工

模型測量以一對(duì)漸開線直齒輪為例，齒輪打印完成后，用游標(biāo)卡尺測量幾何尺寸：齒輪齒數(shù)、根圓直徑、齒輪孔徑等，進(jìn)而計(jì)算出齒輪的基本參數(shù)：基圓齒距、模數(shù)、分度圓壓力角和齒頂高系數(shù)等[13]，與三維建模中所應(yīng)用的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，加深了解齒輪各部分尺寸與參數(shù)之間的相互關(guān)系。

學(xué)生對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配，運(yùn)動(dòng)模擬，判斷模型設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確、合理可行。教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)并引導(dǎo)學(xué)生在此基礎(chǔ)上形成一些新的想法，對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。圖9所示為應(yīng)用3D打印技術(shù)完成的齒輪系列零件。

圖9 應(yīng)用3D打印技術(shù)完成的齒輪系列零件

3 任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式的延伸

任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式不僅成功地應(yīng)用于齒輪設(shè)計(jì)中，還可延伸到相關(guān)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊中，例如凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等[14]，提高學(xué)生對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)能力，更好地形成組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，拓展創(chuàng)新性思維。最后可結(jié)合課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，由教師提出任務(wù)，學(xué)生分組完成一項(xiàng)機(jī)構(gòu)模型的方案設(shè)計(jì)，完成三維建模，模型打印，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、交流、評(píng)價(jià)和總結(jié)[15]。圖10為我校學(xué)生利用3D打印自主完成的創(chuàng)新組合機(jī)構(gòu)模型，該機(jī)構(gòu)融合了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、SolidWorks軟件建模、3D打印機(jī)、電路控制等知識(shí)。

學(xué)生在此過程中完成的優(yōu)秀機(jī)構(gòu)模型作品，收集起來建立一個(gè)對(duì)學(xué)生開放的機(jī)構(gòu)模型室，并可作為教學(xué)教具使用[16-17]，將有利于教師和學(xué)生學(xué)習(xí)交流，更好開展“觸覺教育”和拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維。

4 結(jié) 語

對(duì)齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式探索是3D打印技術(shù)帶著3D設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)應(yīng)用于機(jī)械類課堂教學(xué)的一種體現(xiàn)，是一種從理論到設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，現(xiàn)實(shí)加固理論的教學(xué)方法的嘗試。該任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式可由齒輪設(shè)計(jì)模塊延伸到其他機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)機(jī)械原理的理解，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)和自主設(shè)計(jì)能力，更好地培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。