齊婧妍，白小茗，劉 超

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引言

3D打印技術(shù)是一種集機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，因其產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)、成型效率高和材料成本低的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用在很多領(lǐng)域。在模具制造領(lǐng)域中常被用于產(chǎn)品的開(kāi)模，以縮短產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)到市場(chǎng)投放的時(shí)間。將3D打印技術(shù)引入到模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程中，避免了因?qū)嵱?xùn)設(shè)備數(shù)量有限、加工周期太長(zhǎng)以及加工中易出現(xiàn)安全事故等問(wèn)題對(duì)學(xué)生參與帶來(lái)的限制，教師可將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具零件打印成實(shí)物展示給學(xué)生，學(xué)生能更加直觀地觀察模具結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能將自己的設(shè)計(jì)打印出來(lái)，以快速檢驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的不足之處并加以改進(jìn)。與模具專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)的講解方式相比，3D打印技術(shù)的引入增加了教學(xué)互動(dòng)，拓寬了模具設(shè)計(jì)的范疇，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印也被稱為增材制造(additive manufacturing)，是一種新興的快速成型技術(shù)。與傳統(tǒng)的減材制造工藝不同，3D打印是以數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)文件為基礎(chǔ)，利用三維軟件進(jìn)行建模，或利用實(shí)體掃描設(shè)備來(lái)獲取實(shí)物的數(shù)據(jù)模型，導(dǎo)入數(shù)控成型系統(tǒng)，將材料逐層沉積或粘合以構(gòu)成3D物體的技術(shù)[1]。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了3種不同原理的3D打印機(jī)： 熔融沉積(FDM)3D打印機(jī)(見(jiàn)圖1)、光固化3D打印機(jī)和激光燒結(jié)3D打印機(jī)。其中熔融沉積3D打印機(jī)因其操作簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低，目前在教育行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。

圖1 FDM 3D打印原理

2 3D打印技術(shù)在模具設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

當(dāng)前，在模具設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，學(xué)生主要是通過(guò)手繪或者借助UG、 Pro/E等3D軟件和AutoCAD、 CAXA等2D軟件來(lái)完成模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隨后再采用數(shù)控加工和電加工的方法將模具型芯、型腔實(shí)物加工出來(lái)[2]。而模具加工環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)校實(shí)訓(xùn)條件要求較高，多數(shù)學(xué)校因成型加工設(shè)備數(shù)量有限、加工零件時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、實(shí)訓(xùn)課時(shí)較短、耗材費(fèi)用較高和加工安全性等多方面因素的限制，學(xué)生所設(shè)計(jì)的模具大多只停留在設(shè)計(jì)層面。其設(shè)計(jì)的可行性無(wú)法得到有效驗(yàn)證，僅憑想象，學(xué)生很難切身感受和理解復(fù)雜模具的內(nèi)部構(gòu)造及成型原理。而3D打印技術(shù)成型效率高、耗材成本低的特點(diǎn)，剛好滿足了模具設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)需要[3]。在實(shí)訓(xùn)課上，學(xué)生以小組分工的模式通過(guò)學(xué)習(xí)切片軟件的使用和3D打印機(jī)的操作來(lái)完成模具加工，只需要較短時(shí)間便可通過(guò)電腦直接將設(shè)計(jì)的模具零件打印出來(lái)。學(xué)生能直觀的通過(guò)成品，更加形象地理解模具的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程[4]。

3 基于3D打印技術(shù)的模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)

模具專業(yè)3D打印實(shí)訓(xùn)課程應(yīng)以“理實(shí)一體化”教學(xué)模式為主，以鍛煉和提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)[5]，內(nèi)容從易到難、由淺入深，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生不斷探索。3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程在時(shí)間上應(yīng)與模具設(shè)計(jì)課程交叉進(jìn)行，主要為模具加工環(huán)節(jié)服務(wù)，以縮短模具加工周期，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，滿足學(xué)生個(gè)性化的設(shè)計(jì)需求，便于學(xué)生對(duì)所打印的型芯、型腔實(shí)物進(jìn)行裝配以印證設(shè)計(jì)的合理性，教師可對(duì)學(xué)生在完成作品過(guò)程中遇到的問(wèn)題提供指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生從初步理解到團(tuán)隊(duì)協(xié)作，再到獨(dú)立完成設(shè)計(jì)，能夠解決實(shí)際問(wèn)題，使教學(xué)過(guò)程更貼近于實(shí)際工作崗位[6]。3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

表1 3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)目標(biāo)

3D打印過(guò)程主要涉及建模、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品打印以及產(chǎn)品后處理等工序，因此3D打印實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容主要包括3D打印機(jī)認(rèn)知、3D打印機(jī)及切片軟件操作、工業(yè)類零件切片方法及參數(shù)設(shè)置，共3個(gè)任務(wù)模塊。

表2 3D打印技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)任務(wù)模塊

3.1 “任務(wù)一 3D打印機(jī)認(rèn)知”課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

該任務(wù)環(huán)節(jié)主要以理論授課為主，通過(guò)介紹常見(jiàn)的熔融沉積3D打印機(jī)、光固化3D打印機(jī)、激光燒結(jié)3D打印機(jī)等打印機(jī)類型和三角洲式、龍門(mén)式、Prusa i3、十字軸式、CoreXY式等打印機(jī)結(jié)構(gòu)使學(xué)生了解3D打印技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、發(fā)展方向等基本知識(shí)[9]。圖2為筆者所在學(xué)校購(gòu)置的龍門(mén)式3D打印機(jī)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(a) 內(nèi)部

(b) 外觀圖2 龍門(mén)式3D打印機(jī)

3.2 “任務(wù)二 3D打印機(jī)及切片軟件操作”課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

本任務(wù)環(huán)節(jié)采用FDM 3D打印機(jī)、Bosheng-Slicer切片軟件進(jìn)行課程教學(xué)，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)的工作原理主要是熔融沉積式快速成型，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過(guò)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來(lái)。與前一層面熔結(jié)在一起，一層一層的堆疊直到完成實(shí)體造型[10]。具體打印流程如圖3所示。

圖3 FDM 3D打印機(jī)切片打印操作流程

學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)采用3D畫(huà)圖軟件創(chuàng)建一個(gè)3D圖形，如Solidworks， Inventor或者Pro/ENGINEER等軟件，將3D模型文件以STL標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出。3D打印通用格式STL是用三角網(wǎng)格來(lái)表現(xiàn)3D的CAD模型，輸出STL文件的參數(shù)選擇會(huì)影響打印質(zhì)量。比如在Solidworks軟件中，當(dāng)輸出STL格式文件時(shí)，可以在選項(xiàng)中調(diào)整STL格式的誤差范圍。根據(jù)需要調(diào)整要打印模型的大小和層厚度等，通過(guò)打印機(jī)編譯軟件(Bosheng-Slicer)對(duì)STL格式的文件進(jìn)行分層，生成打印路徑，轉(zhuǎn)化為打印機(jī)可以識(shí)別的G代碼文件。如將STL格式轉(zhuǎn)為Gcode，它在Z方向?qū)⒘Ⅲw圖分切成片狀，產(chǎn)生填充的加工路徑，計(jì)算使用的材料的量，并顯示打印時(shí)長(zhǎng)。在打印零件時(shí)，對(duì)于零件的擺放位置要考慮零件精度、打印時(shí)間、零件強(qiáng)度、支撐、表面質(zhì)量等因素。準(zhǔn)備好3D打印機(jī)、材料、電源等后，點(diǎn)擊開(kāi)始打印。在打印過(guò)程中要仔細(xì)觀察打印情況，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨時(shí)處理打印過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

3.3 “任務(wù)三 工業(yè)類零件切片方法及參數(shù)設(shè)置”課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

本課程任務(wù)主要是在完成3D打印機(jī)及切片軟件操作任務(wù)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所打印出的模具實(shí)物，引導(dǎo)學(xué)生思考根據(jù)不同的打印件放置方式進(jìn)行切片后，對(duì)打印件表面質(zhì)量的影響，從而理解以不同放置方式進(jìn)行切片打印，對(duì)打印件零件精度、打印時(shí)間、零件強(qiáng)度以及支撐的影響。

表3 工業(yè)類零件切片方法及參數(shù)設(shè)置要點(diǎn)

該環(huán)節(jié)主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，使學(xué)生通過(guò)“學(xué)習(xí)—訓(xùn)練—研討—改進(jìn)”的模式，通過(guò)實(shí)例演練提高動(dòng)手能力，引導(dǎo)學(xué)生在前一階段打印實(shí)物的基礎(chǔ)上總結(jié)不足，調(diào)整打印件的放置方式、參數(shù)設(shè)置等，進(jìn)一步優(yōu)化方案，使最終打印件達(dá)到表面光滑無(wú)明顯缺陷，并有一定的強(qiáng)度以滿足使用的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 打印件豎直放置

圖5 打印件水平側(cè)放置

4 小結(jié)

本文介紹了3D打印技術(shù)在模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用，將抽象的設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)化成實(shí)物，使學(xué)生設(shè)計(jì)的合理性得到有效驗(yàn)證和優(yōu)化，有利于加深學(xué)生對(duì)模具結(jié)構(gòu)的理解，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)興趣，拓展其對(duì)模具技術(shù)的認(rèn)知范圍，培養(yǎng)模具專業(yè)復(fù)合型創(chuàng)新人才具有重要意義。