孫國勛，孫超

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院, 湖南 株洲 412001）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化技術(shù)快速發(fā)展的時代，3D打印技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。黨和國家要求職業(yè)教育，培養(yǎng)更多高素質(zhì)技術(shù)技能人才，能工巧匠，大國工匠，深入推進(jìn)育人方式、教學(xué)形式改革[1]。

在《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中,授課教師需要自制或定制實體模型教具，幫助學(xué)生快速理解課程內(nèi)容。教師課堂教學(xué)時，在幾何體表面點線面、空間立體錐體、曲面立體表面點線、較復(fù)雜組合體的教學(xué)過程中，使用了多種微課動畫等信息化教學(xué)手段，學(xué)生仍難以理解空間較復(fù)雜組合體教學(xué)內(nèi)容。很多學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時，因立體空間想象能力局限，學(xué)生很難將組合體軸測圖與二維投影三視圖相互轉(zhuǎn)換，以致《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)任務(wù)難以完成，教學(xué)效果不理想[2]。教師通過教學(xué)實體模型教具演示，每個學(xué)生研究實體模型后，相關(guān)知識點，點線面體在空間立體位置直觀可見，學(xué)習(xí)效果明顯提高了。

采用智能制造3D打印技術(shù)制造《機(jī)械制圖》教學(xué)教具是一個有效的方法，具有很好的實際意義。

圖1所示的齒輪傳動件、組合件、結(jié)構(gòu)件就是采用3D打印的《機(jī)械制圖》實體模型教具。

圖1 3D打印教具

1 3D打印實體教具工藝流程

采用3D打印快速成型教具，制造工藝流程如圖2所示，基本定型規(guī)范。主要是通過計算機(jī)軟件三維建模，再將三維模型分成逐層的截面，切片，計算機(jī)指揮打印機(jī)逐層打印，冷卻成型，最后對打印成型零件少量后期處理。它是一種增材制造技術(shù)[3]。材料利用率高，制造成本相對低。

圖2 3D打印基本工藝流程

研究采用熔融沉積成型（FDM）法（如圖3），采用熱熔噴嘴將熱塑性聚合物絲材和金屬粉末加熱成半流動的熔體后，逐層沉積到噴嘴下方的熱床，凝固成型。

圖3 熔融沉積成型（FDM）

1）工藝特點。

3D打印使用新型材料根據(jù)零部件力學(xué)性能選擇材料類型。如選擇使用融化的樹脂、塑料纖維、金屬或者陶瓷等材料按一定比例組合。

3D打印采用激光同軸送粉工藝（LDM），具備了進(jìn)行精細(xì)化加工的能力，可以穩(wěn)定地輸送滲入15～45 μm的金屬粉末，以此粉末作為原材料，增加零件強(qiáng)度、硬度，提高耐磨性，不發(fā)生表面銹蝕。

采用環(huán)路送粉技術(shù)，使得粉末的會聚能力提升，獲得較小的粉斑會聚，同時較小的粉斑會聚使得可以使用小激光束斑直徑的激光束作為熱源，從而實現(xiàn)對加工制件的精度控制，并使得加工成型效率相比于SLM技術(shù)有了較大的提升。零件尺寸精度高，一致性好，適宜批量制造。

2）工藝主要技術(shù)優(yōu)勢。

a.使用各種粉末材料的成型，產(chǎn)品應(yīng)用十分廣泛；b.原材料利用率高，生產(chǎn)自動化程度高，適合連續(xù)大批量生產(chǎn)；c.能直接成型幾何形狀復(fù)雜的小型零件；d.零件尺寸精度高，表面光潔度好；e.產(chǎn)品相對密度高，組織均勻，性能優(yōu)異。

2 3D打印實體教具技術(shù)關(guān)鍵

本研究選擇國家規(guī)劃教材《機(jī)械制圖》課程系列插圖，著力于金屬3D打印技術(shù)在《機(jī)械制圖》教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，致力于研發(fā)桌面級別的可熔融擠壓打印的（含金屬）3D打印技術(shù)。金屬3D打印是一種快速打印技術(shù)，可以自由成型，個性化制造，適于打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以制造模具的產(chǎn)品，各類制圖教具就是其中一種很重要的打印需求。

本研究金屬3D打印機(jī)采用激光熔覆制造技術(shù)，它是通過激光照射金屬粉末，將金屬粉末熔化，按照預(yù)定的路線一層一層地堆積起來，沉積速度為7.8～8.2 cm3/h；尺寸精度為50～400 μm；熱源功率為1 kW左右；采用的金屬粉末為TI6Al4V鈦合金。將教具打印的需求與鈦合金金屬3D打印結(jié)合起來，大幅度減少設(shè)備的體積，使得產(chǎn)品有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，更加小巧易用[4]。

3D打印制造實體模型教具關(guān)鍵在于建模成型工藝過程、成型材料選擇、成型后處理技術(shù)。

1）產(chǎn)品建模。

如圖4所示，使用工業(yè)三維掃描儀或手持三維掃描儀對已有零部件多方位掃描。將掃描數(shù)據(jù)通過數(shù)字化技術(shù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)三維設(shè)計系統(tǒng)軟件并建立零部件三維模型，如圖5所示。

圖4 三維掃描儀多方位掃描

圖5 建立三維模型

或者由二維CAD零件圖通過計算機(jī)三維設(shè)計系統(tǒng)軟件建立零件三維模型。

2）成型材料選擇。

按需要選擇成型材料，主要有塑料粉末材料（尼龍玻釬、尼龍?zhí)祭w維、尼龍鋁粉、Peek材料）、金屬粉末材料（鋁合金及鈷鉻鉬合金、鐵鎳合金）等。

3）3D打印教具成型。

根據(jù)實體教具模型使用性能要求，合理選擇成型技術(shù)。熔融沉積成型（FDM）與光固化快速成型（SLA）如圖6所示。通過實驗選擇合適的各種技術(shù)參數(shù)。

圖6 3D打印模型

使用要求不同的零件,工藝參數(shù)各不相同。需要研究選擇層厚、壁厚、開啟回軸、底層/頂層厚度、填充密度、打印速度、打印溫度、熱床溫度、支撐類型等。工藝參數(shù)不合理時，成型零件存在各種缺陷，圖7所示的打印零件強(qiáng)度剛度不符合要求。

圖7 有明顯缺陷的模型

4）3D打印成型件后處理。

3D打印機(jī)將主體零件完成后，對打印零件需要做后期處理。在打印的時候，有些結(jié)構(gòu)件存在懸空支撐，有些箱體零件存在內(nèi)腔局部空間，可以設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)頂起來。打印時，支撐部分的孔隙適當(dāng)大一點。先打印懸空支撐部分，然后打印支撐上面的實體部分。最后成型后，將多余的支撐部分去掉，如圖8所示。

圖8 模型去支撐

3D打印出來的零件最后成型后，有些表面會比較粗糙，表面存在微小空洞，可以少量修磨、砂紙拋光成型表面，工具修整不完整型面，如圖9所示。

圖9 粗糙表面拋光與修整

5）其它處理。

3D打印粉末材料過程完成之后，必要時需要一些后續(xù)其它處理，例如：表面噴砂，提高模型成型強(qiáng)度，延長模型保存時間；表面上色處理，有利于制圖時區(qū)分立體不同表面，更好地繪制零件三視圖。

3 3D打印實體教具優(yōu)勢

1）傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程教具的制造方法。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，模型教具大部分材質(zhì)為木料，通過木工加工制作而成，或使用金屬材料通過機(jī)械加工制造。如圖10所示，傳統(tǒng)教具存在制作周期長、造型單一、易開裂、容易損壞、銹蝕等問題。

圖10 傳統(tǒng)教具

傳統(tǒng)做法是學(xué)校統(tǒng)一采購常規(guī)的圓柱體、圓錐體、正方體、長方體、多面體、棱柱體等組合體模型。由于教學(xué)設(shè)計和教學(xué)內(nèi)容不同，其他非標(biāo)準(zhǔn)教具模型大部分由教師自己設(shè)計采用機(jī)械加工制作。由于品種數(shù)量限制，增加了制造難度。

采用機(jī)械加工自制模型教具，由于教具是單件或小批量零件，制造時也需要大規(guī)模的生產(chǎn)場地，需要各種加工設(shè)備、各種加工刀具、各種加工夾具、熱處理設(shè)備、檢驗工具量具。加工工藝復(fù)雜、加工周期長，總是品種不全、不配套，零件表面粗糙，材料利用率低，制造費用高[5]。

2）3D打印實體教具優(yōu)勢。

a.采用新工藝。采用數(shù)字技術(shù)打印機(jī)來實現(xiàn)快速成型。徹底改變了傳統(tǒng)機(jī)械加工的制造流程。尺寸精度高，表面光潔，可快速完成制作。

b.使用新材料?？梢愿鶕?jù)零部件力學(xué)性能選擇制造材料。選擇使用融化的樹脂、塑料纖維、金屬或者陶瓷等材料，按一定比例組合即可。

c.節(jié)約生產(chǎn)材料，降低制造成本。精密成型，沒有機(jī)械加工，沒有材料浪費，減少制造成本，是真正的綠色制造。

d.個性化制造?？梢园凑湛蛻粜枨蠓菢?biāo)獨立制造，沒有任何限制。

e.老師可以利用學(xué)校實訓(xùn)基地“3D打印實訓(xùn)室”引導(dǎo)學(xué)生個性創(chuàng)作，制造教學(xué)實體教具[6]。

f.生產(chǎn)效率高。研發(fā)人員可以在較短的時間內(nèi)通過二維三維軟件設(shè)計零件圖和建立零件模型，使用3D技術(shù)將零件圖樣打印成零件實體模型。減少了零件設(shè)計、機(jī)械加工工藝設(shè)計、機(jī)械制造模具設(shè)計、工裝夾具設(shè)計與制造、零件檢測試制等許多工序要求，使得零件制造過程相對簡單，制造周期大幅縮短，效率更高。

4 結(jié)論

教學(xué)教具是教師改革創(chuàng)新教學(xué)活動中很好的輔助工具,可以幫助學(xué)生更有效地掌握教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。對學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識引領(lǐng)、追求精益求精、掌握先進(jìn)制造技術(shù)的作用尤為重要。

3D打印制造機(jī)械制圖教學(xué)實體模型教具，各類教具可以任意定制，客戶有意愿地創(chuàng)新創(chuàng)意教具，只要有圖樣或模型，通過建模，就可以快速制造。

3D打印可以制造單一零件、單一構(gòu)件，可以制造組合部件、配件，可以組合制造機(jī)械的任一部分。

采用3D打印技術(shù)可以制造其他課程需要的實體教具，具有推廣價值。本研究具有很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。