3D打印技術(shù)在模具設(shè)計(jì)教學(xué)中的實(shí)踐與探索

1、3d打印技術(shù)在模具設(shè)計(jì)教學(xué)中的實(shí)踐與探索 摘要：3d打印技術(shù)是一項(xiàng)新型快速成型技術(shù)，3d打印機(jī)容易掌握、使用方便，將其應(yīng)用到傳統(tǒng)的模具教學(xué)當(dāng)中，勢必會帶來更加直觀的效果。文章對此觀點(diǎn)進(jìn)行了論述，對其在模具教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索研究。 中國論文網(wǎng) 關(guān)鍵詞：3d打?。荒＞呓虒W(xué)；應(yīng)用研究 中圖分類號：g642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1674-932412-0146-02 隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏的加快，制造業(yè)市場環(huán)境發(fā)生了很大的變化，迅速將產(chǎn)品推向市場已成為制造商把握市場先機(jī)的重要保障。3d打印技術(shù)正是應(yīng)此而快速發(fā)展起來的一項(xiàng)快速成型技術(shù)，目前在很多領(lǐng)域已得到了應(yīng)用。在模具制造領(lǐng)域，3d打印常被

2、用于產(chǎn)品的開模，節(jié)約產(chǎn)品到市場的開發(fā)時(shí)間，但由于存在材料等方面的制約，目前仍沒得到大范圍的投入使用。但是，把3d打印技術(shù)用于模具教學(xué)中，增加教學(xué)互動，強(qiáng)化知識理解，提高學(xué)習(xí)樂趣，是一項(xiàng)值得研究的有意義的事情。近年來，很多的高教專業(yè)在摸索著創(chuàng)新教學(xué)模式，把3d打印系統(tǒng)與教學(xué)體系相整合。我校今年引入多臺桌面3d打印機(jī)，嘗試將此技術(shù)引入教學(xué)實(shí)踐中，并取得了一些效果。 一、3d打印概述 3d打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它以“疊加式制造”著稱，運(yùn)用激光束融化金屬或塑料粉末，以塑造高度復(fù)雜的形狀。3d打印機(jī)操作簡單，只需將建立好

3、的三維模型輸入到3d打印機(jī)的電腦中，就能夠進(jìn)行打印，這也是其比傳統(tǒng)制造業(yè)更便捷的地方。 運(yùn)用3d打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的主要流程是應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維軟件設(shè)計(jì)出立體的樣式加工，然后保存成“.stl、.obj、.thing”等格式，通過makerware軟件將繪制好的模型轉(zhuǎn)換為3d打印機(jī)可以識別的代碼，通過usb接口或者sd卡傳遞給3d打印機(jī)，再通過加熱pla細(xì)絲，使融化后的材料通過噴嘴噴出，打印結(jié)構(gòu)的第一層，然后是第二層、第三層每一層逐漸疊加，最后打印出成型的產(chǎn)品1。其工作原理示意圖見圖1所示。 目前，在教學(xué)中應(yīng)用最普遍的是sla和fdm兩種打印技術(shù)。sla主要用于制作模型，在國外大學(xué)教學(xué)領(lǐng)域上用的比較廣

4、泛。它的優(yōu)勢有：光固化成型法成熟度高，由cad數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具，降低錯(cuò)誤修復(fù)的成本?？梢约庸そY(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具，可聯(lián)機(jī)操作和遠(yuǎn)程控制。存在的缺陷有：系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過高，對工作環(huán)境要求苛刻。成型件多為樹脂類，強(qiáng)度、剛度、耐熱性有限，不利于長時(shí)間保存。預(yù)處理軟件與驅(qū)動軟件運(yùn)算量大，軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，入門困難；立體光固化成型技術(shù)被單一公司所壟斷。fdm主要采用絲狀材料作為原材料，目前市場上采用fdm技術(shù)較為普遍，相對比較便宜，一般在40006000元之間。fdm的優(yōu)勢有：操作環(huán)境干凈、安全，可以在辦公室環(huán)境

5、下進(jìn)行。表面質(zhì)量較好，易于裝配，可以快遞構(gòu)建瓶狀或中空零件。原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換，材料費(fèi)用低。可選用多種材料，如可染色的abs和醫(yī)用的abs、pc、ppse等，材料利用率高。存在的技術(shù)缺陷有：精度較低，難以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。做小件或者精細(xì)件時(shí)不如sla技術(shù)，最高精度0.127mm，與截面垂直的方向強(qiáng)度小，成形速度相對較慢，不適合構(gòu)建大型零件。 二、3d打印機(jī)在模具教學(xué)中的應(yīng)用 在教學(xué)過程中，教師要善于用好各種媒體，要學(xué)會并善于引用一些先進(jìn)技術(shù)來彌補(bǔ)各種直接經(jīng)驗(yàn)的不足，變抽象為具體，使教學(xué)活動更高效。面對第三次工業(yè)革命浪潮，教育需要更多地讓孩子們接觸、感知和體驗(yàn)未來的新

6、興技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，3d打印機(jī)技術(shù)的普及為學(xué)校的創(chuàng)新教育提供了新的視角和技術(shù)支持。 1.課堂教學(xué)中的應(yīng)用。3d打印技術(shù)在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進(jìn)了人的思維能力的進(jìn)一步發(fā)展，它與教學(xué)的融合勢在必行。目前絕大部分模具設(shè)計(jì)課程的教學(xué)，幾乎使用powerpoint或flash軟件來制作多媒體課件，通過動畫、圖形、聲音、視頻的演示，加上教師深入淺出的講解，學(xué)生會在不知不覺中學(xué)到知識。這樣學(xué)生可以在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)和生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)同教師的概念和思維方式，并內(nèi)化到自己新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，形成自己新的概念和思維方式2。隨著3d打印機(jī)的出現(xiàn)，引入該

7、項(xiàng)技術(shù)，將課程中涉及的典型模具零件打印展現(xiàn)，對模具的教學(xué)能夠起到更好的輔助。如圖3所示為3d打印出的鞋模模型，教學(xué)中展示會使學(xué)生對模具有更直觀的認(rèn)識，取得更好的教學(xué)效果。 2.課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。模具設(shè)計(jì)課程通常要進(jìn)行為期12周的課程設(shè)計(jì)，教師輔導(dǎo)學(xué)生使用合適的設(shè)計(jì)軟件，如pro/e、ug，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師負(fù)責(zé)答疑，通過一兩周的課程設(shè)計(jì)使學(xué)生加深對課堂上教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識，達(dá)到融會貫通的目的2。應(yīng)用3d打印機(jī)后，可以安排學(xué)生分組設(shè)計(jì)、分組打印，使學(xué)生能夠真正見識到自己設(shè)計(jì)的模具零件打印成型的過程，更加提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能提高設(shè)計(jì)水平。 三、3d打印技術(shù)在模具

8、教學(xué)中的應(yīng)用效果 3d打印應(yīng)用于教學(xué)，主要分為3d造型設(shè)計(jì)、3d打印、3d打印后處理、性能試驗(yàn)及評估等環(huán)節(jié)。通過一系列環(huán)節(jié)的鍛煉，提高學(xué)生的創(chuàng)意能力、規(guī)劃能力、動手能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，為培養(yǎng)更多的復(fù)合型技術(shù)人才打好基礎(chǔ)。從教學(xué)實(shí)踐的過程來看，取得了如下效果。 1.采用3d打印技術(shù)輔助教學(xué)后，學(xué)生對于模具的基本組成結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行更直觀的觀察，對于模具的結(jié)構(gòu)有了更深的認(rèn)識。 2.采用3d打印技術(shù)輔助教學(xué)后，學(xué)生分組討論問題更加熱烈，對于模具的學(xué)習(xí)興趣有了進(jìn)一步的提高。 3.采用3d打印技術(shù)輔助教學(xué)后，學(xué)生不僅熟悉3d打印機(jī)的操作方法，而且對于先進(jìn)制造技術(shù)有了更多的了解，

9、并產(chǎn)生了濃厚的興趣。 4.3d打印機(jī)可以提高學(xué)生在掌握技術(shù)方面的優(yōu)勢，提高學(xué)生的科技素養(yǎng)。 四、3d打印教學(xué)中注意的問題 1.由于受材料的限制，3d打印機(jī)主要使用塑料作為打印材料，與真正的模具材料存在很大的差別。在教學(xué)過程中，教師注意對此方面要做出提示。 2.模具尺寸的限制。教學(xué)用的3d打印機(jī)多為臺式打印機(jī)，尺寸較小，能夠打印出的產(chǎn)品尺寸受到限制。 3.模具精度的限制。3d打印機(jī)由于分層制造存在“臺階效應(yīng)”，每個(gè)層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差。 五、結(jié)論 教育需要與時(shí)俱進(jìn)，盡可能讓學(xué)生接觸、體驗(yàn)、掌握3d打印這一門新興技術(shù)，從而發(fā)展學(xué)生的空間思維能力和創(chuàng)新思維能力，將會對學(xué)生的未來產(chǎn)生重要影響。實(shí)踐證明，在模具設(shè)計(jì)和制造課程中使用3d打印技術(shù)是可行的，在教學(xué)的過程中也獲得了一些效果。但是不要過多依賴3d打印機(jī)，其只是一種