快速成型機在教學實驗中的應用

劉傳根 周海貝 龔春健

[摘要]介紹了快速成型機的工作原理、應用范圍和教學實驗的過程，重點指出了快速成型機應用在教學實驗中的意義。實踐表明，將快速成型機應用于教學實驗，能規范學生的實驗行為，對學生的綜合素質的培養和動手能力的提高起到了重要的推動作用。

[關鍵詞]快速成型機；教學實驗；模型

[中圖分類號]G40—057

[文獻標識碼]A

[論文編號]1009—8097(2009)13—0305—02

一引言

教學實驗是理論結合實際的橋梁，是培養學生由知識型人才向能力型人才轉化的重要途徑，由于教學實驗具有直觀性、綜合性和創新性，對于學生能力的培養有著重要的不可替代的作用。教學實驗不僅涵蓋了理論課的內容，而且比理論課更加復雜。經過多年的教學實驗，我們深深體會到：借助于先進實驗設備的使用，讓學生在各個環節中通過眼、手、腦等并用，可以很好地訓練和培養他們實事求是、嚴肅認真的科學態度，對提高學生動手能力及知識綜合運用和創新能力，強化教學質量具有重要作用。

長期以來，在材料成型的教學實驗中所使用的儀器設備比較陳舊，實驗方法落后，本科生基本無緣接觸先進的儀器。然而，現在的學生有強烈的求知欲，他們渴望了解新知識，特別是代表學科發展前沿的專業知識，傳統的演示型和驗證型教學實驗總會招致他們的抱怨。基于這種情況，并結合專業教材的更新，材料學院中心實驗室成立了數字制造實驗室，配置了數控雕刻機、工業用掃描儀、影像測量儀、快速成型機等先進裝備，用于教學實驗。下面就快速成型機在教學實驗中的應用談點個人體會。

二快速成型機及其應用范圍

1快速成型機簡介

快速成型技術是近幾年來發展起來的直接根據CAD模型快速生產樣件或零件的成組技術總稱，它集成了CAD技術、數控技術、激光技術和材料技術等現代技術成果，是先進制造技術的重要組成部分。

快速成型機的工作原理是：將單面涂敷一層熱熔膠薄層材料(紙、塑料薄膜或復合材料)，通過熱壓裝置使材料表面達到一定溫度，薄層之間粘合在一起。隨后位于其上方的激光器按照CAD模型切片分層所獲得的數據，將薄層材料切割出零件該層的內外輪廓。激光每加工完一層后，工作臺下降相應的高度，然后再將新的一層薄層材料疊加在上面，重復前述過程。如此反復逐層切割——粘合——切割……，逐層堆積生成三維實體，直至整個零件模型制作完成。非原型實體部分被切割成網格，保留在原處，起支撐和固定作用，制件加工完畢后，可用工具將其剝離。

2快速成型機的應用范圍

(1)可直接制作紙質功能件，用作結構驗證和功能測試。

(2)成形速度快，精度較高，運行費用比較低。

(3)經過技術創新，不僅可制作尺寸較大的制件，也可制作復雜薄壁件，工業應用面廣。

(4)可以直接制作翻砂用模型，替代傳統木模。

(5)可以用轉移涂料技術制造鑄造用金屬模。

(6)制作出來的原型件可翻制各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、石膏模、合金模、電鑄模、環氧樹脂模和氣化模等。

三教學實驗過程

1設備

所用設備是HRP—ⅡB型快速成型機。

2準備過程

本著實驗創新的原則，讓學生根據自己的意愿選題，將自己設計的要制作的模型完成數學建模，然后轉換成STL格式文件，將其復制到快速成型機的數據庫。

3實驗過程

(1)啟用系統軟件：打開HRP2006程序，打開要制造的模型文件，在“制造”中選擇“打開強電”；再在“制造”中選擇“打開加熱器”并根據材料型號設置加熱器溫度。再將其他的參數設置好。將設備的原理、結構、性能、應用范圍，參數設置的原則等向學生講解。

(2)教師示教：約30分鐘后，數控柜操作面板上溫度控制器顯示溫度達到設定值，即可操作。將紙張鋪設好，在“制造”中選擇“基底”，系統進行一次循環的制造，設備正常即可，將操作中注意的事項向學生交代清楚，然后交給學生操作。

(3)學生操作：打開HRP2006程序，打開要制造的模型文件，根據材料型號和模型的外型尺寸大小將所有的參數設置好。將紙張鋪設好，在“制造”中選擇“基底”，系統進行一次循環的制造，然后在模型基底的最大輪廓線內粘上雙面膠帶，再將設備設置成連續制造。模型作完后，用專用工具小心去掉廢料，再用木工工具將模型打磨好。

四實驗結果

二年多來，設備應用于教學實驗、綜合實驗、畢業設計和演示實驗，學生做出了不少成品，圖1(世博會標志)就是其中的一件。

五實驗特點

1直觀性通過實驗，學生可以直接接觸產品的制作過程，對設備的運行有了充分的感覺，對產品由三維圖形轉換到實體，由理性認識上升到感性認識。

2系統性通過實驗，學生可以對產品的全部制作過程，設備的性能、運行狀態和注意事項有了充分的認識。因此，通過實驗，使學生對產品的全部制作過程有了較為系統的認識。

3互動性實驗使用的快速成型機為師生交流提供了一個互動平臺，教師可以在實驗室解答學生提出的問題，學生舉一反三，觸類旁通。

六實驗意義

與傳統的單項實驗相比，快速成型機應用于教學實驗中，顯示出以下優勢：

1對專業課的學習有很大幫助本實驗對專業課特別是模具設計有很大幫助，由于在模具設計時，設計的依據是產品圖紙，不太直觀，對沒有工作經驗的學生來說，難度比較大，而將該產品制作成模型則將對模具設計有很大幫助，也能激發起學生做實驗的興趣。

2提高了實驗的直覺效果由于實驗能直接將模型轉換成實物，因此，提高了實驗的直覺效果，使學生對模型的認識由理性上升到感性認識，增強了學生的感官認識。

3容易獲得理想的實驗結果由于模型是用數學建模制作轉換的，因此需要什么模型，事前可以修改、控制，即使個別學生的實驗結果不理想，可以根據實驗結果修改原模型，以便做出更好的產品。他們從使用CAD軟件設計，到用快速成型機做出工件，將綜合實驗的作用全部發揮了出來。

4有利于發揮學生的動手能力傳統的實驗大都是教師做實驗，學生觀察，記下實驗結果，完成實驗報告就可以了。這導致實驗報告往往只有幾個版本，學生的創新意識無法展現，實踐能力得不到提高。而本實驗不僅需要學生自己動手設置參數，需要處理實驗過程中出現的具體問題，而且產品出來后還要用專用工具將其剝離，并用木工工具將模型打磨好，需要嚴謹的態度和細心地操作。

5對“消極型”學生問題的解決具有促進作用“消極型”學生是指那種對實驗題目不明確，實驗課注意力分散，在分組實驗中只看熱鬧，抄襲實驗報告、對學習抱無所謂的態度，在學習上不努力的學生。而本實驗需要大家分工合作，共同努力才能完成實驗，而且產品做的好他們也有成就感，因此能吸引學生的實驗興趣，規范學生的實驗行為效果非常明顯，提高了學生的整體特別是差生的實驗能力。

6有利于發揮教師的指導作用傳統的實驗大都是教師做實驗，學生觀察，記下結果，完成報告就可以了，而本實驗是需要學生自己動手，教師可以隨時觀察學生的實驗過程，及時糾正學生實驗中存在的問題，充分發揮教師的指導作用。

7有利于教學資源的開發和利用實驗需要使用計算機繪圖軟件和快速成型機，實驗內容可拓展到材料成型專業的綜合實驗、畢業設計和開放實驗，使教學資源得以充分利用。

8有利于提高師生素質使用快速成型機互動實驗室可以激發學生的學習興趣，培養學生自主學習和探索學習的能力，調動學生做實驗的積極性，提高參與意識，使理論學習和實驗驗證相結合，促進學生的綜合素質全面提高。同時要求教師必須提高計算機的應用水平，特別是能熟練應用計算機輔助設計軟件和快速成型機，熟悉模具制造的工藝方法，并能及時解決實驗中出現的技術和理論問題。

經過二年多的教學實踐，快速成型機在不同層面對學生的綜合素質的培養和動手能力的提高起到了重要的推動作用，得到了廣大學生和教師的一致好評。通過這一實驗環節，加深了學生的對理論知識的理解，擴大了學生的眼界和思維能力，提高了學生的動手能力和理論聯系實際的能力，為以后就業和工作奠定了良好的基礎。