基于3D打印技術的快速模具制造開放實驗探討

高　奇， 曾　紅， 張德強

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 錦州　121001)

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基于3D打印技術的快速模具制造開放實驗探討

高奇， 曾紅， 張德強

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 錦州121001)

以培養學生創新能力和綜合素質為目標，結合大學生創新創業訓練項目，闡述基于3D打印技術的快速模具制造開放實驗內容的建設、實驗過程的實施、設備的使用等內容。學生通過參與開放實驗，學習先進的制造技術、增加動手實踐機會、理解知識的產生和發展過程，對于提高學生分析問題、解決問題的能力，培養科學精神和創新思維具有重要的作用。

開放實驗； 快速模具； 3D打印； 工程軟件

傳統實驗教學內容大多數是以原理為基礎的重復性和驗證性實驗為主，學生沒有時間也無法進行創新和新課題的研究，不利于學生創新能力和科研素質的提高[1-2]。開放實驗教學指由教師或學生提出實驗目標或創設問題情境，學生經自主性學習研究、自行設計實驗方案并獨立完成實驗的一種教學方式，實驗室開放是高等學校培養創新人才、實現素質教育目標的客觀要求和有效途徑之一。

目前，高校開放實驗項目的來源主要有:實驗室提供的創新性開放實驗項目；學生結合已獲批立項的科研課題、科技開發項目；學生作為課題組成員直接參與教師科研項目的研究。后2種實驗項目要求學生具有更好的理論基礎和研究能力，因此也稱為創新型開放實驗項目[3-6]，這類實驗項目一般都會伴有新成果出現，如科研論文、電子產品、發明專利等。本文以學生申請獲批的大學生創新創業訓練項目為例，闡述開放實驗的實施與探索，豐富實驗室開放內容，提高開放實驗質量，在大學生創新實踐能力培養中發揮積極作用。

1　開放實驗內容的建設

開放實驗項目以項目組為單位申報，一般3～5人，每學期申報一次，項目負責人為學生，指導教師由有精力和教學科研經驗的教師或實驗技術人員擔任，指導學生項目的申報和建設。每個項目必須通過專家論證才能立項建設。學校職能部門建立專項費用，專管專用，根據實驗建設內容，給予一般項目和重點項目不同額度經費的資助。項目完成建設任務，應及時進行結題驗收。開放實驗項目的建設成果，如技術研究報告、設計圖紙、實物裝置、研究論文、專利申請等，要公布驗收成果，建立開放實驗項目庫。

2　開放實驗的實施

以大學生創新創業訓練項目——基于3D打印技術的手機殼快速模具制造為例，闡述基于3D打印技術的快速模具制造流程。傳統的模具制造方法加工周期長且成本高[7-9]，往往無法滿足新產品對市場的響應速度，基于3D打印技術的快速模具制造利用快速原型作母模翻制模具，在最終模具開模前進行單件試制或小批量生產，可以提高新產品研發的一次成功率，有效縮短研發周期和降低研發成本。

2.1手機殼的三維模型

三維模型是3D打印的基礎，通常可以有2種方式來獲得三維模型：第一種正向造型，可使用Pro/E、SolidWorks、UG等主流軟件按照零件圖尺寸要求創建三維模型；第二種可通過逆向工程技術，使用掃描儀對零件進行數據采集，通過軟件來對獲取的點云數據進行擬合、光順等一系列處理后，同樣獲得3D打印所需要的三維模型。本實驗采用第二種方法，使用非接觸式REVscan自定位手持式三維激光掃描儀獲取點云數據(如圖1所示)，并導入到Imageware軟件中，處理后的三維實體如圖2所示。

圖1　點云數據

圖2　處理后三維模型

2.2手機殼的3D打印

3D打印將計算機輔助設計、輔助制造、數字控制精密伺服驅動和新材料等先進技術集于一體，依據產品的三維設計模型，分層切片得到各層輪廓，并通過激光粘結或熱熔得到各截面的輪廓并逐步形成三維產品。實驗采用西安交大的 SPS450B 快速成型機，通過數據處理軟件完成數據分層處理后(如圖3所示)，再通過控制軟件進行制作工藝參數設定。主要制作工藝設定參數有填充掃描速度2 800 mm/s、掃描間距0.1 mm、支撐掃描速度800 mm/s、跳跨速度12 000 mm/s、輪廓掃面速度1 800 mm/s、補償直徑0.12 mm等。加工得到的樣件經過后處理如圖4所示。后處理是指整個零件成型完成后進行的輔助處理工藝，包括零件的清洗、支撐去除、打磨、表面涂覆以及后固化等。

圖3　數據分層

圖4　手機殼樣件

2.3手機殼的快速模具制作

快速硅膠模具制造技術將快速原型件快速地翻制成塑件和樹脂產品，能夠滿足產品、樣品的單件或者小批量生產的要求。現已成熟的硅膠模具的制作工藝流程示意如下[10-12]：母模→型框制作→硅膠計量→真空脫泡→固化→刀剖開模→取出母模→完成。實驗采用真空注型機ZK-550，手機殼快速硅膠模的制造工藝為：

(1) 將澆道、澆口粘接在手機殼原型件母模上。粘接時一定要選擇表面平整、粘結牢固的地方進行操作，而且盡量不是母模的重要表面。

(2) 將粘接有澆道和澆口的母模懸置于一個箱體(紙盒)內。母模放置一定要平穩牢固，避免澆注硅膠時母模發生移動，影響澆注效果。

(3) 向箱體內澆注硅橡膠。澆注之前，對紙盒尺寸進行測量，如：紙盒長12 cm，寬6 cm，高5 cm，體積為360 cm3，硅膠的密度1.3 g/cm3，計算得出應該澆注的硅膠質量為468 g。用電子秤稱出質量相當的硅膠，避免浪費，并適量多些，以完全覆蓋手機殼。澆注后如圖5所示。

圖5　澆注、真空脫泡過程

(4) 真空脫泡。在澆注硅膠的過程中，流動的硅膠會帶入大量的空氣，在硅膠模具中形成氣泡，影響模具質量，所以必須進行真空脫泡處理，將硅膠放在真空脫泡機中，密封工作室，抽出工作室內的氣體，降低氣壓，排除硅膠中的氣體，如圖5所示。

(5) 固化。為加快固化速度，固化過程可在50 ℃的恒溫箱內進行，固化后去除紙制箱體。

(6) 將硅膠沿分模面切開。為保證硅膠模上下模定位，在分切硅膠模時，切口應切成鋸齒狀或波浪形，保證切面間非常貼合。由于硅膠切割性能良好，用刀片可容易地將其切開，如圖6所示。硅膠有很好的彈性和柔韌性，因此，能夠制作出結構復雜、花紋精細、無拔模斜度或倒拔模斜度及具有深凹槽的零件。

圖6　手機殼硅膠快速模具

3　結語

(1) 開放性實驗教學激發了學生學習興趣，利用實驗教學資源，充分地調動學生的自主性和創新思維，提高了學生分析問題和解決問題的能力，學生的文獻查閱、計算機軟件應用、設備使用與維護等工程實踐能力均得到了較大的提高。

(2) 快速模具制造開放型實驗綜合利用點云處理和三維造型軟件、三維激光掃描儀、真空注型機和3D打印設備，使學生初步掌握快速模具制造技術的理論知識和實踐操作技能，增強了就業的競爭力。快速模具制造技術縮短了產品研制周期，降低了產品研制成本，將給企業帶來巨大的經濟效益。

總之，開放實驗教學已成為培養社會發展需要人才的重要課堂，作為傳統實驗教學的補充和提高，對大學生的創新能力起到積極作用。

References)

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[4] 潘蕾.實驗室開放管理的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2007,24(9):131-133.

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[10] 付澤民,李延平.基于ATOS測量系統快速原型制造技術的實驗教學[J].實驗室研究與探索,2006,25(12):1520-1522.

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[12] 厲丹彤,馮小保,張政.基于快速原型的塑料蚊香盒蓋造型設計及模具CAD / CAE[J].塑料工業,2013(11):45-47.

Discussion on open experiment of rapid mould based on 3D printing technology

Gao Qi, Zeng Hong, Zhang Deqiang

(Mechanical Engineering & Automation College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001,China)

Taking cultivation of students’ innovative ability and comprehensive quality as the research target, combining the undergraduate training programs for innovation and entrepreneurship, some contents are expounded on, including the construction of experimental content, the implementation of experimental process and the use of equipment of rapid mould based on 3D printing. By participating in the open experiment, the students can learn the advanced manufacturing technology, and have more opportunities for hands-on practice, understand the process of the production and development of the knowledge. It plays an important role in improving students’ ability to analyze and solve problems, and cultivating scientific spirit and innovative thinking.

open experiment; rapid mould; 3D printing; engineering software

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.054

2015- 06- 06修改日期：2015- 07- 14

遼寧省重點實驗項目(LS2010080)

高奇(1981—)，男，遼寧錦州，博士，講師，研究方向為機械CAD/CAM/CAE、虛擬樣機技術.

E-mail：qqonline@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)1- 0205- 03