3D打印教具在模具CAD/CAM中的應用研究

褚忠 　華福文 　林海龍 　吳興農

[摘 要]模具教具定制是提高模具CAD/CAM課堂教學效果的保障，基于機械三維CAD/CAE/CAM軟件進行零件的模型設計、成型工藝的優化和模具成型零部件的設計，利用3D打印技術快速打印模具核心部件，采購標準的教具模架，實現模具教具的快速設計和制造。基于3D打印的教具的研發，既可改善教學效果，又可提高師生的創新思維和實踐能力。

[關鍵詞]教具;模具CADCAM;3D打印

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0089-03

模具CAD/CAM技術是改造傳統模具生產方式的關鍵技術，可提高模具質量，縮短模具加工周期。模具CAD/CAM課程是一門應用性與實踐性很強的項目化課程，在傳統教學中，大部分是以理論為主線，技能學習為輔。傳統模具CAD/CAM課程教學中：（1）重點講解CAD/CAM原理或三維軟件命令的使用，學生缺乏獨立思考。（2）缺乏模具相關的專業知識的融會貫通。沒有將產品設計、模具設計、數控加工與3D打印等增材制造技術融合起來，導致學生在課程學習完畢后，不能全面理解基于CAD/CAM的模具設計及制造的過程。（3）課內課外實驗中，模具教具和實驗設備通常是從教具公司直接購買的，任課教師只能選擇購買的模具教具，模具及產品缺乏針對性，模具模型及教具難以滿足正常教學的需要，也不能了解最新的模具設計和制造技術，其結果是購置的教具和設備不能滿足課程大綱的需要，不能滿足專業基本技能訓練的要求，無法適應地域經濟及行業發展對人才培養的需要。3D打印技術使得任課教師可以方便地設計、打印模型教具，可正向或逆向設計產品模型和模具教具，并可以設計個性化的教學模型以適應教學內容的要求。

3D 打印為教育行業打開了一扇新窗口，應用型本科院校及大中專學校都在研究、探索如何將該技術應用到相關的教學和學習中。學生不僅可以享受到3D設計和3D打印技術輔助教學的便利，激發對3D打印的興趣，促進學生對模具設計和制造的技術進步，也會對他們的未來的職業發展產生深遠的影響。利用3D 打印技術制作模具教具，用于注塑模具和沖壓模具等課程中，促進學生對不同模具結構的快速了解，學習模具新材料等知識。國內的眾多高校已建立了3D 打印實驗室，學生在實驗室內就可以把自己設計的數字化模型轉化成為實物作品，并方便隨時反復修改，以達到優化設計。

一、模具教具的定制

自制教具在教具中占有很重要的位置，自制教具是教師和學生在3D打印實驗室內，結合課堂學習知識和實驗需要，團隊一起動手設計制作的教具，并反過來用于教學。從改革教學方法的角度看，它會比一般教具更有使用價值。

（一）自制教具的作用

1.自制教具在課堂教學中有良好的作用。教師在深入鉆研教材內容的基礎上，備課時根據自己的教學方法，設計制作自己想要的教具，課堂上可充分展示教學內容，解決課程的難點問題。

2.培養師生的跨學科知識的應用能力。自制教具的設計是應用專業知識與教學經驗進行創造性的活動。由于模具教具的設計和制造涉及計算機、材料及控制等多學科、多領域的知識，在創造性思維物化的過程中，對學生的創新意識會起到強化作用，師生協作能促進創新思維的發展和動手能力的提高。

3.促進大學生提升創新實踐能力。在大學生科創活動中，將機械制圖、機械原理及專業課塑料成型工藝與模具設計等課程知識點應用到項目中，既能將課本知識與實際結合，又能促進創新意識的提高。

總之，自制模具教具不但有利于提高教學質量，對教學方法的改革和學生綜合素質培養也有好處。

（二）模具教具的制作過程

模具教具的制作過程為：確定設計內容→分析計算→CAD設計繪圖→制作加工→實驗校準→完成教具。要成功地制作出一種教具，需要在這些制作過程中反復試驗修改。3D打印技術恰好為這種過程提供極大的便利，對于復雜外形的教具，具體的程序會有些變化。

二、3D打印技術在教具設計中的應用

3D打印技術在實現個性化定制方面具有獨特的優勢，基于三維軟件（UG NX、Solidworks等）設計教具數字化模型，可快速實現模型的實物化。

（一）3D打印技術概述

3D打印快速成型技術是一項興起很快的成型技術，在全世界吸引眾多人群對其進行研發，掀起了極大的熱潮。這種技術的原理較簡單，即首先通過三維設計軟件，設計出想要的三維數字模型，通過切片軟件，對模型切片進行分析，即將模型劃分成一定厚度（0.1～0.2mm）的單位層，設置打印參數后，生成打印文件，然后導入打印機，選用單一或多種材料，完成打印，對打印零件進行適當的后處理。

3D打印被稱為具有革命意義的新興成型技術，不僅在現代加工業的市場占有一席之地，并對醫學領域、航空航天技術、食品、化妝品等行業發起有效的沖擊。各個國家因3D打印技術在當代和未來的發展前景，投入大量的人力物力，不僅使3D打印快速成型技術本身飛速發展，也降低了3D打印領域產品的制造成本，更是開拓了應用的市場，擴大了3D打印技術的使用范圍，例如文化創意領域廣泛應用3D打印技術制作作品并在市場取得較高的收益。

根據現有的參照實物，3D打印快速成型技術引申出來的逆向工程再制造技術，使得其更具有發揮的空間和應用的前景。通過三維掃描儀，將實物模型掃描，形成點云文件，再經專業軟件（Geomagic design，Imageware等）處理，形成實體文件，也可添加特征，利用正逆向混合技術，設計理想的成品。

3D打印快速成型技術逐漸進入教育行業，輔助教師進行課程課件設計，在中小學到當代大學的課程中屢見不鮮。將3D打印技術更好地融入教育行業，結合專業優勢，定制教具，可更好發揮其作用，也使課堂內容更加豐富，教具本身的制作過程及作用可同時呈現在課堂上。

（二）開發內容

應用型本科院校培養目標是面向社會需求，為企業培養生產、管理、服務行業高級專門技術人才，既不同于研究型大學培養的理論型高級人才，也不同于職業院校培養的技能型人才。其培養的人才不僅能掌握生產的各種高級技能，還具有將高新科技轉化為生產力的能力，即具有設計與開發能力。

上海應用技術大學“3D打印裝備與制造實驗室”，是與青島尤尼科技有限公司、上海存知光電有限公司共同建立的聯合實驗室，經過三年多的運行和總結，形成如圖1所示的3D打印教育模式。在校企聯合實驗室平臺上，合作企業接受在校學生的實習，為學校提供培養計劃的修改意見，講授和指導校企聯合課程與實驗;另外，學校幫助企業完成3D打印機培訓及售后服務，降低企業銷售成本。校企聯合實驗室內，企業和學校共同促進搞好“三創（創新、創業、創客）”活動，貫徹落實“創客校園”的主題活動。將3D打印與傳統教育相結合，學生可直接參與課程實驗，既有利于對模具相關知識的深入學習，又能激發學生的創造力，對培養社會需要的應用型工程師大有益處。

在此平臺上，開展模具教具設計，內容如下：

1.模具教具快速設計系統

依據產品形狀及技術要求，基于三維軟件正向設計模具結構，利用3D打印機打印模具零部件，并完成裝配。

2.模具教具逆向設計

通過三坐標測量機或激光測量機對實物進行掃描，把測量所獲得的點云數據交給CAD軟件或專門的反求軟件中，對點云數據群進行編輯、過濾、整理、排序、局部修改與重組，然后生成曲線、曲面，獲得同實物精確一致的三維數字模型，最后再設計產品模型、3D打印模具零部件。

3.建立基于3D打印的模具教具設計系統

建立基于3D打印的模具教具設計數據庫，設計流程，打印優化參數，靈活運用裝配方法等。

4.3D打印材料及成型工藝研究

研究不同材料（ABS、PLA、蠟絲等）的成型工藝，優化工藝參數。

三、注塑模具教具設計

圖2為一個汽車上的結構件——角扣，是起連接作用的一個塑料件，材料為ABS，精度等級為MT3。圖3為外形及工程尺寸。

（一）模具型芯型腔設計

對這個塑料件產品的使用性能進行分析，其中也包括了外形分析及成型工藝分析。零件厚度約2.5mm，側面為1.5mm，頂面為1.5mm，結構性較為合理，符合注塑成型的條件。其體積為V=14.9cm3。零件下底面有一不平的凸狀物，中間有一個小臺階，零件側壁有均勻分布的凹槽。本塑料件不允許有外形和結構的損傷。

在課程中，可將此塑料件作為模具拆裝實驗的教具。實驗目的是對于模具教具進行拆裝，熟悉模具的基本結構，并繪制簡圖。因此，對模具要進行簡化，但保留模具整體結構的完整性，例如冷卻系統等零件。簡化整體模具模型建模如下。

動模固定板去除了螺紋連接等方式，改用間隙配合和過盈配合連接，簡化流道等，如圖4、圖5所示。

本模具教具設計中，選用3D打印型芯型腔配合現有模具教具進行配合實驗。現有注塑模具教具為標準C1二板模，型芯型腔尺寸為100[×]100mm。標準模架和實物如圖6、圖7所示。

（二）3D打印實體

模型設計完成后，選擇合適的打印機進行打印。對于模具教具而言，意圖在于學習不同類型的模具結構，因此對于簡化后的模具教具精度可適當降低。這里選用的是FDM桌面級3D打印機，打印精度為0.02mm。在3D打印教具之前，對材料進行分析，對于FDM打印機所需考慮的問題主要有：

1.翹曲問題。因為FDM 3D打印機是將絲狀材料熔化再通過自然冷卻凝固，在打印時，在進行上層打印過程時，下層已打印的材料已冷卻，溫差變化會導致材料收縮變化，導致翹曲。

2.收縮率。PLA的材料會有一定的收縮率，與3D打印機的熔融狀態、冷卻溫度及冷卻速度有關。在非控制收縮率打印狀況下進行打印，會導致精度偏差。

模具教具需要對成型部件與模架進行配合，因此要保證打印的精度，就必須通過實驗了解當前環境下，收縮率和翹曲問題的數據，并進行多次實驗，比對數據，對于收縮率和翹曲設置打印參數。實驗過程如圖8所示。

通過對大尺寸零部件、矩形零件、圓柱形零件、凸臺零件、內孔零件進行打印實驗，分別量取尺寸、直線度、平面度、圓柱度、垂直度等進行分析，收縮率影響達到0.2%～1.5%不等，其中大尺寸零部件和小尺寸零部件的精度偏差最大。

針對此試驗結果，對設計模型進行適當處理，打印后的模型如圖9、圖10、圖11所示。模具安裝時需要手工對其外表面進行打磨，以確保模具教具的正常使用。

四、結語

基于3D打印技術在模具CAD/CAM教學中的應用，可形成一套的模具CAD/CAM教學解決方案，涵蓋教學資源、教學案例、技術服務、模型庫等。3D打印技術有利于相關課程教學方法的改善，模具模型可在塑料成型工藝及模具設計、沖壓工藝及模具設計課堂教學中使用，課堂上即可拆裝，利于學生對模具結構的理解。

1.將模具設計理論方法與模具制造相結合，提高教學效果。模具CAD/CAM教學實驗系統，一方面可在材料成型及控制工程專業相關課程中使用，也可在機械制造及自動化專業課程模具CAD/CAM中使用，設計打印各種典型機構，并應用在教學實踐中。

2.利用3D打印技術，可實現復雜結構的模具制造。將標準模架或其他構架與3D打印零件相結合，可快速實現模具教具的定制，有利于課堂教學。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 劉新娜，薛智勇.應用型創新人才培養模式下的模具CAD/CAM技術課教學改革[J].職業，2014（12）.

[2] 周成飛.淺論3D打印技術在機械工程設計中的有效運用[J].當代教育實踐與教學研究，2018（4）.

[3] 王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育，2013（8）.

[4] 尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學生創新教育的3D打印教學實驗平臺研究與應用[J].中國輕工教育，2016（3）.

[責任編輯：鐘 嵐]