齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向教學模式探索

朱小明, 韓 偉， 牛吉梅， 潘健怡

(華南理工大學廣州學院 工程訓練中心，廣州 510800)

0 引 言

近年來我國3D打印技術進入高速發展期，3D打印機已經被用于教學和科研，逐步改變著傳統教育方式和學習方式[1-4]。各高校不斷探索3D打印在教育領域的應用，研究可行的基于3D打印技術的實驗教學，建立3D打印創新教學實驗室，支持和推動創客教育的發展[5-7]。應用3D打印技術，讓設計軟件和3D打印機作為一種有價值的教育工具，進入機械類課程教學的課堂是一種積極的嘗試。齒輪傳動機構是機械系統中十分重要和應用廣泛的機構。對齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向教學模式探索具有一定的重要性和代表性。

1 規劃和流程

教學中以學生完成齒輪等相關機械原理學習，并具有一定二維圖紙設計能力為前提。學生以完成齒輪系列零件建模、3D打印加工任務為核心，運用SolidWorks設計軟件中齒輪的建模功能，根據齒輪相關原理參數，完成齒輪零件虛擬建模和裝配，學習和掌握熱塑擠壓打印原理、3D打印機的使用并完成齒輪零件加工，對零件進行尺寸測量、裝配、運動模擬、設計驗證和優化。表1所示對齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向教學進行了分解和規劃。

表1 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向教學規劃表

該任務導向教學模式打破傳統理論教學、二維圖紙設計模式的局限，達到從理論到二維圖紙設計、三維軟件虛擬建模、3D打印到裝配驗證的“教、學、做”一體化教學效果。主要目的是使學生能完成齒輪系列零件的設計建模、3D打印加工、驗證和優化創新。學生是操作的主體，而教師是組織任務、分配、指導和點評學生工作的角色。具體的教學工作流程如圖1所示。

圖1 教學工作流程

2 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向教學

目前應用最廣泛的是漸開線齒輪，所以在任務設計中以漸開線齒輪系列零件參數化建模為主，涉及到齒輪的模數、齒數、壓力角、齒頂高系數等重要技術參數[8-9]；3D打印中采用目前使用最廣泛的熱塑擠壓3D打印機，該類型打印機的成本逐步降低，已廣泛應用于教學領域。本校使用的是太爾時代公司制造的桌面級UP！系列3D打印機。如圖2所示為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪等典型漸開線標準齒輪的SolidWorks建模，熱塑擠壓3D打印機加工，齒輪零件測量、裝配驗證的任務導向圖。

2.1 齒輪系列零件的建模

教師提出齒輪零件的設計要求，等學生分組并完成設計參數、設計方案的討論后，指導學生使用SolidWorks軟件完成齒輪零件的建模。在SolidWorks中繪制符合規定的齒廓曲線方程的齒輪齒廓較為困難，齒輪建模難度比較大。但SolidWorks軟件中有集成很多常用零件數據的設計庫、相關的第三方插件[9-11]，所以學生不必掌握很好的特征建模能力也可輕松得到基本常用齒輪系列零部件的三維模型。

圖2 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向圖

如圖3所示SolidWorks Toolbox標準件庫中包括多種設計標準的齒輪零件，可直接調用建立一個具有標準齒廓的齒輪齒圈，然后建立齒輪的輪轂和腹板[10]。在此設計過程中，涉及到齒輪模數、齒數等參數，提高學生對齒輪理論知識的理解和應用能力。

圖3 從Toolbox中建立齒輪零件

GearTrax是SolidWorks第三方插件，是專業的齒輪產生器。GearTrax插件可用于設計直齒輪/斜齒輪、錐齒輪、鏈輪、齒輪傳動帶、帶輪、渦輪/蝸桿等，軟件等于是一個齒輪設計條件的輸入界面[9-10]。圖4所示是GearTrax2014插件中直齒輪選項卡界面，在此界面只需選擇齒輪標準和輸入指定的參數值，例如節距的規格、模數、齒數、徑向變位系數、齒面厚度和齒背隙等，系統便自動連接到SolidWorks生成相應的精確齒輪實體模型[10]，并可在此基礎上進行再設計。軟件中的輸入條件，要求學生應用齒輪參數進行設計，可以鞏固所學的知識，加深對知識的理解。圖5所示通過GearTrax輸入不同參數條件后生成的齒輪系列零件和齒輪裝配體。齒輪模型最后以當前3D打印的標準文件格式—STL格式保存輸出。

圖4 geartrax2010插件界面

為提高建模效率，教師可將較難的齒輪模型文件、學生的優秀齒輪模型文件保存在設計庫中，建立一個齒輪零件設計庫，實現資源共享。

2.2 齒輪系列零件的3D打印

在SolidWorks上完成的齒輪虛擬模型要通過3D打印機打印成可觸摸的物理模型。學生要了解所用打印機的原理和學會使用打印機完成齒輪模型加工。

圖6為熱塑擠壓3D打印的原理示意圖。材料被送到加熱后的噴頭內加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化后的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結[12]。

圖6 熱塑擠壓3D打印的原理示意圖

本校使用的是UP！系列3D打印機，料絲使用的是ABS和PLA等熱塑性材料，可以制作體積較大并非常精致的模型。學生打印操作之前要熟悉打印機結構，打印軟件參數的設定，打印的操作步驟。在打印軟件中設定合理的加工參數對模型的加工非常重要，包括層片厚度、輪廓加工軌跡(截面輪廓的填充方式)、支撐角度、密封表面層數、掃描速度等。層片厚度越小，零件打印精度越高；輪廓內部填充線越密，零件越牢固；在合理的范圍內，掃描速度慢一點，打印精度高一點。圖7所示為UP！軟件的參數設定界面，該軟件中需設定的參數相對較少，有利于學生學習和使用。

圖7 UP！軟件的參數設定界面

UP！系列打印機操作簡單，步驟如下：開機、初始化、平臺加熱—在UP！軟件中導入STL格式文件—調整模型大小、放置角度和設定打印參數—打印加工—取下模型并進行后處理。參數設定后，打印機接收數據開始打印工作，完成分層堆積過程。打印完成后，模型一般要進行后處理，例如移除支撐材料、手工打磨、清洗等。圖8為UP！打印機進行齒輪零件的加工。

2.3 齒輪零件的驗證和優化

通過3D打印得到齒輪模型后，要進行尺寸測量、裝配、運動模擬等分析，在驗證分析中更好了解和掌握齒輪抽象的概念，有助于加強對齒輪機構原理的理解，提高動手能力。

圖8 UP！打印機進行齒輪零件的加工

模型測量以一對漸開線直齒輪為例，齒輪打印完成后，用游標卡尺測量幾何尺寸：齒輪齒數、根圓直徑、齒輪孔徑等，進而計算出齒輪的基本參數：基圓齒距、模數、分度圓壓力角和齒頂高系數等[13]，與三維建模中所應用的參數值進行對比，加深了解齒輪各部分尺寸與參數之間的相互關系。

學生對齒輪機構進行裝配，運動模擬，判斷模型設計是否準確、合理可行。教師進行點評并引導學生在此基礎上形成一些新的想法，對齒輪機構進行優化和創新設計。圖9所示為應用3D打印技術完成的齒輪系列零件。

圖9 應用3D打印技術完成的齒輪系列零件

3 任務導向教學模式的延伸

任務導向教學模式不僅成功地應用于齒輪設計中，還可延伸到相關的機構設計模塊中，例如凸輪機構、連桿機構、蝸輪蝸桿機構等[14]，提高學生對機械機構的綜合設計能力，更好地形成組合結構設計和創新機構設計，拓展創新性思維。最后可結合課程設計內容，由教師提出任務，學生分組完成一項機構模型的方案設計，完成三維建模，模型打印，并對模型進行驗證、交流、評價和總結[15]。圖10為我校學生利用3D打印自主完成的創新組合機構模型，該機構融合了機構設計原理、SolidWorks軟件建模、3D打印機、電路控制等知識。

學生在此過程中完成的優秀機構模型作品，收集起來建立一個對學生開放的機構模型室，并可作為教學教具使用[16-17]，將有利于教師和學生學習交流，更好開展“觸覺教育”和拓展學生的創新思維。

4 結 語

對齒輪系列零件由建模到3D打印的任務導向教學模式探索是3D打印技術帶著3D設計軟件和3D打印機應用于機械類課堂教學的一種體現，是一種從理論到設計，設計變為現實，現實加固理論的教學方法的嘗試。該任務導向教學模式可由齒輪設計模塊延伸到其他機構設計模塊，強化學生對機械原理的理解，提高創新設計和自主設計能力，更好地培養學生工程實踐能力。