3D打印技術在模具設計實訓課程中的應用與探索

齊婧妍，白小茗，劉 超

(河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450042)

0 引言

3D打印技術是一種集機械設計與制造、計算機科學技術等多種學科技術于一體的先進制造技術，因其產品質量優、成型效率高和材料成本低的優勢被應用在很多領域。在模具制造領域中常被用于產品的開模，以縮短產品從開發設計到市場投放的時間。將3D打印技術引入到模具專業實訓課程中，避免了因實訓設備數量有限、加工周期太長以及加工中易出現安全事故等問題對學生參與帶來的限制，教師可將復雜結構的模具零件打印成實物展示給學生，學生能更加直觀地觀察模具結構，同時也能將自己的設計打印出來，以快速檢驗設計模型的不足之處并加以改進。與模具專業傳統教學的講解方式相比，3D打印技術的引入增加了教學互動，拓寬了模具設計的范疇，培養了學生的創新思維和創新意識。

1 3D打印技術概述

3D打印也被稱為增材制造(additive manufacturing)，是一種新興的快速成型技術。與傳統的減材制造工藝不同，3D打印是以數據設計文件為基礎，利用三維軟件進行建模，或利用實體掃描設備來獲取實物的數據模型，導入數控成型系統，將材料逐層沉積或粘合以構成3D物體的技術[1]。目前市場上已經出現了3種不同原理的3D打印機： 熔融沉積(FDM)3D打印機(見圖1)、光固化3D打印機和激光燒結3D打印機。其中熔融沉積3D打印機因其操作簡單、維護成本低，目前在教育行業中應用較為廣泛。

圖1 FDM 3D打印原理

2 3D打印技術在模具設計教學中的應用

當前，在模具設計實訓教學中，學生主要是通過手繪或者借助UG、 Pro/E等3D軟件和AutoCAD、 CAXA等2D軟件來完成模具的結構設計，隨后再采用數控加工和電加工的方法將模具型芯、型腔實物加工出來[2]。而模具加工環節對于學校實訓條件要求較高，多數學校因成型加工設備數量有限、加工零件時間過長、實訓課時較短、耗材費用較高和加工安全性等多方面因素的限制，學生所設計的模具大多只停留在設計層面。其設計的可行性無法得到有效驗證，僅憑想象，學生很難切身感受和理解復雜模具的內部構造及成型原理。而3D打印技術成型效率高、耗材成本低的特點，剛好滿足了模具設計實訓課程的教學需要[3]。在實訓課上，學生以小組分工的模式通過學習切片軟件的使用和3D打印機的操作來完成模具加工，只需要較短時間便可通過電腦直接將設計的模具零件打印出來。學生能直觀的通過成品，更加形象地理解模具的設計和制作過程[4]。

3 基于3D打印技術的模具專業實訓課程建設

模具專業3D打印實訓課程應以“理實一體化”教學模式為主，以鍛煉和提高學生自主創新能力為目標[5]，內容從易到難、由淺入深，以激發學生學習興趣，吸引學生不斷探索。3D打印技術實訓課程在時間上應與模具設計課程交叉進行，主要為模具加工環節服務，以縮短模具加工周期，激發學生創新思維，滿足學生個性化的設計需求，便于學生對所打印的型芯、型腔實物進行裝配以印證設計的合理性，教師可對學生在完成作品過程中遇到的問題提供指導，引導學生從初步理解到團隊協作，再到獨立完成設計，能夠解決實際問題，使教學過程更貼近于實際工作崗位[6]。3D打印技術實訓課程教學目標如表1所示。

表1 3D打印技術實訓課程教學目標

3D打印過程主要涉及建模、工藝參數設計、產品打印以及產品后處理等工序，因此3D打印實訓課程內容主要包括3D打印機認知、3D打印機及切片軟件操作、工業類零件切片方法及參數設置，共3個任務模塊。

表2 3D打印技術實訓課程教學任務模塊

3.1 “任務一 3D打印機認知”課程內容設計

該任務環節主要以理論授課為主，通過介紹常見的熔融沉積3D打印機、光固化3D打印機、激光燒結3D打印機等打印機類型和三角洲式、龍門式、Prusa i3、十字軸式、CoreXY式等打印機結構使學生了解3D打印技術的原理、特點、應用范圍、發展方向等基本知識[9]。圖2為筆者所在學校購置的龍門式3D打印機及其內部結構。

(a) 內部

(b) 外觀圖2 龍門式3D打印機

3.2 “任務二 3D打印機及切片軟件操作”課程內容設計

本任務環節采用FDM 3D打印機、Bosheng-Slicer切片軟件進行課程教學，FDM 3D打印機的工作原理主要是熔融沉積式快速成型，它是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過微細噴嘴的噴頭擠噴出來。與前一層面熔結在一起，一層一層的堆疊直到完成實體造型[10]。具體打印流程如圖3所示。

圖3 FDM 3D打印機切片打印操作流程

學生通過計算機采用3D畫圖軟件創建一個3D圖形，如Solidworks， Inventor或者Pro/ENGINEER等軟件，將3D模型文件以STL標準格式導出。3D打印通用格式STL是用三角網格來表現3D的CAD模型，輸出STL文件的參數選擇會影響打印質量。比如在Solidworks軟件中，當輸出STL格式文件時，可以在選項中調整STL格式的誤差范圍。根據需要調整要打印模型的大小和層厚度等，通過打印機編譯軟件(Bosheng-Slicer)對STL格式的文件進行分層，生成打印路徑，轉化為打印機可以識別的G代碼文件。如將STL格式轉為Gcode，它在Z方向將立體圖分切成片狀，產生填充的加工路徑，計算使用的材料的量，并顯示打印時長。在打印零件時，對于零件的擺放位置要考慮零件精度、打印時間、零件強度、支撐、表面質量等因素。準備好3D打印機、材料、電源等后，點擊開始打印。在打印過程中要仔細觀察打印情況，記錄實驗數據，隨時處理打印過程中出現的問題。

3.3 “任務三 工業類零件切片方法及參數設置”課程內容設計

本課程任務主要是在完成3D打印機及切片軟件操作任務目標的基礎上，根據所打印出的模具實物，引導學生思考根據不同的打印件放置方式進行切片后，對打印件表面質量的影響，從而理解以不同放置方式進行切片打印，對打印件零件精度、打印時間、零件強度以及支撐的影響。

表3 工業類零件切片方法及參數設置要點

該環節主要采用任務驅動教學法，使學生通過“學習—訓練—研討—改進”的模式，通過實例演練提高動手能力，引導學生在前一階段打印實物的基礎上總結不足，調整打印件的放置方式、參數設置等，進一步優化方案，使最終打印件達到表面光滑無明顯缺陷，并有一定的強度以滿足使用的標準。

圖4 打印件豎直放置

圖5 打印件水平側放置

4 小結

本文介紹了3D打印技術在模具專業實訓課程中的應用，將抽象的設計圖形轉化成實物，使學生設計的合理性得到有效驗證和優化，有利于加深學生對模具結構的理解，同時對培養和激發學生的創新意識和學習興趣，拓展其對模具技術的認知范圍，培養模具專業復合型創新人才具有重要意義。