快速成型技術(shù)在工程訓(xùn)練教學(xué)中的應(yīng)用研究＊

段康容，張立紅

（西南科技大學(xué) 工 程技術(shù)中心，四川 綿陽 621010）

1 快速成型原理

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的集CAD、數(shù)控技術(shù)、新材料技術(shù)、激光技術(shù)等為一體的零件原型制造技術(shù)。它不同于傳統(tǒng)切削加工技術(shù)中的刀具或磨具，將工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做減法，逐漸達(dá)到圖樣的技術(shù)要求，而是將工件的三維模型分層，將材料按照分層結(jié)果一層一層逐漸累積做加法，最終形成三維實(shí)體，達(dá)到圖樣技術(shù)的要求［1］。這種將三維降低到二維加工的思維方式是制造領(lǐng)域中的重大突破，運(yùn)用RP技術(shù)可以加工任何表面復(fù)雜的工件，無需考慮從毛坯到零件之間的工藝過程，大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。在大工程、大制造的工程教育背景下非常有必要讓學(xué)生掌握這類先進(jìn)制造技術(shù)，以適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需要，因此西南科大工程技術(shù)中心在2010年開始引進(jìn)和創(chuàng)建快速成型訓(xùn)練項(xiàng)目。

2 快速成型訓(xùn)練項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

2.1 快速成型設(shè)備簡介

快速成型自出現(xiàn)以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，形成了多種工藝方法，主要有4種類型：激光光固化成型法（SLA）、疊層實(shí)體制造法（LOM）、選擇性激光燒結(jié)法（SLS）和熔融沉積制造法［2］（Fused Deposition Manufacturing，F(xiàn)DM）。西南科大工程技術(shù)中心現(xiàn)有的設(shè)備是北京太爾時(shí)代科技生產(chǎn)的快速成型機(jī)Inspire S250三臺(tái)、Inspire D290一臺(tái)、UP！五臺(tái)，總共9臺(tái)。均使用ABS B601型材料作為成型材料，采用雙噴頭系統(tǒng)，其成型精度為±0.2 mm／100 mm，成型厚度可在0.15 mm～0.4 mm范圍選擇。工藝過程［3］是：在計(jì)算機(jī)的控制下，支撐材料和成型材料經(jīng)過噴頭加熱至融化后，分別送至噴嘴，噴頭按照零件的幾何輪廓和填充軌跡做xoy平面上的運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料逐層堆積到工作平臺(tái)已經(jīng)成型的部分上，與前一個(gè)層面熔接在一起。當(dāng)一層沉積完成后，工作臺(tái)下降一層的厚度，再繼續(xù)下一層的沉積，如此循環(huán)直到所有層加工完畢。熔融沉積制造工藝的基本原理如圖1所示。

圖1 FDM快速成型原理

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

由于學(xué)校各專業(yè)相差比較大，其工程訓(xùn)練的層次不同，因此采用分模塊結(jié)合項(xiàng)目體驗(yàn)式教學(xué)方法比較適合。所以我們針對不同專業(yè)、不同層次的要求設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)模塊。

（1）工程感知?jiǎng)?chuàng)新模塊：主要針對非機(jī)械類專業(yè)，計(jì)劃2個(gè)學(xué)時(shí)。由于工程感知總的學(xué)時(shí)不多，為了讓學(xué)生能夠快速地了解快速成型，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，因此制作了一些展板、展柜放于實(shí)驗(yàn)室。展板、展柜的主要內(nèi)容是介紹快速成型的基本概念和幾種典型快速成型的工藝原理，同時(shí)演示FDM的典型實(shí)例和應(yīng)用，如圖2所示。

（2）基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造模塊：該模塊針對機(jī)械和近機(jī)類專業(yè)，計(jì)劃4學(xué)時(shí)。對于機(jī)械類學(xué)生來說掌握現(xiàn)代先進(jìn)加工技術(shù)比較重要，單獨(dú)將快速成型作為一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行開展。老師先講解快速成型工藝的基本原理和儀器設(shè)備的組成和使用方法，然后給出待設(shè)計(jì)模型的一些規(guī)格限制。學(xué)生2人一組任意設(shè)計(jì)一個(gè)自己喜歡的模型，轉(zhuǎn)換成STL文件格式后拿到快速成型機(jī)加工模型，然后進(jìn)行必要的后處理，最終獲得模型原件。圖3為學(xué)生設(shè)計(jì)加工制作的模型展示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力以及動(dòng)手能力的發(fā)揮。

圖2 實(shí)驗(yàn)室展示柜之一

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)制作的模型

（3）自命題設(shè)計(jì)理論分析模塊：該模塊主要針對機(jī)械類的自命題設(shè)計(jì)，計(jì)劃18學(xué)時(shí)。機(jī)械類專業(yè)的自命題設(shè)計(jì)主要是培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力、對材料和加工工藝的掌握。在自命題設(shè)計(jì)中安排兩個(gè)項(xiàng)目，快速成型項(xiàng)目和基于反求工程的快速機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目，學(xué)生任選其一。

對快速成型技術(shù)，要求學(xué)生不僅要掌握其基本概念和典型工藝的原理和操作步驟，而且需要學(xué)生掌握常用的分層軟件Model Wizard，會(huì)設(shè)置具體的加工參數(shù)，并熟悉Inspire S250或D290的操作。

結(jié)合中心現(xiàn)有的手持式激光三維掃描儀設(shè)置反求工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用項(xiàng)目引導(dǎo)式教學(xué)，以實(shí)際生活中的一個(gè)曲線曲面較復(fù)雜的零件為產(chǎn)品原型，經(jīng)掃描儀得到數(shù)字化模型再進(jìn)行RP制造。該項(xiàng)目中需要學(xué)生掌握反求工程的概念和基本的操作步驟。其重點(diǎn)在于三維數(shù)字化模型的創(chuàng)建。反求工程不是單純意義上的反求，而是在使用常規(guī)手段不好獲得物體特征參數(shù)或者非常耗時(shí)的情況下，采用三維掃描儀獲得初步的三維模型，關(guān)鍵點(diǎn)還是需要對初步的模型進(jìn)行創(chuàng)新和修改。

（4）綜合創(chuàng)新訓(xùn)練：學(xué)生參加科技制作和競賽等活動(dòng)（比如全國大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽）時(shí)，需要用到快速成型機(jī)的時(shí)候免費(fèi)為其開放，同時(shí)也可為畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)提供快速的產(chǎn)品驗(yàn)證手段。另外在師資力量充足的情況下還可以開設(shè)一些相應(yīng)的選修課程。

目前快速成型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已建設(shè)完成，并自編了快速成型講義和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，制作了多媒體課件，將文字、圖像、動(dòng)畫、視頻有機(jī)地組織在一起，形成了生動(dòng)形象的教學(xué)內(nèi)容，并在教學(xué)中得到了很好的應(yīng)用。

3 實(shí)際教學(xué)中的幾個(gè)問題與解決方法

快速成型技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)等為一體，原理比較復(fù)雜，在教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)還存在以下問題：

（1）時(shí)間短，內(nèi)容多。比如開設(shè)基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造模塊總共4學(xué)時(shí)，學(xué)生要在這4個(gè)學(xué)時(shí)中完成從原理概念的理解到設(shè)備操作的掌握，從三維設(shè)計(jì)到加工制作。僅僅是三維模型設(shè)計(jì)至少需30 min；由于有預(yù)熱和冷卻的時(shí)間，即使加工一個(gè)體積為6 c m3左右的模型也需要40 min～50 min左右。

（2）學(xué)生欠缺相關(guān)知識(shí)?；A(chǔ)工程訓(xùn)練的創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造模塊需要學(xué)生自由地設(shè)計(jì)模型，安排在第7學(xué)期開設(shè)，但此時(shí)學(xué)生只學(xué)習(xí)了二維平面的設(shè)計(jì)，還沒有使用過三維設(shè)計(jì)軟件，因此在設(shè)計(jì)模型時(shí)花的時(shí)間比較多，該問題在其他相關(guān)模塊訓(xùn)練項(xiàng)目中也存在。

針對以上問題，指導(dǎo)教師在講解過程中必須避開具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，從整體上講解概念和基本原理。例如，在講解分層軟件自適應(yīng)分層時(shí)，盡量少提及分層的計(jì)算方法，以免過于瑣碎，干擾授課計(jì)劃。對于學(xué)生對三維設(shè)計(jì)方面的欠缺，在學(xué)時(shí)充足的情況下，使用能夠快速熟悉的軟件（比如使用Solid Wor ks）做個(gè)簡單實(shí)例，每個(gè)步驟截圖形成文檔存于每臺(tái)電腦上，以此作為學(xué)生自學(xué)時(shí)的參考。

另外在實(shí)驗(yàn)室的展柜中展出了學(xué)生中比較好的作品，一方面可以為本次課的學(xué)生做參考，開闊設(shè)計(jì)思路；另外一方面可以增加學(xué)生的興趣。

［1］ 胡慶夕，林柳蘭，吳鏑.快速成型與快速模具實(shí)踐教程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］ 朱季平.快速成型技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用研究［J］.裝備制造技術(shù)，2011（8）：10－13.

［3］ 張國玲，吳濤，張功國.快速成型訓(xùn)練項(xiàng)目的建設(shè)與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（3）：314－317.