3D打印技術(shù)在《塑料模具課程設(shè)計》中的應(yīng)用

劉 芳

(湖北科技職業(yè)學院，湖北 武漢 430074)

3D打印技術(shù)在《塑料模具課程設(shè)計》中的應(yīng)用

劉 芳

(湖北科技職業(yè)學院，湖北 武漢 430074)

在傳統(tǒng)的《塑料模具課程設(shè)計》中引入3D打印技術(shù)，快速得到型芯、型腔，避免了因?qū)嵱枟l件限制或加工周期太長等問題，讓學生快速驗證自己設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)是否合理，這樣既提高了學生的學習興趣，又激發(fā)了學生的創(chuàng)新能力。

塑料模具；3D打印技術(shù)；課程設(shè)計

一、引言

(一)3D打印技術(shù)概況

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將粉末狀、絲狀的金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。其最早出現(xiàn)在20世紀90年代中期，現(xiàn)在市場上主流的3D打印技術(shù)主要有光敏樹脂選擇性固化（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積式(FDM)、選擇性激光熔化成型(SLM)等幾種類型，自從1984年Charles Hull發(fā)明3D打印機以來，該技術(shù)迅速發(fā)展[1]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、模具制造、工業(yè)設(shè)計、建筑、珠寶、教育等行業(yè)。

與傳統(tǒng)的加工方法相比，3D打印技術(shù)優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)為個性化定制服務(wù)、創(chuàng)新設(shè)計和快速研發(fā)新產(chǎn)品。越來越多的人追求個性化的產(chǎn)品，個性化和創(chuàng)新的需求越來越明顯[2]，而市場上的產(chǎn)品大都是批量化生產(chǎn)，傳統(tǒng)的加工方法對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計有一定程度的限制，設(shè)計人員必須考慮到產(chǎn)品的可加工性，3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機床或任何模具，就能直接把計算機中任何形狀的三維CAD模型打印成實物產(chǎn)品。

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展也給教育行業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇，無論是中小學，還是高職、本科院校，都在建設(shè)3D打印實訓室，讓學生們認識并使用3D打印技術(shù)。對于一名高職院校的教師來說，如何將3D打印技術(shù)融入課堂教學，激發(fā)學生學習興趣，是一個值得探討的問題。

（二）《塑料模具課程設(shè)計》引入3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

1.《塑料模具課程設(shè)計》現(xiàn)狀分析

《塑料成型工藝與模具設(shè)計》是模具專業(yè)學生的一門核心專業(yè)課程，它橫跨了高分子材料、機械設(shè)計與制造、計算機科學等多個學科，理論性和實踐性都很強[3]，對學生的綜合能力要求很高，特別是該課程對應(yīng)的課程設(shè)計，即《塑料模具課程設(shè)計》，需要學生具備一定的抽象思維能力和軟件設(shè)計能力。

傳統(tǒng)的《塑料模具課程設(shè)計》中多是結(jié)合三維軟件（如UG、Pro/E等）和二維機械設(shè)計軟件(AutoCAD、CAXA等)來完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，有條件的學校會要求學生將模仁部分，即型芯、型腔，用數(shù)控加工和電加工的方法加工出來，再進行裝配，這種做法很貼近實際的生產(chǎn)過程，對學生模具設(shè)計和加工能力有很大的幫助。但是這種做法也存在一些問題，同時完成設(shè)計和加工兩部分內(nèi)容，對于高職的學生來說，是一個很大的挑戰(zhàn)；另外，對實訓條件也有很高的要求，零件加工周期長，加工設(shè)備數(shù)量有限，很難滿足每位學生想要把自己的設(shè)計快速制造出模具零件的需求。對于實訓條件較好的學校來說有一定的可行性，但是很多學校受到實訓條件的限制，學生的作品只能停留在設(shè)計層面，無法讓每位學生將自己設(shè)計的模具加工出來，設(shè)計只是紙上談兵。另外，模具結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計過程繁瑣，讓很多學生對課程設(shè)計興趣不大，所以總會出現(xiàn)抄襲或是請其他同學代為完成的現(xiàn)象，教學效果欠佳。

2.引入3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

隨著三維設(shè)計軟件的發(fā)展，模具的設(shè)計越來越趨于數(shù)字化，學生借助三維軟件和二維軟件即可完成整套模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是設(shè)計出來的模具只是三維模型，沒有實物，缺乏直觀性。如采用傳統(tǒng)的方法加工模具，一個作品至少需要幾天才能完成，所需要的機床設(shè)備、耗材費用也很高。在實訓條件有限，課程安排時間有限的情況下，引入3D打印技術(shù)，將學生們設(shè)計的模具打印成模型，就可以很輕松地解決這一難題。

我校實訓中心數(shù)控加工設(shè)備有限，且已排滿了教學任務(wù)，無法實現(xiàn)每位學生上機床加工模具零件的要求，且數(shù)控機床操作復雜，存在一定的危險性，加工時間較長。通常數(shù)控加工型芯、型腔時，需要在軟件上進行仿真加工，再到數(shù)控機床上加工工件，有些部位無法用數(shù)控加工完成，還需要進行電加工，這樣的話加工時間就更長了。這些內(nèi)容需要獨立的實訓課程來完成。而課程設(shè)計的時間很短，無法同時完成模具設(shè)計和數(shù)控加工兩部分內(nèi)容。本專業(yè)現(xiàn)有十幾臺桌面級3D打印機，學生只需簡單學習切片軟件的使用和3D打印機的操作，完成模具設(shè)計后，只需要幾個小時就可通過電腦直接將設(shè)計的模具零件打印出來。時間上可以和模具設(shè)計交叉進行，3D打印設(shè)備操作簡單安全，授課教師也有足夠的精力進行現(xiàn)場指導。

（二）《塑料模具課程設(shè)計》中引入3D打印技術(shù)

1.《塑料模具課程設(shè)計》改革方案

《塑料模具課程設(shè)計》的教學目標：強化學生運用塑料模具理論知識設(shè)計中等復雜程度塑件的能力、熟練使用UG三維軟件的能力及繪圖能力等?！端芰夏＞哒n程設(shè)計》屬于實訓類課程，采用分組方式進行，2-3人一組，同組同學之間可以商議，共同制定設(shè)計方案，大家協(xié)同合作，同時也為了避免學生之間相互抄襲，每組學生所做題目不同，但難易程度相似?！端芰夏＞哒n程設(shè)計》包含兩部分內(nèi)容：利用UG三維軟件完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、利用3D打印機獲得模具成型零件。以其中一組學生做的題目（圖1殼體塑件）為例，介紹課程設(shè)計的全過程。

2.利用UG三維軟件完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

以一組學生做的課程設(shè)計題目（圖1殼體塑件）為例，利用UG三維軟件完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到一套完整的模具。設(shè)計要求：材料選用ABS，外觀要求無瑕疵，表面光潔，年產(chǎn)量10萬件，要求采用一模兩腔。

模具結(jié)構(gòu)分析：殼體塑件結(jié)構(gòu)較為簡單，有5個縱向通孔，側(cè)向上的幾個孔均可作為型芯的一部分來成型，不需要設(shè)置側(cè)抽心機構(gòu)，可采用一模兩腔的二板模結(jié)構(gòu)。分型面選在產(chǎn)品的最大截面處，為了保證產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和便于排氣，分型面選擇產(chǎn)品的底面。

設(shè)計步驟如下：

（1）完成項目初始化、設(shè)定模具CSYS、收縮率0.6%，創(chuàng)建工件（尺寸：X=150、Y=140、Z=70），結(jié)果如圖2所示。

圖1 殼體塑件

圖2 創(chuàng)建工件

（2）型腔布局：采用平衡式布局，沿著Y方向排列，一模兩腔，并自動對準中心，結(jié)果如圖3所示。

（3）設(shè)置型芯、型腔的區(qū)域顏色，并創(chuàng)建區(qū)域，按區(qū)域顏色進行自動孔修補，利用注射模工具中邊緣補片命令補塑件側(cè)面的孔，結(jié)果如圖4所示。

圖3 型腔布局

圖4 模型補片

（4）產(chǎn)品的分型線較復雜，可用引導線分割，再創(chuàng)建分型面。采用遍歷環(huán)的方式獲得產(chǎn)品的分型線，并創(chuàng)建引導線，結(jié)果如圖5所示。

（5）采用掃掠方式創(chuàng)建分型面，結(jié)果如圖6所示。

圖5 分型線和引導線

圖6 分型面

（6）創(chuàng)建型芯、型腔，合并型芯、型腔，獲得新的core、cavity，結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 合并后型腔

圖8 合并后型芯

（7）加載標準模架，選擇DME模架，類型2A，規(guī)格3045，結(jié)果如圖9所示。

圖9 加載模架

（8）添加標準件：在注塑模向?qū)Чぞ邫谥悬c擊標準件圖標，彈出標準件管理對話框，分別選擇澆口套、定位圈進行參數(shù)設(shè)置；由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，側(cè)壁有一定斜度，包緊力不大，推出機構(gòu)可采用推桿推出，參數(shù)設(shè)置如圖10、11、12所示。

圖11 定位圈

圖12 推桿

（9）添加澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)

考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外觀，及一模兩腔的型腔布局，可采用側(cè)澆口進料，這類澆口尺寸較小，設(shè)置在產(chǎn)品側(cè)面，不影響產(chǎn)品外觀且方便去除凝料。分流道截面形狀為圓形，側(cè)澆口為矩形，結(jié)果如圖13所示。塑件外形規(guī)則，可選用直通式冷卻水道，參數(shù)設(shè)置如圖14所示。

圖13 澆注系統(tǒng)

圖14 冷卻系統(tǒng)

3.將成型零件進行3D打印

塑料模具結(jié)構(gòu)復雜，組成零件較多，全部打印相對耗時。根據(jù)教學要求，課程的重點和難點部分是成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，故只要求學生選擇模具的成型零件進行3D打印，包括型芯和型腔零件，或是其他重要的零件，如側(cè)型芯、滑塊、斜頂?shù)?。通過這個環(huán)節(jié)，希望學生能夠更好的理解模具結(jié)構(gòu)，改進設(shè)計方案，掌握3D打印先進技術(shù)。

本次課改采用桌面級FDM型3D打印機，又稱熔融沉積式快速成型，其工作原理是將絲狀熱熔性材料（ABS或PLA）加熱融化，融化后的絲狀材料通過噴嘴上的噴頭擠出，按照預定的路線堆積在打印平臺或已經(jīng)固化的材料上，如此往復進行，材料層層堆積最終打印出產(chǎn)品[4]。這類打印方法所需要的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、制造成本和生產(chǎn)成本都很低，但打印精度一般，是目前在各高校中應(yīng)用最廣的一項打印技術(shù)，適合培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

將成型零件進行3D打印，需要完成以下幾個步驟：

（1）將三維軟件（如UG、Pro/E等）設(shè)計的模型保存成.stl等格式文件，即在UG軟件中將型芯、型腔單獨保存為.stl格式的文件。

（2）將.stl格式的型芯、型腔文件用makerware軟件（3D打印機配套的切片軟件）打開，并設(shè)置合理的打印參數(shù)，如打印材料選用PLA（聚乳酸，一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源所提出的淀粉原料制成，如玉米），打印溫度設(shè)定為180℃-190℃之間；因成型零件精度要求較高，需選擇高精度打印方式，層厚設(shè)置為0.1mm；為了縮短打印時間，將模型比例設(shè)為50%，型芯、型腔可放置在一個打印平臺上一起打印成型，參數(shù)設(shè)置完成后進行切片分層，將模型轉(zhuǎn)換成為設(shè)備能夠識別的代碼進行保存，結(jié)果如圖15、16所示。

圖15 打印模型

圖16 切片參數(shù)設(shè)置

（3）將切片后的文件保存為.x3g格式，再通過USB接口或是SD卡傳輸給3D打印機，打開設(shè)備進行預熱，選擇要打印的模型進行打印。加熱后的PLA細絲通過噴嘴噴出，逐層打印，層層疊加，最后打印出成型零件，打印時間約7小時。

（4）打印完成后進行模型后處理，如去除支撐、底座等，結(jié)果如圖17、18所示。

（三）教學改革總結(jié)

《塑料模具課程設(shè)計》對于許多高職學生來說都是一個大難題，模具結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計要求較高，學生往往有畏難的情緒。將3D打印技術(shù)引入《塑料模具課程設(shè)計》中，學生不但沒有感覺增加了難度，反而更加感興趣，能夠在設(shè)計過程中發(fā)揮主觀能動性，而且設(shè)計的作品質(zhì)量也提高了，教學效果明顯改善，主要體現(xiàn)在：

圖17 型腔3D打印件

圖17 型芯3D打印件

1.軟件設(shè)計對于三維空間想象能力較差的學生來說有一定難度，通過設(shè)置3D打印成型零件的環(huán)節(jié)，學生可以直觀的看到自己所設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)，將型芯、型腔打印件裝配在一起，讓學生觀察型芯、型腔的配合，推出機構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的位置是否合理等，對學生理解模具結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計能力有很大的幫助。

2.通過觀察和分析，快速驗證模具結(jié)構(gòu)是否合理。通過3D打印技術(shù)，在設(shè)計初期就可以發(fā)現(xiàn)問題和不足，找到設(shè)計的缺陷并進行改進，提高了學生的設(shè)計水平，教師也能及時給予指導和幫助。

3.與數(shù)控加工和電加工相比，采用3D打印技術(shù)，只需要幾個小時就能完成，且可以同時打印多個型芯和型腔，大大節(jié)省了成型零件的加工時間和成本，使學生有充足的時間用于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.3D打印技術(shù)近年來發(fā)展迅速，學生對3D打印技術(shù)也充滿了好奇，在課程設(shè)計中增加3D打印環(huán)節(jié)，讓學生完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計后，能夠真正見到自己設(shè)計的模具零件打印成型的過程，滿足了學生的好奇心，讓學生有成就感，同時也提高了學生的學習興趣，激發(fā)了學生的創(chuàng)新能力。

5.將3D打印技術(shù)引入到高職模具專業(yè)教學，既提升了學生的學習興趣，也拓展了學生的認知范圍。

6.3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域?qū)l(fā)揮積極的作用[5]，把3D打印技術(shù)引入到模具專業(yè)教學中，為枯燥難學的課程注入了新的活力，可大大改善教學效果，提高教學質(zhì)量。通過操作3D打印機和裝配模具零件，鍛煉了學生的動手能力和觀察能力，為后期模具制作的實訓奠定基礎(chǔ)。

[1]符學龍.基于3D打印技術(shù)及塑料成型研究的改革與創(chuàng)新[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(10):81—82.

[2]程孟雄.3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2016（8）:39—309.

[3]徐鼎等.3D打印技術(shù)在塑料加工成型及模具設(shè)計課程群教學改革中的應(yīng)用探索[J].科教文匯，2015(7):58—60.

[4]喬瑞麗等.桌面3D打印技術(shù)在模具教學中的實踐[J].模具制造，2015,15(1):85—88.

[5]彭志強.3D打印技術(shù)在高職機械專業(yè)教學中的應(yīng)用[J].湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院學報，201 4(1):13—14.

The Application of 3D Printing Technology in the Course Design of Plastic Mould

LIU Fang
(Hubei Science and Technology College HubeiWuhan 430074)

The introduction of 3D printing technology in course design for plastic mould in the traditional,quickly get the core and cavity,avoids the problem of training conditions or the processing cycle is too long,let the students quickly verify their mould structure design is reasonable,so as to improve the students'learning interest,but also stimulate students'innovation ability.

plastic mold,3D printing technology,curriculum design

G712

A

1008—7427（2017）05—0037—05

2017-05-24

劉芳（1981—），女，河北石家莊人，碩士，湖北科技職業(yè)學院講師，研究方向：模具專業(yè)教學與研究。

（責任編輯：郝 銳）