3D打印在材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用研究

【摘要】本文對3D打印技術(shù)在洛陽理工學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的應(yīng)用展開了研究與實踐。結(jié)果表明，將3D打印引入到洛陽理工材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計過程中，激發(fā)了學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計的積極性、能動性和創(chuàng)造性，營造更愉快的畢業(yè)設(shè)計體驗，從而提高畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量和教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】材料成型及控制工程 畢業(yè)設(shè)計 3D打印

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）31-0249-01

洛陽理工學(xué)院材料成型與控制工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計題目主要涵蓋沖壓模具設(shè)計、注塑模具設(shè)計、擠壓模具的設(shè)計以及焊接工藝裝備設(shè)計等方面。目前我校材料成型與控制工程專業(yè)的學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計時，最終的畢業(yè)設(shè)計結(jié)果只是在圖紙上畫出模具和工裝的設(shè)計圖紙和電腦上構(gòu)建模具和工裝的三維CAD模型，畢業(yè)設(shè)計的各種模具或工裝無法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證和裝配干涉檢驗。這些都極大影響學(xué)生通過畢業(yè)設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來切實提高學(xué)生的專業(yè)實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

3D打印技術(shù)可以在沒有模具的條件下生成任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，具有產(chǎn)品研發(fā)周期短、可以實現(xiàn)個性化制作等優(yōu)點，在航空航天、生物醫(yī)療和教育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。2015 年國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》中明確指出3D 打印技術(shù)已成為我國加快實現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)手段[2]。洛陽理工學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)將3D 打印新技術(shù)引入到本科畢業(yè)設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，以期增強學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實踐動手能力，提高本科畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。本文以畢業(yè)設(shè)計題目之一的電機殼消失模模具設(shè)計為例闡述3D打印在洛陽理工學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用實踐。

1.電機殼消失模模具設(shè)計

1.1產(chǎn)品泡沫塑料模樣的三維造型設(shè)計

根據(jù)YB3-100LBS電機殼的加工圖紙，對產(chǎn)品進行三維造型設(shè)計，包括產(chǎn)品的工藝性分析、產(chǎn)品特征的繪制、加拔模斜度、放置加工余量、倒圓角、制作產(chǎn)品標(biāo)識、模擬加工、三維檢查。

1.2泡沫材料和產(chǎn)品收縮率的選擇

泡沫材料選用EPS可發(fā)性聚苯乙烯。

本次泡沫材料EPS的收縮率取0.4%。產(chǎn)品材質(zhì)HT250的收縮率取1.0%，模具的收縮率為1.4%。

1.3 模具設(shè)計方案的制定

模具設(shè)計方案的內(nèi)容包括模具型腔數(shù)量的確定、模具充料口的設(shè)計、 分型面的設(shè)計、 芯塊和抽芯機構(gòu)設(shè)計、鑲塊設(shè)計。本次模具設(shè)計模具型腔數(shù)量選擇一模一件，選擇自動料槍充料、三個進料口同時進料的方式，將進料口放置在上模氣室中心凸臺處，在兩吊裝孔和接線盒三處設(shè)計活塊，在模具氣室外設(shè)計側(cè)向薄型氣缸抽芯機構(gòu)，在電機殼凹模四周設(shè)計4個側(cè)向鑲塊來保障散熱片的成型、使用側(cè)向抽芯機構(gòu)控制模具的開合。

1.4模具三維造型設(shè)計

本次設(shè)計的電機殼消失模模具主要由自動料槍、上模封板、上模、下模四部分組成，上模主要是由上模氣室、上模封板、上模芯等組成，下模主要是由下模氣室、下模板、下模芯、定位板、定位氣缸等組成。

2.電機殼消失模模具的3D打印

2.1將Creo 2.0中的三維模型數(shù)據(jù)輸出為“stl”文件格式。

2.2 使用Magics18.0軟件處理模型數(shù)據(jù)，進行零件拆分、位置調(diào)整、添加打印支撐、切片打印。詳細(xì)步驟如下

a）使用“殼體轉(zhuǎn)為零件”功能將裝配體模型拆分為最小單元零件。

b）使用“自動擺放”功能，將拆解開的零件一一羅列開。

c）選中的那個零件移動到打印平臺最佳打印位置以及擺放角度。

d）使用“生成支撐”“自動支撐”按鈕生成支撐。

e）使用“切片”功能對所添加支撐的模型進行切片，導(dǎo)出切片文件。

2.3導(dǎo)出切片文件至GA 450光固化3D打印機中，添加光敏樹脂耗材，檢查設(shè)備運行環(huán)境（如濕度、溫度）符合要求后開機打印。

2.4將打印好模型從設(shè)備中取出并進行去支撐、表面清洗等，最后得到完整的所需模型。

2.5將清洗完的模型放入后固化箱中進行紫外線二次固化。

2.6 根據(jù)裝配圖紙將打印好的零部件拼裝起來。

通過光固化3D打印機得到的電機殼消失模模具見圖1

3.3D打印技術(shù)在畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用效果

將3D打印技術(shù)應(yīng)用到材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計的過程中，學(xué)生在完成模具和工裝的理論設(shè)計和計算、圖紙上畫出模具和工裝的設(shè)計圖紙和電腦上完成模具和工裝的三維CAD模型構(gòu)建等傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容之后，最終的畢業(yè)設(shè)計結(jié)果可以通過3D打印技術(shù)快速做出實物模型或工裝。這些實物模型或工裝可以用來做裝配模擬，觀察模具或工裝的零部件之間裝配關(guān)系及干涉情況，從而驗證模具或工裝設(shè)計的合理性。學(xué)生可以從設(shè)計、制作、展示等角度全身心的投入到畢業(yè)設(shè)計過程中，有效地激發(fā)了學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計的積極性、能動性和創(chuàng)造性。3D打印還可以幫助在畢業(yè)設(shè)計的早期就通過原型化排除錯誤的設(shè)計，從而幫助他們避免因為畢業(yè)設(shè)計結(jié)果的失誤帶來的挫敗感和遺憾，營造更愉快的畢業(yè)設(shè)計體驗[3]。從而更好地提高了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量和教學(xué)效果。

4.結(jié)束語

將3D打印引入到洛陽理工材料成型及控制工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計過程中，激發(fā)了學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計的積極性、能動性和創(chuàng)造性，營造更愉快的畢業(yè)設(shè)計體驗，從而提高畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量和教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王小新. 3D打印在塑料制品及模具設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 模具工業(yè)，2016（11）： 68-73.

[2]楊南粵，周敏，李爭名. 基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)與模具設(shè)計實訓(xùn)教學(xué)[J]. 實驗室研究與探索，2017（8）： 243-246.

[3]牛一帆.3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].塑料包裝， 2015（1）： 35-39.

作者簡介：

金文中（1972-），男，博士，副教授，主要從事型材成型及控制的教學(xué)和研究。