3D打印教具在模具CAD/CAM中的應(yīng)用研究

褚忠 　華福文 　林海龍 　吳興農(nóng)

[摘 要]模具教具定制是提高模具CAD/CAM課堂教學(xué)效果的保障，基于機(jī)械三維CAD/CAE/CAM軟件進(jìn)行零件的模型設(shè)計(jì)、成型工藝的優(yōu)化和模具成型零部件的設(shè)計(jì)，利用3D打印技術(shù)快速打印模具核心部件，采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的教具模架，實(shí)現(xiàn)模具教具的快速設(shè)計(jì)和制造?；?D打印的教具的研發(fā)，既可改善教學(xué)效果，又可提高師生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞]教具;模具CADCAM;3D打印

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）07-0089-03

模具CAD/CAM技術(shù)是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，可提高模具質(zhì)量，縮短模具加工周期。模具CAD/CAM課程是一門應(yīng)用性與實(shí)踐性很強(qiáng)的項(xiàng)目化課程，在傳統(tǒng)教學(xué)中，大部分是以理論為主線，技能學(xué)習(xí)為輔。傳統(tǒng)模具CAD/CAM課程教學(xué)中：（1）重點(diǎn)講解CAD/CAM原理或三維軟件命令的使用，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考。（2）缺乏模具相關(guān)的專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通。沒(méi)有將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工與3D打印等增材制造技術(shù)融合起來(lái)，導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)完畢后，不能全面理解基于CAD/CAM的模具設(shè)計(jì)及制造的過(guò)程。（3）課內(nèi)課外實(shí)驗(yàn)中，模具教具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常是從教具公司直接購(gòu)買的，任課教師只能選擇購(gòu)買的模具教具，模具及產(chǎn)品缺乏針對(duì)性，模具模型及教具難以滿足正常教學(xué)的需要，也不能了解最新的模具設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，其結(jié)果是購(gòu)置的教具和設(shè)備不能滿足課程大綱的需要，不能滿足專業(yè)基本技能訓(xùn)練的要求，無(wú)法適應(yīng)地域經(jīng)濟(jì)及行業(yè)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的需要。3D打印技術(shù)使得任課教師可以方便地設(shè)計(jì)、打印模型教具，可正向或逆向設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型和模具教具，并可以設(shè)計(jì)個(gè)性化的教學(xué)模型以適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的要求。

3D 打印為教育行業(yè)打開了一扇新窗口，應(yīng)用型本科院校及大中專學(xué)校都在研究、探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)的教學(xué)和學(xué)習(xí)中。學(xué)生不僅可以享受到3D設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)輔助教學(xué)的便利，激發(fā)對(duì)3D打印的興趣，促進(jìn)學(xué)生對(duì)模具設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)進(jìn)步，也會(huì)對(duì)他們的未來(lái)的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。利用3D 打印技術(shù)制作模具教具，用于注塑模具和沖壓模具等課程中，促進(jìn)學(xué)生對(duì)不同模具結(jié)構(gòu)的快速了解，學(xué)習(xí)模具新材料等知識(shí)。國(guó)內(nèi)的眾多高校已建立了3D 打印實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)就可以把自己設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化成為實(shí)物作品，并方便隨時(shí)反復(fù)修改，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、模具教具的定制

自制教具在教具中占有很重要的位置，自制教具是教師和學(xué)生在3D打印實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)需要，團(tuán)隊(duì)一起動(dòng)手設(shè)計(jì)制作的教具，并反過(guò)來(lái)用于教學(xué)。從改革教學(xué)方法的角度看，它會(huì)比一般教具更有使用價(jià)值。

（一）自制教具的作用

1.自制教具在課堂教學(xué)中有良好的作用。教師在深入鉆研教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，備課時(shí)根據(jù)自己的教學(xué)方法，設(shè)計(jì)制作自己想要的教具，課堂上可充分展示教學(xué)內(nèi)容，解決課程的難點(diǎn)問(wèn)題。

2.培養(yǎng)師生的跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用能力。自制教具的設(shè)計(jì)是應(yīng)用專業(yè)知識(shí)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)造性的活動(dòng)。由于模具教具的設(shè)計(jì)和制造涉及計(jì)算機(jī)、材料及控制等多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)，在創(chuàng)造性思維物化的過(guò)程中，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)會(huì)起到強(qiáng)化作用，師生協(xié)作能促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展和動(dòng)手能力的提高。

3.促進(jìn)大學(xué)生提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。在大學(xué)生科創(chuàng)活動(dòng)中，將機(jī)械制圖、機(jī)械原理及專業(yè)課塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)等課程知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到項(xiàng)目中，既能將課本知識(shí)與實(shí)際結(jié)合，又能促進(jìn)創(chuàng)新意識(shí)的提高。

總之，自制模具教具不但有利于提高教學(xué)質(zhì)量，對(duì)教學(xué)方法的改革和學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)也有好處。

（二）模具教具的制作過(guò)程

模具教具的制作過(guò)程為：確定設(shè)計(jì)內(nèi)容→分析計(jì)算→CAD設(shè)計(jì)繪圖→制作加工→實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)→完成教具。要成功地制作出一種教具，需要在這些制作過(guò)程中反復(fù)試驗(yàn)修改。3D打印技術(shù)恰好為這種過(guò)程提供極大的便利，對(duì)于復(fù)雜外形的教具，具體的程序會(huì)有些變化。

二、3D打印技術(shù)在教具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，基于三維軟件（UG NX、Solidworks等）設(shè)計(jì)教具數(shù)字化模型，可快速實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)物化。

（一）3D打印技術(shù)概述

3D打印快速成型技術(shù)是一項(xiàng)興起很快的成型技術(shù)，在全世界吸引眾多人群對(duì)其進(jìn)行研發(fā)，掀起了極大的熱潮。這種技術(shù)的原理較簡(jiǎn)單，即首先通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出想要的三維數(shù)字模型，通過(guò)切片軟件，對(duì)模型切片進(jìn)行分析，即將模型劃分成一定厚度（0.1～0.2mm）的單位層，設(shè)置打印參數(shù)后，生成打印文件，然后導(dǎo)入打印機(jī)，選用單一或多種材料，完成打印，對(duì)打印零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚怼?/p>

3D打印被稱為具有革命意義的新興成型技術(shù)，不僅在現(xiàn)代加工業(yè)的市場(chǎng)占有一席之地，并對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、航空航天技術(shù)、食品、化妝品等行業(yè)發(fā)起有效的沖擊。各個(gè)國(guó)家因3D打印技術(shù)在當(dāng)代和未來(lái)的發(fā)展前景，投入大量的人力物力，不僅使3D打印快速成型技術(shù)本身飛速發(fā)展，也降低了3D打印領(lǐng)域產(chǎn)品的制造成本，更是開拓了應(yīng)用的市場(chǎng)，擴(kuò)大了3D打印技術(shù)的使用范圍，例如文化創(chuàng)意領(lǐng)域廣泛應(yīng)用3D打印技術(shù)制作作品并在市場(chǎng)取得較高的收益。

根據(jù)現(xiàn)有的參照實(shí)物，3D打印快速成型技術(shù)引申出來(lái)的逆向工程再制造技術(shù)，使得其更具有發(fā)揮的空間和應(yīng)用的前景。通過(guò)三維掃描儀，將實(shí)物模型掃描，形成點(diǎn)云文件，再經(jīng)專業(yè)軟件（Geomagic design，Imageware等）處理，形成實(shí)體文件，也可添加特征，利用正逆向混合技術(shù)，設(shè)計(jì)理想的成品。

3D打印快速成型技術(shù)逐漸進(jìn)入教育行業(yè)，輔助教師進(jìn)行課程課件設(shè)計(jì)，在中小學(xué)到當(dāng)代大學(xué)的課程中屢見(jiàn)不鮮。將3D打印技術(shù)更好地融入教育行業(yè)，結(jié)合專業(yè)優(yōu)勢(shì)，定制教具，可更好發(fā)揮其作用，也使課堂內(nèi)容更加豐富，教具本身的制作過(guò)程及作用可同時(shí)呈現(xiàn)在課堂上。

（二）開發(fā)內(nèi)容

應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)目標(biāo)是面向社會(huì)需求，為企業(yè)培養(yǎng)生產(chǎn)、管理、服務(wù)行業(yè)高級(jí)專門技術(shù)人才，既不同于研究型大學(xué)培養(yǎng)的理論型高級(jí)人才，也不同于職業(yè)院校培養(yǎng)的技能型人才。其培養(yǎng)的人才不僅能掌握生產(chǎn)的各種高級(jí)技能，還具有將高新科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力，即具有設(shè)計(jì)與開發(fā)能力。

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)“3D打印裝備與制造實(shí)驗(yàn)室”，是與青島尤尼科技有限公司、上海存知光電有限公司共同建立的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)三年多的運(yùn)行和總結(jié)，形成如圖1所示的3D打印教育模式。在校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上，合作企業(yè)接受在校學(xué)生的實(shí)習(xí)，為學(xué)校提供培養(yǎng)計(jì)劃的修改意見(jiàn)，講授和指導(dǎo)校企聯(lián)合課程與實(shí)驗(yàn);另外，學(xué)校幫助企業(yè)完成3D打印機(jī)培訓(xùn)及售后服務(wù)，降低企業(yè)銷售成本。校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，企業(yè)和學(xué)校共同促進(jìn)搞好“三創(chuàng)（創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)客）”活動(dòng)，貫徹落實(shí)“創(chuàng)客校園”的主題活動(dòng)。將3D打印與傳統(tǒng)教育相結(jié)合，學(xué)生可直接參與課程實(shí)驗(yàn)，既有利于對(duì)模具相關(guān)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，對(duì)培養(yǎng)社會(huì)需要的應(yīng)用型工程師大有益處。

在此平臺(tái)上，開展模具教具設(shè)計(jì)，內(nèi)容如下：

1.模具教具快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

依據(jù)產(chǎn)品形狀及技術(shù)要求，基于三維軟件正向設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，利用3D打印機(jī)打印模具零部件，并完成裝配。

2.模具教具逆向設(shè)計(jì)

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光測(cè)量機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，把測(cè)量所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)交給CAD軟件或?qū)ｉT的反求軟件中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)群進(jìn)行編輯、過(guò)濾、整理、排序、局部修改與重組，然后生成曲線、曲面，獲得同實(shí)物精確一致的三維數(shù)字模型，最后再設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型、3D打印模具零部件。

3.建立基于3D打印的模具教具設(shè)計(jì)系統(tǒng)

建立基于3D打印的模具教具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)流程，打印優(yōu)化參數(shù)，靈活運(yùn)用裝配方法等。

4.3D打印材料及成型工藝研究

研究不同材料（ABS、PLA、蠟絲等）的成型工藝，優(yōu)化工藝參數(shù)。

三、注塑模具教具設(shè)計(jì)

圖2為一個(gè)汽車上的結(jié)構(gòu)件——角扣，是起連接作用的一個(gè)塑料件，材料為ABS，精度等級(jí)為MT3。圖3為外形及工程尺寸。

（一）模具型芯型腔設(shè)計(jì)

對(duì)這個(gè)塑料件產(chǎn)品的使用性能進(jìn)行分析，其中也包括了外形分析及成型工藝分析。零件厚度約2.5mm，側(cè)面為1.5mm，頂面為1.5mm，結(jié)構(gòu)性較為合理，符合注塑成型的條件。其體積為V=14.9cm3。零件下底面有一不平的凸?fàn)钗?，中間有一個(gè)小臺(tái)階，零件側(cè)壁有均勻分布的凹槽。本塑料件不允許有外形和結(jié)構(gòu)的損傷。

在課程中，可將此塑料件作為模具拆裝實(shí)驗(yàn)的教具。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)于模具教具進(jìn)行拆裝，熟悉模具的基本結(jié)構(gòu)，并繪制簡(jiǎn)圖。因此，對(duì)模具要進(jìn)行簡(jiǎn)化，但保留模具整體結(jié)構(gòu)的完整性，例如冷卻系統(tǒng)等零件。簡(jiǎn)化整體模具模型建模如下。

動(dòng)模固定板去除了螺紋連接等方式，改用間隙配合和過(guò)盈配合連接，簡(jiǎn)化流道等，如圖4、圖5所示。

本模具教具設(shè)計(jì)中，選用3D打印型芯型腔配合現(xiàn)有模具教具進(jìn)行配合實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)有注塑模具教具為標(biāo)準(zhǔn)C1二板模，型芯型腔尺寸為100[×]100mm。標(biāo)準(zhǔn)模架和實(shí)物如圖6、圖7所示。

（二）3D打印實(shí)體

模型設(shè)計(jì)完成后，選擇合適的打印機(jī)進(jìn)行打印。對(duì)于模具教具而言，意圖在于學(xué)習(xí)不同類型的模具結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于簡(jiǎn)化后的模具教具精度可適當(dāng)降低。這里選用的是FDM桌面級(jí)3D打印機(jī)，打印精度為0.02mm。在3D打印教具之前，對(duì)材料進(jìn)行分析，對(duì)于FDM打印機(jī)所需考慮的問(wèn)題主要有：

1.翹曲問(wèn)題。因?yàn)镕DM 3D打印機(jī)是將絲狀材料熔化再通過(guò)自然冷卻凝固，在打印時(shí)，在進(jìn)行上層打印過(guò)程時(shí)，下層已打印的材料已冷卻，溫差變化會(huì)導(dǎo)致材料收縮變化，導(dǎo)致翹曲。

2.收縮率。PLA的材料會(huì)有一定的收縮率，與3D打印機(jī)的熔融狀態(tài)、冷卻溫度及冷卻速度有關(guān)。在非控制收縮率打印狀況下進(jìn)行打印，會(huì)導(dǎo)致精度偏差。

模具教具需要對(duì)成型部件與模架進(jìn)行配合，因此要保證打印的精度，就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解當(dāng)前環(huán)境下，收縮率和翹曲問(wèn)題的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，比對(duì)數(shù)據(jù)，對(duì)于收縮率和翹曲設(shè)置打印參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

通過(guò)對(duì)大尺寸零部件、矩形零件、圓柱形零件、凸臺(tái)零件、內(nèi)孔零件進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，分別量取尺寸、直線度、平面度、圓柱度、垂直度等進(jìn)行分析，收縮率影響達(dá)到0.2%～1.5%不等，其中大尺寸零部件和小尺寸零部件的精度偏差最大。

針對(duì)此試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行適當(dāng)處理，打印后的模型如圖9、圖10、圖11所示。模具安裝時(shí)需要手工對(duì)其外表面進(jìn)行打磨，以確保模具教具的正常使用。

四、結(jié)語(yǔ)

基于3D打印技術(shù)在模具CAD/CAM教學(xué)中的應(yīng)用，可形成一套的模具CAD/CAM教學(xué)解決方案，涵蓋教學(xué)資源、教學(xué)案例、技術(shù)服務(wù)、模型庫(kù)等。3D打印技術(shù)有利于相關(guān)課程教學(xué)方法的改善，模具模型可在塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)、沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中使用，課堂上即可拆裝，利于學(xué)生對(duì)模具結(jié)構(gòu)的理解。

1.將模具設(shè)計(jì)理論方法與模具制造相結(jié)合，提高教學(xué)效果。模具CAD/CAM教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一方面可在材料成型及控制工程專業(yè)相關(guān)課程中使用，也可在機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)課程模具CAD/CAM中使用，設(shè)計(jì)打印各種典型機(jī)構(gòu)，并應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中。

2.利用3D打印技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具制造。將標(biāo)準(zhǔn)模架或其他構(gòu)架與3D打印零件相結(jié)合，可快速實(shí)現(xiàn)模具教具的定制，有利于課堂教學(xué)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉新娜，薛智勇.應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下的模具CAD/CAM技術(shù)課教學(xué)改革[J].職業(yè)，2014（12）.

[2] 周成飛.淺論3D打印技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的有效運(yùn)用[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2018（4）.

[3] 王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2013（8）.

[4] 尚雯，譚躍剛，張帆，等.面向大學(xué)生創(chuàng)新教育的3D打印教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)輕工教育，2016（3）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]