3D打印技術(shù)在機械原理課程設(shè)計中的應(yīng)用

周麗紅，張丁，袁浥寧，胡碧康，董春法

（1.武漢城市學(xué)院機電工程學(xué)部，武漢 430083；2.湖北理工學(xué)院機電工程學(xué)院，黃石 435003）

0 引言

機械原理是研究機械基礎(chǔ)理論的一門科學(xué)，是機械類各專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，在創(chuàng)新機械所需的知識結(jié)構(gòu)中占有核心地位［1-2］。機械原理課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的重要手段之一。傳統(tǒng)機械原理課程設(shè)計要求學(xué)生能結(jié)合一個簡單機械系統(tǒng)，綜合運用所學(xué)理論，使學(xué)生受到確定運動方案的初步訓(xùn)練，要對方案中某些機構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計。通過設(shè)計進(jìn)一步提高學(xué)生運用技術(shù)資料、運算和繪圖的能力。以武漢城市學(xué)院機電工程學(xué)部機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的《機械原理課程設(shè)計》課程為例：該課程設(shè)計是讓學(xué)生以經(jīng)典壓床機構(gòu)為對象，對其曲柄搖桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和凸輪機構(gòu)進(jìn)行理論分析和設(shè)計，并手繪出設(shè)計圖紙。根據(jù)往屆學(xué)生的設(shè)計實踐結(jié)果來看，大部分學(xué)生都是根據(jù)指導(dǎo)書“依葫蘆畫瓢”，對分析設(shè)計過程一知半解，達(dá)不到預(yù)期實踐效果，學(xué)生沒有真正意義上掌握壓床設(shè)計的核心內(nèi)容。目前該課程的設(shè)計訓(xùn)練對學(xué)生的培養(yǎng)和鍛煉遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代企業(yè)對人才能力的要求，一個創(chuàng)新機械產(chǎn)品從設(shè)計到運用，其中還涉及制造和裝配以及試用等環(huán)節(jié)。

本文主要研究內(nèi)容就是在《機械原理課程設(shè)計》原有要求的基礎(chǔ)上，通過加入3D打印技術(shù)，讓學(xué)生自己動手用Pro/E或SolidWorks等軟件設(shè)計并畫出壓床機構(gòu)中的連桿機構(gòu)、滑塊等各個零部件，然后3D打印出來并組裝，最后實現(xiàn)壓床的機械運動功能。課程設(shè)計中并沒有給出壓床機構(gòu)的實物尺寸，這將要求學(xué)生根據(jù)自己的理解和分析來設(shè)計尺寸，存在很大的創(chuàng)新空間。打印誤差的存在，會讓裝配變得困難。學(xué)生可以通過誤差糾正和打印參數(shù)的調(diào)整來減小打印誤差，或者通過后期處理使得各個零部件之間能裝配好。這無疑會極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和強化學(xué)習(xí)效果，提升學(xué)生的制圖、設(shè)計和創(chuàng)新能力。

1 3D打印技術(shù)在壓床設(shè)計中的具體應(yīng)用

1.1 零件尺寸的確定

壓床機構(gòu)的主體機構(gòu)為六桿機構(gòu)，電動機經(jīng)聯(lián)軸器帶動減速器的三對齒輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)三級減速后，再經(jīng)六桿機構(gòu)使壓床滑塊上下運動。同時，在曲柄軸另一端裝有供潤滑連桿機構(gòu)各運動副用的油泵凸輪機構(gòu)。整個壓床機構(gòu)全部3D建模下來工作量比較大，我們只選擇主體六桿機構(gòu)為對象，進(jìn)行設(shè)計、3D建模和打印。

在對主體零件進(jìn)行建模前，首先要設(shè)計各個零件的相關(guān)尺寸，如壓塊的長、寬、高；圓柱桿直徑；孔的直徑、孔深等，然后才能利用三維建模軟件來繪制壓床三維零件圖。學(xué)生需要根據(jù)指導(dǎo)書中給出的具體機構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，分析六桿機構(gòu)的運動關(guān)系，設(shè)計各桿的長度。壓床機構(gòu)主體零件主要包括壓塊1、壓塊2、圓柱桿、滑塊、連桿1、連桿2、連桿3、底座1、底座2、大底座、圓盤。表1為其中一位學(xué)生的對壓床機構(gòu)主體零件相關(guān)設(shè)計尺寸。尺寸的設(shè)計尤為關(guān)鍵，如果設(shè)計有誤，會直接導(dǎo)致實體模型各零件無法裝配。

表1 壓床機構(gòu)主體零件相關(guān)設(shè)計尺寸（單位：mm）

1.2 壓床零件建模

各零件尺寸確定，采用計算機輔助設(shè)計軟件建模。建模軟件主要有Pro/E、SolidWorks、UG等，本文應(yīng)用SolidWorks來進(jìn)行數(shù)字化建模。SolidWorks功能強大、易學(xué)易用，比較受廣大工程師和設(shè)計者青睞［3］。圖1為各零件的三維圖。在對壓床機構(gòu)的各個零件進(jìn)行建模后，通過各桿之間的運動關(guān)系，按照所需的自由度進(jìn)行裝配。裝配時要注意各個零件之間的配合。用Solid?Works進(jìn)行運動仿真分析，驗證六桿機構(gòu)的運動結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求，連桿機構(gòu)是否能帶動滑塊上下運動。壓床主體裝配如圖2所示。

圖1 壓床主體零件三維圖

圖2 壓床主體結(jié)構(gòu)裝配體結(jié)構(gòu)

1.3 零件的3D打印

3D打印機工作之前需要用切片軟件進(jìn)行切片處理。我們學(xué)校采用的是Cura切片軟件，先在SolidWorks中將各零件三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，才能進(jìn)行切片處理。之后設(shè)置層高、壁厚、填充率、打印速度、打印溫度、平臺溫度，支撐類型等打印參數(shù)進(jìn)行打印。學(xué)校教學(xué)采用的是FDM（熔融沉積快速成型）打印機，耗材為環(huán)?？山到獾腜LA（聚乳酸）。打印之前零件的擺放方位的不同，打印的成型質(zhì)量和效率會有很大區(qū)別。為了提高打印效率，節(jié)約打印耗材，一般學(xué)生們都會對模型進(jìn)行縮小打印，此處要注意壓床主體機構(gòu)所有零件都要縮小同樣的倍數(shù)。穩(wěn)妥的學(xué)生一個一個零件打印，有些學(xué)生同時打印多個零件以節(jié)約打印時間，有些同學(xué)將底座設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步來提高打印效率，每組設(shè)計和行為的差異，表現(xiàn)非常直觀。

1.4 零件的后處理和裝配

零件打印完成后首先從打印機工作臺剝離，用膩子鏟插入零件間隙，環(huán)繞零件一圈，可輕松取下。零件后處理主要包括去除支撐和打磨，教學(xué)練習(xí)不要求上色。后處理中打磨步驟比較重要，打印的誤差處理不當(dāng)會讓各零件裝配不上，只能通過打磨來補救。我們用銼刀或者砂紙來手工打磨提高各零件的尺寸和質(zhì)量精度。大部分學(xué)生在滑塊裝配時出現(xiàn)了問題。圓柱桿的打印放置方式如果選擇圓柱面作為支撐面，會導(dǎo)致圓柱表面粗糙，滑塊上下滑動困難；滑塊側(cè)孔深度尺寸設(shè)計小，與連桿裝配則容易脫落。此環(huán)節(jié)不僅鍛煉了學(xué)生的拆裝能力，還加深了學(xué)生對機械原理、機械結(jié)構(gòu)和機械運動的理解和掌握。圖3為上述學(xué)生將模型縮小0.6倍后打印出來的壓床主體實物裝配圖。

圖3 3D打印壓床主體機構(gòu)裝配實物模型

1.5 成品展示與評價

學(xué)生打印模型裝配完成后向老師和同學(xué)共同進(jìn)行展示。先同學(xué)評價，后老師點評，對打印環(huán)節(jié)現(xiàn)場評分。每組作品的優(yōu)缺點一目了然的展示在大家面前，學(xué)生可以相互汲取每組作品的優(yōu)點，同時對自己的不足之處有了改進(jìn)的方式和方法。傳統(tǒng)的機械原理課程設(shè)計只要是考察學(xué)生平時表現(xiàn)（出勤率、設(shè)計態(tài)度）、圖樣設(shè)計和說明書三方面。融入3D打印技術(shù)環(huán)節(jié)后，整個評價體系隨之進(jìn)行修正，加入3D打印作品精度、裝配度和創(chuàng)新性。這種形式的展示和評價，學(xué)生的參與度、興趣度、積極性和創(chuàng)新性成倍增加。通過3D打印環(huán)節(jié)的加入，也增加了學(xué)生的自信心和教師的成就感。

2 3D打印技術(shù)在機械原理課程設(shè)計中的應(yīng)用意義

將3D打印技術(shù)應(yīng)用在機械原理課程設(shè)計教學(xué)中，讓學(xué)生通過對壓床工作的原理和具體零部件的運動分析，設(shè)計出各個零部件的具體形狀和尺寸，通過三維軟件將整個壓床主體部分組裝并進(jìn)行運動仿真，把抽象的理論知識通過可視化手段呈現(xiàn)出來。通過3D打印，把設(shè)計的模型變成實物并進(jìn)行裝配，強化了學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力。從實踐效果來看，將3D打印技術(shù)應(yīng)用在機械原理課程設(shè)計教學(xué)中具有以下幾點重要意義：

（1）實現(xiàn)了機械原理課程設(shè)計的可視化。傳統(tǒng)的機械原理課程設(shè)計，學(xué)生根據(jù)教師給的抽象的原理圖和給定的已知參數(shù)，生搬硬套跟著老師的思路進(jìn)行繁瑣的計算和設(shè)計，很少有獨立的思考空間。而將3D打印技術(shù)融入機械原理課程設(shè)計，將壓床主體機構(gòu)打印出來，讓學(xué)生實現(xiàn)壓床真實的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了教學(xué)的可視化，讓枯燥的設(shè)計鮮活起來。

（2）提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。眾所周知，對于知識的學(xué)習(xí)，實踐動手操作比理論講述更容易被學(xué)生所接受。抽象難懂的機械原理課程，讓我們這個層次學(xué)校的學(xué)生苦不堪言。以往的課程設(shè)計，基本是由優(yōu)異的幾個同學(xué)組成的幾個不同的雷同版本，對設(shè)計的改進(jìn)和心得體會非常敷衍，沒有具體內(nèi)容。通過3D打印技術(shù)在壓床設(shè)計中的應(yīng)用，不僅讓學(xué)生親身感受到了實踐動手的激情，同時也激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在潛藏的學(xué)習(xí)興趣，體驗到了學(xué)習(xí)的快樂和學(xué)習(xí)的成就，提升了他們的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生提交的報告根據(jù)他們每組設(shè)計過程中出現(xiàn)的狀況不同呈現(xiàn)的內(nèi)容也各有不同，有些組對問題的分析比較深入，給教師以驚喜，都是可造之材。

（3）激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。通過學(xué)生對壓床主體設(shè)計的作品來看，在不影響功能的基礎(chǔ)上，學(xué)生們?yōu)榱嗣烙^或提高打印效率或節(jié)約打印成本或提高打印質(zhì)量，在零件細(xì)節(jié)的設(shè)計和打印的方式上呈現(xiàn)了“百花齊放”的勢態(tài)。有效地激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新設(shè)計能力，極大地促進(jìn)了創(chuàng)新型應(yīng)用人才的培養(yǎng)。

（4）打造了高效的探究式學(xué)習(xí)環(huán)境。以往的課程設(shè)計，教師講解完原理、布置了設(shè)計任務(wù)后，學(xué)生埋頭設(shè)計，零星有學(xué)生和老師交流不懂的地方，大部分學(xué)生一知半解地借鑒優(yōu)秀同學(xué)的設(shè)計。3D打印作品的引入，課程設(shè)計在任務(wù)驅(qū)動的形式下開展，通過布置目標(biāo)要求等開放性設(shè)計任務(wù)，學(xué)生以小組的形式，相互合作和研討，小組內(nèi)部解決不了的問題，勤于向教師請教，學(xué)生們逐步在實踐中掌握了壓床的機械設(shè)計要領(lǐng)，從而打造了高效的探究式學(xué)習(xí)環(huán)境，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的溝通、團(tuán)隊協(xié)作能力。即使最后裝配失敗的小組，他們也能從中很直觀的找到自己的失誤之處，有的選擇自己課后加班重新設(shè)計并打印作品，有的則選擇在報告中仔細(xì)分析自己的失誤。經(jīng)過3D打印環(huán)節(jié)的練習(xí)，讓學(xué)生徹底明白了壓床的工作原理、結(jié)構(gòu)和運動，達(dá)到了很好的學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語

通過將3D打印技術(shù)應(yīng)用到機械原理課程設(shè)計中，將抽象、晦澀的知識與實踐結(jié)合，實現(xiàn)教學(xué)可視化的同時，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新意識，打造了高效的探究式學(xué)習(xí)環(huán)境，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合機械設(shè)計能力，對機械原理課程設(shè)計教學(xué)有著深遠(yuǎn)的影響。機械專業(yè)的教師應(yīng)刻苦鉆研3D打印技術(shù)在教學(xué)上的運用，不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量。