3D打印技术在模具设计实训课程中的应用与探索

齐婧妍，白小茗，刘 超

(河南应用技术职业学院，河南 郑州 450042)

0 引言

3D打印技术是一种集机械设计与制造、计算机科学技术等多种学科技术于一体的先进制造技术，因其产品质量优、成型效率高和材料成本低的优势被应用在很多领域。在模具制造领域中常被用于产品的开模，以缩短产品从开发设计到市场投放的时间。将3D打印技术引入到模具专业实训课程中，避免了因实训设备数量有限、加工周期太长以及加工中易出现安全事故等问题对学生参与带来的限制，教师可将复杂结构的模具零件打印成实物展示给学生，学生能更加直观地观察模具结构，同时也能将自己的设计打印出来，以快速检验设计模型的不足之处并加以改进。与模具专业传统教学的讲解方式相比，3D打印技术的引入增加了教学互动，拓宽了模具设计的范畴，培养了学生的创新思维和创新意识。

1 3D打印技术概述

3D打印也被称为增材制造(additive manufacturing)，是一种新兴的快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，利用三维软件进行建模，或利用实体扫描设备来获取实物的数据模型，导入数控成型系统，将材料逐层沉积或粘合以构成3D物体的技术[1]。目前市场上已经出现了3种不同原理的3D打印机： 熔融沉积(FDM)3D打印机(见图1)、光固化3D打印机和激光烧结3D打印机。其中熔融沉积3D打印机因其操作简单、维护成本低，目前在教育行业中应用较为广泛。

图1 FDM 3D打印原理

2 3D打印技术在模具设计教学中的应用

当前，在模具设计实训教学中，学生主要是通过手绘或者借助UG、 Pro/E等3D软件和AutoCAD、 CAXA等2D软件来完成模具的结构设计，随后再采用数控加工和电加工的方法将模具型芯、型腔实物加工出来[2]。而模具加工环节对于学校实训条件要求较高，多数学校因成型加工设备数量有限、加工零件时间过长、实训课时较短、耗材费用较高和加工安全性等多方面因素的限制，学生所设计的模具大多只停留在设计层面。其设计的可行性无法得到有效验证，仅凭想象，学生很难切身感受和理解复杂模具的内部构造及成型原理。而3D打印技术成型效率高、耗材成本低的特点，刚好满足了模具设计实训课程的教学需要[3]。在实训课上，学生以小组分工的模式通过学习切片软件的使用和3D打印机的操作来完成模具加工，只需要较短时间便可通过电脑直接将设计的模具零件打印出来。学生能直观的通过成品，更加形象地理解模具的设计和制作过程[4]。

3 基于3D打印技术的模具专业实训课程建设

模具专业3D打印实训课程应以“理实一体化”教学模式为主，以锻炼和提高学生自主创新能力为目标[5]，内容从易到难、由浅入深，以激发学生学习兴趣，吸引学生不断探索。3D打印技术实训课程在时间上应与模具设计课程交叉进行，主要为模具加工环节服务，以缩短模具加工周期，激发学生创新思维，满足学生个性化的设计需求，便于学生对所打印的型芯、型腔实物进行装配以印证设计的合理性，教师可对学生在完成作品过程中遇到的问题提供指导，引导学生从初步理解到团队协作，再到独立完成设计，能够解决实际问题，使教学过程更贴近于实际工作岗位[6]。3D打印技术实训课程教学目标如表1所示。

表1 3D打印技术实训课程教学目标

3D打印过程主要涉及建模、工艺参数设计、产品打印以及产品后处理等工序，因此3D打印实训课程内容主要包括3D打印机认知、3D打印机及切片软件操作、工业类零件切片方法及参数设置，共3个任务模块。

表2 3D打印技术实训课程教学任务模块

3.1 “任务一 3D打印机认知”课程内容设计

该任务环节主要以理论授课为主，通过介绍常见的熔融沉积3D打印机、光固化3D打印机、激光烧结3D打印机等打印机类型和三角洲式、龙门式、Prusa i3、十字轴式、CoreXY式等打印机结构使学生了解3D打印技术的原理、特点、应用范围、发展方向等基本知识[9]。图2为笔者所在学校购置的龙门式3D打印机及其内部结构。

(a) 内部

(b) 外观图2 龙门式3D打印机

3.2 “任务二 3D打印机及切片软件操作”课程内容设计

本任务环节采用FDM 3D打印机、Bosheng-Slicer切片软件进行课程教学，FDM 3D打印机的工作原理主要是熔融沉积式快速成型，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过微细喷嘴的喷头挤喷出来。与前一层面熔结在一起，一层一层的堆叠直到完成实体造型[10]。具体打印流程如图3所示。

图3 FDM 3D打印机切片打印操作流程

学生通过计算机采用3D画图软件创建一个3D图形，如Solidworks， Inventor或者Pro/ENGINEER等软件，将3D模型文件以STL标准格式导出。3D打印通用格式STL是用三角网格来表现3D的CAD模型，输出STL文件的参数选择会影响打印质量。比如在Solidworks软件中，当输出STL格式文件时，可以在选项中调整STL格式的误差范围。根据需要调整要打印模型的大小和层厚度等，通过打印机编译软件(Bosheng-Slicer)对STL格式的文件进行分层，生成打印路径，转化为打印机可以识别的G代码文件。如将STL格式转为Gcode，它在Z方向将立体图分切成片状，产生填充的加工路径，计算使用的材料的量，并显示打印时长。在打印零件时，对于零件的摆放位置要考虑零件精度、打印时间、零件强度、支撑、表面质量等因素。准备好3D打印机、材料、电源等后，点击开始打印。在打印过程中要仔细观察打印情况，记录实验数据，随时处理打印过程中出现的问题。

3.3 “任务三 工业类零件切片方法及参数设置”课程内容设计

本课程任务主要是在完成3D打印机及切片软件操作任务目标的基础上，根据所打印出的模具实物，引导学生思考根据不同的打印件放置方式进行切片后，对打印件表面质量的影响，从而理解以不同放置方式进行切片打印，对打印件零件精度、打印时间、零件强度以及支撑的影响。

表3 工业类零件切片方法及参数设置要点

该环节主要采用任务驱动教学法，使学生通过“学习—训练—研讨—改进”的模式，通过实例演练提高动手能力，引导学生在前一阶段打印实物的基础上总结不足，调整打印件的放置方式、参数设置等，进一步优化方案，使最终打印件达到表面光滑无明显缺陷，并有一定的强度以满足使用的标准。

图4 打印件竖直放置

图5 打印件水平侧放置

4 小结

本文介绍了3D打印技术在模具专业实训课程中的应用，将抽象的设计图形转化成实物，使学生设计的合理性得到有效验证和优化，有利于加深学生对模具结构的理解，同时对培养和激发学生的创新意识和学习兴趣，拓展其对模具技术的认知范围，培养模具专业复合型创新人才具有重要意义。