快速成型機(jī)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

劉傳根 周海貝 龔春健

[摘要]介紹了快速成型機(jī)的工作原理、應(yīng)用范圍和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，重點(diǎn)指出了快速成型機(jī)應(yīng)用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的意義。實(shí)踐表明，將快速成型機(jī)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，能規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為，對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和動(dòng)手能力的提高起到了重要的推動(dòng)作用。

[關(guān)鍵詞]快速成型機(jī)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)；模型

[中圖分類號(hào)]G40—057

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[論文編號(hào)]1009—8097(2009)13—0305—02

一引言

教學(xué)實(shí)驗(yàn)是理論結(jié)合實(shí)際的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生由知識(shí)型人才向能力型人才轉(zhuǎn)化的重要途徑，由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有直觀性、綜合性和創(chuàng)新性，對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)有著重要的不可替代的作用。教學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅涵蓋了理論課的內(nèi)容，而且比理論課更加復(fù)雜。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們深深體會(huì)到：借助于先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，讓學(xué)生在各個(gè)環(huán)節(jié)中通過(guò)眼、手、腦等并用，可以很好地訓(xùn)練和培養(yǎng)他們實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，對(duì)提高學(xué)生動(dòng)手能力及知識(shí)綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力，強(qiáng)化教學(xué)質(zhì)量具有重要作用。

長(zhǎng)期以來(lái)，在材料成型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所使用的儀器設(shè)備比較陳舊，實(shí)驗(yàn)方法落后，本科生基本無(wú)緣接觸先進(jìn)的儀器。然而，現(xiàn)在的學(xué)生有強(qiáng)烈的求知欲，他們渴望了解新知識(shí)，特別是代表學(xué)科發(fā)展前沿的專業(yè)知識(shí)，傳統(tǒng)的演示型和驗(yàn)證型教學(xué)實(shí)驗(yàn)總會(huì)招致他們的抱怨。基于這種情況，并結(jié)合專業(yè)教材的更新，材料學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室成立了數(shù)字制造實(shí)驗(yàn)室，配置了數(shù)控雕刻機(jī)、工業(yè)用掃描儀、影像測(cè)量?jī)x、快速成型機(jī)等先進(jìn)裝備，用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。下面就快速成型機(jī)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用談點(diǎn)個(gè)人體會(huì)。

二快速成型機(jī)及其應(yīng)用范圍

1快速成型機(jī)簡(jiǎn)介

快速成型技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

快速成型機(jī)的工作原理是：將單面涂敷一層熱熔膠薄層材料(紙、塑料薄膜或復(fù)合材料)，通過(guò)熱壓裝置使材料表面達(dá)到一定溫度，薄層之間粘合在一起。隨后位于其上方的激光器按照CAD模型切片分層所獲得的數(shù)據(jù)，將薄層材料切割出零件該層的內(nèi)外輪廓。激光每加工完一層后，工作臺(tái)下降相應(yīng)的高度，然后再將新的一層薄層材料疊加在上面，重復(fù)前述過(guò)程。如此反復(fù)逐層切割——粘合——切割……，逐層堆積生成三維實(shí)體，直至整個(gè)零件模型制作完成。非原型實(shí)體部分被切割成網(wǎng)格，保留在原處，起支撐和固定作用，制件加工完畢后，可用工具將其剝離。

2快速成型機(jī)的應(yīng)用范圍

(1)可直接制作紙質(zhì)功能件，用作結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和功能測(cè)試。

(2)成形速度快，精度較高，運(yùn)行費(fèi)用比較低。

(3)經(jīng)過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，不僅可制作尺寸較大的制件，也可制作復(fù)雜薄壁件，工業(yè)應(yīng)用面廣。

(4)可以直接制作翻砂用模型，替代傳統(tǒng)木模。

(5)可以用轉(zhuǎn)移涂料技術(shù)制造鑄造用金屬模。

(6)制作出來(lái)的原型件可翻制各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、石膏模、合金模、電鑄模、環(huán)氧樹脂模和氣化模等。

三教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1設(shè)備

所用設(shè)備是HRP—ⅡB型快速成型機(jī)。

2準(zhǔn)備過(guò)程

本著實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的原則，讓學(xué)生根據(jù)自己的意愿選題，將自己設(shè)計(jì)的要制作的模型完成數(shù)學(xué)建模，然后轉(zhuǎn)換成STL格式文件，將其復(fù)制到快速成型機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)啟用系統(tǒng)軟件：打開HRP2006程序，打開要制造的模型文件，在“制造”中選擇“打開強(qiáng)電”；再在“制造”中選擇“打開加熱器”并根據(jù)材料型號(hào)設(shè)置加熱器溫度。再將其他的參數(shù)設(shè)置好。將設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用范圍，參數(shù)設(shè)置的原則等向?qū)W生講解。

(2)教師示教：約30分鐘后，數(shù)控柜操作面板上溫度控制器顯示溫度達(dá)到設(shè)定值，即可操作。將紙張鋪設(shè)好，在“制造”中選擇“基底”，系統(tǒng)進(jìn)行一次循環(huán)的制造，設(shè)備正常即可，將操作中注意的事項(xiàng)向?qū)W生交代清楚，然后交給學(xué)生操作。

(3)學(xué)生操作：打開HRP2006程序，打開要制造的模型文件，根據(jù)材料型號(hào)和模型的外型尺寸大小將所有的參數(shù)設(shè)置好。將紙張鋪設(shè)好，在“制造”中選擇“基底”，系統(tǒng)進(jìn)行一次循環(huán)的制造，然后在模型基底的最大輪廓線內(nèi)粘上雙面膠帶，再將設(shè)備設(shè)置成連續(xù)制造。模型作完后，用專用工具小心去掉廢料，再用木工工具將模型打磨好。

四實(shí)驗(yàn)結(jié)果

二年多來(lái)，設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做出了不少成品，圖1(世博會(huì)標(biāo)志)就是其中的一件。

五實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

1直觀性通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直接接觸產(chǎn)品的制作過(guò)程，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行有了充分的感覺，對(duì)產(chǎn)品由三維圖形轉(zhuǎn)換到實(shí)體，由理性認(rèn)識(shí)上升到感性認(rèn)識(shí)。

2系統(tǒng)性通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以對(duì)產(chǎn)品的全部制作過(guò)程，設(shè)備的性能、運(yùn)行狀態(tài)和注意事項(xiàng)有了充分的認(rèn)識(shí)。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)產(chǎn)品的全部制作過(guò)程有了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

3互動(dòng)性實(shí)驗(yàn)使用的快速成型機(jī)為師生交流提供了一個(gè)互動(dòng)平臺(tái)，教師可以在實(shí)驗(yàn)室解答學(xué)生提出的問(wèn)題，學(xué)生舉一反三，觸類旁通。

六實(shí)驗(yàn)意義

與傳統(tǒng)的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)相比，快速成型機(jī)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，顯示出以下優(yōu)勢(shì)：

1對(duì)專業(yè)課的學(xué)習(xí)有很大幫助本實(shí)驗(yàn)對(duì)專業(yè)課特別是模具設(shè)計(jì)有很大幫助，由于在模具設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的依據(jù)是產(chǎn)品圖紙，不太直觀，對(duì)沒(méi)有工作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度比較大，而將該產(chǎn)品制作成模型則將對(duì)模具設(shè)計(jì)有很大幫助，也能激發(fā)起學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣。

2提高了實(shí)驗(yàn)的直覺效果由于實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯訉⒛Ｐ娃D(zhuǎn)換成實(shí)物，因此，提高了實(shí)驗(yàn)的直覺效果，使學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)識(shí)由理性上升到感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的感官認(rèn)識(shí)。

3容易獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于模型是用數(shù)學(xué)建模制作轉(zhuǎn)換的，因此需要什么模型，事前可以修改、控制，即使個(gè)別學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修改原模型，以便做出更好的產(chǎn)品。他們從使用CAD軟件設(shè)計(jì)，到用快速成型機(jī)做出工件，將綜合實(shí)驗(yàn)的作用全部發(fā)揮了出來(lái)。

4有利于發(fā)揮學(xué)生的動(dòng)手能力傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)大都是教師做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察，記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告就可以了。這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告往往只有幾個(gè)版本，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)無(wú)法展現(xiàn)，實(shí)踐能力得不到提高。而本實(shí)驗(yàn)不僅需要學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)置參數(shù)，需要處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的具體問(wèn)題，而且產(chǎn)品出來(lái)后還要用專用工具將其剝離，并用木工工具將模型打磨好，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和細(xì)心地操作。

5對(duì)“消極型”學(xué)生問(wèn)題的解決具有促進(jìn)作用“消極型”學(xué)生是指那種對(duì)實(shí)驗(yàn)題目不明確，實(shí)驗(yàn)課注意力分散，在分組實(shí)驗(yàn)中只看熱鬧，抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告、對(duì)學(xué)習(xí)抱無(wú)所謂的態(tài)度，在學(xué)習(xí)上不努力的學(xué)生。而本實(shí)驗(yàn)需要大家分工合作，共同努力才能完成實(shí)驗(yàn)，而且產(chǎn)品做的好他們也有成就感，因此能吸引學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為效果非常明顯，提高了學(xué)生的整體特別是差生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

6有利于發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)大都是教師做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察，記下結(jié)果，完成報(bào)告就可以了，而本實(shí)驗(yàn)是需要學(xué)生自己動(dòng)手，教師可以隨時(shí)觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，及時(shí)糾正學(xué)生實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用。

7有利于教學(xué)資源的開發(fā)和利用實(shí)驗(yàn)需要使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件和快速成型機(jī)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可拓展到材料成型專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和開放實(shí)驗(yàn)，使教學(xué)資源得以充分利用。

8有利于提高師生素質(zhì)使用快速成型機(jī)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)的能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，提高參與意識(shí)，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)全面提高。同時(shí)要求教師必須提高計(jì)算機(jī)的應(yīng)用水平，特別是能熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和快速成型機(jī)，熟悉模具制造的工藝方法，并能及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的技術(shù)和理論問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)二年多的教學(xué)實(shí)踐，快速成型機(jī)在不同層面對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和動(dòng)手能力的提高起到了重要的推動(dòng)作用，得到了廣大學(xué)生和教師的一致好評(píng)。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生的對(duì)理論知識(shí)的理解，擴(kuò)大了學(xué)生的眼界和思維能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，為以后就業(yè)和工作奠定了良好的基礎(chǔ)。