3D打印技術在模具設計教學中的實踐與探索

摘要：3D打印技術是一項新型快速成型技術，3D打印機容易掌握、使用方便，將其應用到傳統的模具教學當中，勢必會帶來更加直觀的效果。文章對此觀點進行了論述，對其在模具教學中的應用進行了探索研究。

關鍵詞：3D打印；模具教學；應用研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0146-02

隨著現代社會生活節奏的加快，制造業市場環境發生了很大的變化，迅速將產品推向市場已成為制造商把握市場先機的重要保障。3D打印技術正是應此而快速發展起來的一項快速成型技術，目前在很多領域已得到了應用。在模具制造領域，3D打印常被用于產品的開模，節約產品到市場的開發時間，但由于存在材料等方面的制約，目前仍沒得到大范圍的投入使用。但是，把3D打印技術用于模具教學中，增加教學互動，強化知識理解，提高學習樂趣，是一項值得研究的有意義的事情。近年來，很多的高教專業在摸索著創新教學模式，把3D打印系統與教學體系相整合。我校今年引入多臺桌面3D打印機，嘗試將此技術引入教學實踐中，并取得了一些效果。

一、3D打印概述

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它以“疊加式制造”著稱，運用激光束融化金屬或塑料粉末，以塑造高度復雜的形狀。3D打印機操作簡單，只需將建立好的三維模型輸入到3D打印機的電腦中，就能夠進行打印，這也是其比傳統制造業更便捷的地方。

運用3D打印技術進行生產的主要流程是應用計算機三維軟件（UG、Pro/E等）設計出立體的樣式加工，然后保存成“.stl、.obj、.thing”等格式，通過MakerWare軟件將繪制好的模型轉換為3D打印機可以識別的代碼，通過USB接口或者SD卡傳遞給3D打印機，再通過加熱PLA（綠色環保生物降解材料聚乳酸Polyacticacid）細絲，使融化后的材料通過噴嘴噴出，打印結構的第一層，然后是第二層、第三層……每一層逐漸疊加，最后打印出成型的產品[1]。其工作原理示意圖見圖1所示。

目前，在教學中應用最普遍的是SLA和FDM兩種打印技術。SLA主要用于制作模型，在國外大學教學領域上用的比較廣泛。它的優勢有：光固化成型法成熟度高，由CAD數字模型直接制成原型，加工速度快，產品生產周期短，無需切削工具與模具，降低錯誤修復的成本。可以加工結構外形復雜或使用傳統手段難于成型的原型和模具，可聯機操作和遠程控制。存在的缺陷有：系統造價高昂，使用和維護成本過高，對工作環境要求苛刻。成型件多為樹脂類，強度、剛度、耐熱性有限，不利于長時間保存。預處理軟件與驅動軟件運算量大，軟件系統操作復雜，入門困難；立體光固化成型技術被單一公司所壟斷。FDM主要采用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）作為原材料，目前市場上采用FDM技術較為普遍，相對比較便宜，一般在4000～6000元之間。FDM的優勢有：操作環境干凈、安全，可以在辦公室環境下進行。表面質量較好，易于裝配，可以快遞構建瓶狀或中空零件。原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換，材料費用低。可選用多種材料，如可染色的ABS和醫用的ABS、PC、PPSE等，材料利用率高。存在的技術缺陷有：精度較低，難以構建結構復雜的零件。做小件或者精細件時不如SLA技術，最高精度0.127mm，與截面垂直的方向強度小，成形速度相對較慢，不適合構建大型零件。

二、3D打印機在模具教學中的應用

在教學過程中，教師要善于用好各種媒體，要學會并善于引用一些先進技術來彌補各種直接經驗的不足，變抽象為具體，使教學活動更高效。面對第三次工業革命浪潮，教育需要更多地讓孩子們接觸、感知和體驗未來的新興技術，培養學生的創造性思維能力，3D打印機技術的普及為學校的創新教育提供了新的視角和技術支持。

1.課堂教學中的應用。3D打印技術在本質上是多媒體技術的延伸，是虛擬現實技術的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發展，它與教學的融合勢在必行。目前絕大部分模具設計課程的教學，幾乎使用powerpoint或flash軟件來制作多媒體課件，通過動畫、圖形、聲音、視頻的演示，加上教師深入淺出的講解，學生會在不知不覺中學到知識。這樣學生可以在原有認知結構和生活經驗的基礎上，認同教師的概念和思維方式，并內化到自己新的認知結構中，形成自己新的概念和思維方式[2]。隨著3D打印機的出現，引入該項技術，將課程中涉及的典型模具零件打印展現，對模具的教學能夠起到更好的輔助。如圖3所示為3D打印出的鞋模模型，教學中展示會使學生對模具有更直觀的認識，取得更好的教學效果。

2.課程設計中的應用。模具設計課程通常要進行為期1～2周的課程設計，教師輔導學生使用合適的設計軟件，如Pro/E、UG，使用計算機進行模具設計，充分發揮學生的主體作用，教師負責答疑，通過一兩周的課程設計使學生加深對課堂上教學內容的認識，達到融會貫通的目的[2]。應用3D打印機后，可以安排學生分組設計、分組打印，使學生能夠真正見識到自己設計的模具零件打印成型的過程，更加提高了學生的學習興趣，并能提高設計水平。

三、3D打印技術在模具教學中的應用效果

3D打印應用于教學，主要分為3D造型設計、3D打印、3D打印后處理、性能試驗及評估等環節。通過一系列環節的鍛煉，提高學生的創意能力、規劃能力、動手能力、實踐能力和團隊合作能力，深化實驗教學的改革，為培養更多的復合型技術人才打好基礎。從教學實踐的過程來看，取得了如下效果。

1.采用3D打印技術輔助教學后，學生對于模具的基本組成結構能夠進行更直觀的觀察，對于模具的結構有了更深的認識。

2.采用3D打印技術輔助教學后，學生分組討論問題更加熱烈，對于模具的學習興趣有了進一步的提高。

3.采用3D打印技術輔助教學后，學生不僅熟悉3D打印機的操作方法，而且對于先進制造技術有了更多的了解，并產生了濃厚的興趣。

4.3D打印機可以提高學生在掌握技術方面的優勢，提高學生的科技素養。

四、3D打印教學中注意的問題

1.由于受材料的限制，3D打印機主要使用塑料作為打印材料，與真正的模具材料存在很大的差別。在教學過程中，教師注意對此方面要做出提示。

2.模具尺寸的限制。教學用的3D打印機多為臺式打印機，尺寸較小，能夠打印出的產品尺寸受到限制。

3.模具精度的限制。3D打印機由于分層制造存在“臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級“臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差。

五、結論

教育需要與時俱進，盡可能讓學生接觸、體驗、掌握3D打印這一門新興技術，從而發展學生的空間思維能力和創新思維能力，將會對學生的未來產生重要影響。實踐證明，在模具設計和制造課程中使用3D打印技術是可行的，在教學的過程中也獲得了一些效果。但是不要過多依賴3D打印機，其只是一種輔助教學手段，教學過程中最重要的仍是正確處理多媒體和粉筆、黑板、普通教具、語言表達之間的關系，將模具設計方法進行很好的傳達。

參考文獻：

[1]喬瑞麗，李海林.桌面3D打印技術在模具教學中的實踐[J].模具制造，2015，（1）.

[2]張艷華.壓鑄模具設計課程多媒體教學方法的實踐與探索[J].讀書文摘，2013，（9）.