齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向教學模式探索

朱小明, 韓 偉， 牛吉梅， 潘健怡

(華南理工大學廣州學院 工程訓練中心，廣州 510800)

0 引 言

近年來我國3D打印技術(shù)進入高速發(fā)展期，3D打印機已經(jīng)被用于教學和科研，逐步改變著傳統(tǒng)教育方式和學習方式[1-4]。各高校不斷探索3D打印在教育領(lǐng)域的應用，研究可行的基于3D打印技術(shù)的實驗教學，建立3D打印創(chuàng)新教學實驗室，支持和推動創(chuàng)客教育的發(fā)展[5-7]。應用3D打印技術(shù)，讓設(shè)計軟件和3D打印機作為一種有價值的教育工具，進入機械類課程教學的課堂是一種積極的嘗試。齒輪傳動機構(gòu)是機械系統(tǒng)中十分重要和應用廣泛的機構(gòu)。對齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向教學模式探索具有一定的重要性和代表性。

1 規(guī)劃和流程

教學中以學生完成齒輪等相關(guān)機械原理學習，并具有一定二維圖紙設(shè)計能力為前提。學生以完成齒輪系列零件建模、3D打印加工任務(wù)為核心，運用SolidWorks設(shè)計軟件中齒輪的建模功能，根據(jù)齒輪相關(guān)原理參數(shù)，完成齒輪零件虛擬建模和裝配，學習和掌握熱塑擠壓打印原理、3D打印機的使用并完成齒輪零件加工，對零件進行尺寸測量、裝配、運動模擬、設(shè)計驗證和優(yōu)化。表1所示對齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向教學進行了分解和規(guī)劃。

表1 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向教學規(guī)劃表

該任務(wù)導向教學模式打破傳統(tǒng)理論教學、二維圖紙設(shè)計模式的局限，達到從理論到二維圖紙設(shè)計、三維軟件虛擬建模、3D打印到裝配驗證的“教、學、做”一體化教學效果。主要目的是使學生能完成齒輪系列零件的設(shè)計建模、3D打印加工、驗證和優(yōu)化創(chuàng)新。學生是操作的主體，而教師是組織任務(wù)、分配、指導和點評學生工作的角色。具體的教學工作流程如圖1所示。

圖1 教學工作流程

2 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向教學

目前應用最廣泛的是漸開線齒輪，所以在任務(wù)設(shè)計中以漸開線齒輪系列零件參數(shù)化建模為主，涉及到齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)等重要技術(shù)參數(shù)[8-9]；3D打印中采用目前使用最廣泛的熱塑擠壓3D打印機，該類型打印機的成本逐步降低，已廣泛應用于教學領(lǐng)域。本校使用的是太爾時代公司制造的桌面級UP！系列3D打印機。如圖2所示為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪等典型漸開線標準齒輪的SolidWorks建模，熱塑擠壓3D打印機加工，齒輪零件測量、裝配驗證的任務(wù)導向圖。

2.1 齒輪系列零件的建模

教師提出齒輪零件的設(shè)計要求，等學生分組并完成設(shè)計參數(shù)、設(shè)計方案的討論后，指導學生使用SolidWorks軟件完成齒輪零件的建模。在SolidWorks中繪制符合規(guī)定的齒廓曲線方程的齒輪齒廓較為困難，齒輪建模難度比較大。但SolidWorks軟件中有集成很多常用零件數(shù)據(jù)的設(shè)計庫、相關(guān)的第三方插件[9-11]，所以學生不必掌握很好的特征建模能力也可輕松得到基本常用齒輪系列零部件的三維模型。

圖2 齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向圖

如圖3所示SolidWorks Toolbox標準件庫中包括多種設(shè)計標準的齒輪零件，可直接調(diào)用建立一個具有標準齒廓的齒輪齒圈，然后建立齒輪的輪轂和腹板[10]。在此設(shè)計過程中，涉及到齒輪模數(shù)、齒數(shù)等參數(shù)，提高學生對齒輪理論知識的理解和應用能力。

圖3 從Toolbox中建立齒輪零件

GearTrax是SolidWorks第三方插件，是專業(yè)的齒輪產(chǎn)生器。GearTrax插件可用于設(shè)計直齒輪/斜齒輪、錐齒輪、鏈輪、齒輪傳動帶、帶輪、渦輪/蝸桿等，軟件等于是一個齒輪設(shè)計條件的輸入界面[9-10]。圖4所示是GearTrax2014插件中直齒輪選項卡界面，在此界面只需選擇齒輪標準和輸入指定的參數(shù)值，例如節(jié)距的規(guī)格、模數(shù)、齒數(shù)、徑向變位系數(shù)、齒面厚度和齒背隙等，系統(tǒng)便自動連接到SolidWorks生成相應的精確齒輪實體模型[10]，并可在此基礎(chǔ)上進行再設(shè)計。軟件中的輸入條件，要求學生應用齒輪參數(shù)進行設(shè)計，可以鞏固所學的知識，加深對知識的理解。圖5所示通過GearTrax輸入不同參數(shù)條件后生成的齒輪系列零件和齒輪裝配體。齒輪模型最后以當前3D打印的標準文件格式—STL格式保存輸出。

圖4 geartrax2010插件界面

為提高建模效率，教師可將較難的齒輪模型文件、學生的優(yōu)秀齒輪模型文件保存在設(shè)計庫中，建立一個齒輪零件設(shè)計庫，實現(xiàn)資源共享。

2.2 齒輪系列零件的3D打印

在SolidWorks上完成的齒輪虛擬模型要通過3D打印機打印成可觸摸的物理模型。學生要了解所用打印機的原理和學會使用打印機完成齒輪模型加工。

圖6為熱塑擠壓3D打印的原理示意圖。材料被送到加熱后的噴頭內(nèi)加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化后的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)[12]。

圖6 熱塑擠壓3D打印的原理示意圖

本校使用的是UP！系列3D打印機，料絲使用的是ABS和PLA等熱塑性材料，可以制作體積較大并非常精致的模型。學生打印操作之前要熟悉打印機結(jié)構(gòu)，打印軟件參數(shù)的設(shè)定，打印的操作步驟。在打印軟件中設(shè)定合理的加工參數(shù)對模型的加工非常重要，包括層片厚度、輪廓加工軌跡(截面輪廓的填充方式)、支撐角度、密封表面層數(shù)、掃描速度等。層片厚度越小，零件打印精度越高；輪廓內(nèi)部填充線越密，零件越牢固；在合理的范圍內(nèi)，掃描速度慢一點，打印精度高一點。圖7所示為UP！軟件的參數(shù)設(shè)定界面，該軟件中需設(shè)定的參數(shù)相對較少，有利于學生學習和使用。

圖7 UP！軟件的參數(shù)設(shè)定界面

UP！系列打印機操作簡單，步驟如下：開機、初始化、平臺加熱—在UP！軟件中導入STL格式文件—調(diào)整模型大小、放置角度和設(shè)定打印參數(shù)—打印加工—取下模型并進行后處理。參數(shù)設(shè)定后，打印機接收數(shù)據(jù)開始打印工作，完成分層堆積過程。打印完成后，模型一般要進行后處理，例如移除支撐材料、手工打磨、清洗等。圖8為UP！打印機進行齒輪零件的加工。

2.3 齒輪零件的驗證和優(yōu)化

通過3D打印得到齒輪模型后，要進行尺寸測量、裝配、運動模擬等分析，在驗證分析中更好了解和掌握齒輪抽象的概念，有助于加強對齒輪機構(gòu)原理的理解，提高動手能力。

圖8 UP！打印機進行齒輪零件的加工

模型測量以一對漸開線直齒輪為例，齒輪打印完成后，用游標卡尺測量幾何尺寸：齒輪齒數(shù)、根圓直徑、齒輪孔徑等，進而計算出齒輪的基本參數(shù)：基圓齒距、模數(shù)、分度圓壓力角和齒頂高系數(shù)等[13]，與三維建模中所應用的參數(shù)值進行對比，加深了解齒輪各部分尺寸與參數(shù)之間的相互關(guān)系。

學生對齒輪機構(gòu)進行裝配，運動模擬，判斷模型設(shè)計是否準確、合理可行。教師進行點評并引導學生在此基礎(chǔ)上形成一些新的想法，對齒輪機構(gòu)進行優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計。圖9所示為應用3D打印技術(shù)完成的齒輪系列零件。

圖9 應用3D打印技術(shù)完成的齒輪系列零件

3 任務(wù)導向教學模式的延伸

任務(wù)導向教學模式不僅成功地應用于齒輪設(shè)計中，還可延伸到相關(guān)的機構(gòu)設(shè)計模塊中，例如凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、蝸輪蝸桿機構(gòu)等[14]，提高學生對機械機構(gòu)的綜合設(shè)計能力，更好地形成組合結(jié)構(gòu)設(shè)計和創(chuàng)新機構(gòu)設(shè)計，拓展創(chuàng)新性思維。最后可結(jié)合課程設(shè)計內(nèi)容，由教師提出任務(wù)，學生分組完成一項機構(gòu)模型的方案設(shè)計，完成三維建模，模型打印，并對模型進行驗證、交流、評價和總結(jié)[15]。圖10為我校學生利用3D打印自主完成的創(chuàng)新組合機構(gòu)模型，該機構(gòu)融合了機構(gòu)設(shè)計原理、SolidWorks軟件建模、3D打印機、電路控制等知識。

學生在此過程中完成的優(yōu)秀機構(gòu)模型作品，收集起來建立一個對學生開放的機構(gòu)模型室，并可作為教學教具使用[16-17]，將有利于教師和學生學習交流，更好開展“觸覺教育”和拓展學生的創(chuàng)新思維。

4 結(jié) 語

對齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導向教學模式探索是3D打印技術(shù)帶著3D設(shè)計軟件和3D打印機應用于機械類課堂教學的一種體現(xiàn)，是一種從理論到設(shè)計，設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實，現(xiàn)實加固理論的教學方法的嘗試。該任務(wù)導向教學模式可由齒輪設(shè)計模塊延伸到其他機構(gòu)設(shè)計模塊，強化學生對機械原理的理解，提高創(chuàng)新設(shè)計和自主設(shè)計能力，更好地培養(yǎng)學生工程實踐能力。