3D打印技術在“聚合物模具設計”課程教學中的應用

肖建華 宋仕強 王錦成

上海工程技術大學化學化工學院 上海 201620

“聚合物模具設計”是一門理論與實踐緊密結合的課程,其特點是學習緊、任務重,大量的圖紙、新結構、新設計、新模型接踵而來,學生很難通過課堂內提供的圖片、動畫或者教學視頻資料去理解、消化、吸收復雜的模具結構和模具設計要素,更不要談把學科的知識綜合起來,活學活用,富有創造性、創新性地設計和開發模具。

設計和加工聚合物模具教學模型就顯得迫在眉睫。3D打印相對于傳統的“減材”制造技術不同,是一種新型的“增材”制造技術[1]。3D打印屬于無模成型技術,尤其適用于各種復雜幾何模型的個性化制造[2],且3D打印出的模具大小合適、重量輕便,便于拆卸和組裝。所打印的教學模型方便學生在課堂上傳遞和拆裝,有助于提升學生閱讀二維圖紙的能力,加強學生理解模具的基本結構,進而提高課程教學效果。本文將3D打印的各種聚合物教學模型應用于“聚合物模具設計”課程教學,在傳統教學方式方法的基礎上,活躍課堂氣氛,拓展學生思路,以期能夠提高教學效果。

一、3D打印技術

(一)3D打印技術簡介

熔融沉積成型技術(Fused Deposition Modeling,簡寫FDM)是一種桌面式的3D打印技術,它是將絲狀的聚合物材料加熱融化,通過一個噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出,沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上,溫度低于固化溫度后開始固化,通過材料的層層堆積形成最終成品[3]。

3D打印也屬于典型的無模成型技術[4],它最大的優點是可實現復雜模型的個性化定制,這個特性使得桌面式3D打印尤其適合于復雜聚合物模具教學模型的制作。

(二)3D打印過程

所涉及的課程教學模型可采用三維建模軟件進行計算機輔助設計,通過3D打印機實現復雜教學模型的制作,加工成本低,其具體步驟如圖1所示:(1)運用CAD軟件對所設計的模型建模;(2)將模型轉換為3D打印所需求的STL格式;(3)確定模型打印的尺寸、位置和方向;(4)設置相應的打印參數,如層厚、速度、填充率等;(5)無人監守的打印過程;(6)取出制件;(7)人工后處理、打磨拋光;(8)投入使用[5]。

圖1 整個3D打印過程

二、3D打印注塑模具模型

(一)注塑模具設計

在UG軟件中首先繪出塑料制品的3D圖,然后定義塑件的收縮率,經分型后創建型芯、型腔模型,選定推出機構,然后選擇標準模架,創建定位圈和澆口套。

(二)注塑模具模型的3D打印

聚合物注塑模具結構非常復雜,包含澆注系統、成型系統、推出機構、導向系統等,典型的兩板式注射模具如圖3所示。聚合物模具設計教學環節要求學生掌握模具的基本結構和設計要素,能夠對一般的聚合物制品進行模具結構設計[6]。

在聚合物注塑模具設計和制作中,3D打印技術可以發揮以下作用:

a.澆口套

b.定位圈

c.定模座扳

d.定模扳

e.動模

f.動模座板

g.頂桿固定板

j.墊塊

k.動模板

m.型芯

n.定模板

o.動模版

p.整套模具

1.打印聚合物制件

3D打印實物對比CAD軟件中的二維圖形,從簡單模型到復雜模型,從量變引起質變,大量的實踐練習幫助同學提升讀圖、看圖的能力(并分析哪些尺寸是基孔制,哪些是基軸制)。幫助學生從制品選材,分析材料的收縮率對制品尺寸公差和加工精度的影響,提升學生分析產品設計中尺寸精度的要求以及根據尺寸精度要求進行科學選材的能力。

2.打印模具的澆注系統

鼓勵學生結合聚合物制件在模具內的擺放方向、數量和位置等因素,結合模具內的澆口和分流道的位置、類型、數量,分析各種模具設計方案的優缺點,從而簡化模具結構并確定最終模具結構方案[7]。

3.打印模具的核心零部件

打印模具的核心零部件,如型芯、型腔等,深度理解磨損公差在深度和徑向兩個方向差異的原因,以及流體沖刷磨損在型芯、型腔徑向尺寸和深度尺寸計算公式中的差別,正確掌握模具核心零部件的設計要點。

4.打印模具的推出機構

通過對多個3D打印的聚合物模具進行塑件分析、流道分析,引導學生合理選擇推出結構可以減少推出機構在塑件外立面留下的疤痕,并能平穩地推出塑件。另外根據塑件的結構特點,幫助學生分析并理解側面、底面、平面、開孔等不同部位所采用的脫模力計算公式,能指導學生正確的計算脫模力,合理地設計推出機構[8]。

5.組裝模具定模部分和動模部分

組裝的定模方便學生理解型腔的整體式結構、整體嵌入式結構、局部鑲嵌結構和大規模鑲拼結構模具定模結構類型的選擇原則,組裝的動模方便學生理解一模多腔設計中采用動模兩塊板的必要性。

三、教學實踐應用及效果

近年來,我們將3D打印教學模具,通過模擬模具的開模、取出制品、閉模運動,使學生更清楚地掌握各種聚合物模具的結構和相應的工作機理。引導學生創新設計模具結構(如通過改動塑件形狀簡化模具結構;改動推桿形狀簡化模具推出機構和運動機理;改變塑件在模具內擺放位置解決順利取出制品的問題等)。實物模型的講解和分析有助于提高學生學習的主動性,提高學生的創新思維能力,同時也利于教師及時發現并解決學生在設計過程中存在的問題。

3D打印技術在“聚合物模具設計”課程教學中的實際應用可以提高學生的學習興趣,激發學生的學習積極性,從而提高課堂互動效果,促使學生迅速地掌握聚合物模具設計的要點,提高學生的學習效果,拓寬學生的創新思維。