基于3D打印的機(jī)械制圖實(shí)體模型教具研究

孫國(guó)勛，孫超

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院, 湖南 株洲 412001）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，3D打印技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。黨和國(guó)家要求職業(yè)教育，培養(yǎng)更多高素質(zhì)技術(shù)技能人才，能工巧匠，大國(guó)工匠，深入推進(jìn)育人方式、教學(xué)形式改革[1]。

在《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中,授課教師需要自制或定制實(shí)體模型教具，幫助學(xué)生快速理解課程內(nèi)容。教師課堂教學(xué)時(shí)，在幾何體表面點(diǎn)線面、空間立體錐體、曲面立體表面點(diǎn)線、較復(fù)雜組合體的教學(xué)過(guò)程中，使用了多種微課動(dòng)畫(huà)等信息化教學(xué)手段，學(xué)生仍難以理解空間較復(fù)雜組合體教學(xué)內(nèi)容。很多學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時(shí)，因立體空間想象能力局限，學(xué)生很難將組合體軸測(cè)圖與二維投影三視圖相互轉(zhuǎn)換，以致《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)任務(wù)難以完成，教學(xué)效果不理想[2]。教師通過(guò)教學(xué)實(shí)體模型教具演示，每個(gè)學(xué)生研究實(shí)體模型后，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，點(diǎn)線面體在空間立體位置直觀可見(jiàn)，學(xué)習(xí)效果明顯提高了。

采用智能制造3D打印技術(shù)制造《機(jī)械制圖》教學(xué)教具是一個(gè)有效的方法，具有很好的實(shí)際意義。

圖1所示的齒輪傳動(dòng)件、組合件、結(jié)構(gòu)件就是采用3D打印的《機(jī)械制圖》實(shí)體模型教具。

圖1 3D打印教具

1 3D打印實(shí)體教具工藝流程

采用3D打印快速成型教具，制造工藝流程如圖2所示，基本定型規(guī)范。主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件三維建模，再將三維模型分成逐層的截面，切片，計(jì)算機(jī)指揮打印機(jī)逐層打印，冷卻成型，最后對(duì)打印成型零件少量后期處理。它是一種增材制造技術(shù)[3]。材料利用率高，制造成本相對(duì)低。

圖2 3D打印基本工藝流程

研究采用熔融沉積成型（FDM）法（如圖3），采用熱熔噴嘴將熱塑性聚合物絲材和金屬粉末加熱成半流動(dòng)的熔體后，逐層沉積到噴嘴下方的熱床，凝固成型。

圖3 熔融沉積成型（FDM）

1）工藝特點(diǎn)。

3D打印使用新型材料根據(jù)零部件力學(xué)性能選擇材料類(lèi)型。如選擇使用融化的樹(shù)脂、塑料纖維、金屬或者陶瓷等材料按一定比例組合。

3D打印采用激光同軸送粉工藝（LDM），具備了進(jìn)行精細(xì)化加工的能力，可以穩(wěn)定地輸送滲入15～45 μm的金屬粉末，以此粉末作為原材料，增加零件強(qiáng)度、硬度，提高耐磨性，不發(fā)生表面銹蝕。

采用環(huán)路送粉技術(shù)，使得粉末的會(huì)聚能力提升，獲得較小的粉斑會(huì)聚，同時(shí)較小的粉斑會(huì)聚使得可以使用小激光束斑直徑的激光束作為熱源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工制件的精度控制，并使得加工成型效率相比于SLM技術(shù)有了較大的提升。零件尺寸精度高，一致性好，適宜批量制造。

2）工藝主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

a.使用各種粉末材料的成型，產(chǎn)品應(yīng)用十分廣泛；b.原材料利用率高，生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，適合連續(xù)大批量生產(chǎn)；c.能直接成型幾何形狀復(fù)雜的小型零件；d.零件尺寸精度高，表面光潔度好；e.產(chǎn)品相對(duì)密度高，組織均勻，性能優(yōu)異。

2 3D打印實(shí)體教具技術(shù)關(guān)鍵

本研究選擇國(guó)家規(guī)劃教材《機(jī)械制圖》課程系列插圖，著力于金屬3D打印技術(shù)在《機(jī)械制圖》教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，致力于研發(fā)桌面級(jí)別的可熔融擠壓打印的（含金屬）3D打印技術(shù)。金屬3D打印是一種快速打印技術(shù)，可以自由成型，個(gè)性化制造，適于打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以制造模具的產(chǎn)品，各類(lèi)制圖教具就是其中一種很重要的打印需求。

本研究金屬3D打印機(jī)采用激光熔覆制造技術(shù)，它是通過(guò)激光照射金屬粉末，將金屬粉末熔化，按照預(yù)定的路線一層一層地堆積起來(lái)，沉積速度為7.8～8.2 cm3/h；尺寸精度為50～400 μm；熱源功率為1 kW左右；采用的金屬粉末為T(mén)I6Al4V鈦合金。將教具打印的需求與鈦合金金屬3D打印結(jié)合起來(lái)，大幅度減少設(shè)備的體積，使得產(chǎn)品有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，更加小巧易用[4]。

3D打印制造實(shí)體模型教具關(guān)鍵在于建模成型工藝過(guò)程、成型材料選擇、成型后處理技術(shù)。

1）產(chǎn)品建模。

如圖4所示，使用工業(yè)三維掃描儀或手持三維掃描儀對(duì)已有零部件多方位掃描。將掃描數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字化技術(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件并建立零部件三維模型，如圖5所示。

圖4 三維掃描儀多方位掃描

圖5 建立三維模型

或者由二維CAD零件圖通過(guò)計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件建立零件三維模型。

2）成型材料選擇。

按需要選擇成型材料，主要有塑料粉末材料（尼龍玻釬、尼龍?zhí)祭w維、尼龍鋁粉、Peek材料）、金屬粉末材料（鋁合金及鈷鉻鉬合金、鐵鎳合金）等。

3）3D打印教具成型。

根據(jù)實(shí)體教具模型使用性能要求，合理選擇成型技術(shù)。熔融沉積成型（FDM）與光固化快速成型（SLA）如圖6所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇合適的各種技術(shù)參數(shù)。

圖6 3D打印模型

使用要求不同的零件,工藝參數(shù)各不相同。需要研究選擇層厚、壁厚、開(kāi)啟回軸、底層/頂層厚度、填充密度、打印速度、打印溫度、熱床溫度、支撐類(lèi)型等。工藝參數(shù)不合理時(shí)，成型零件存在各種缺陷，圖7所示的打印零件強(qiáng)度剛度不符合要求。

圖7 有明顯缺陷的模型

4）3D打印成型件后處理。

3D打印機(jī)將主體零件完成后，對(duì)打印零件需要做后期處理。在打印的時(shí)候，有些結(jié)構(gòu)件存在懸空支撐，有些箱體零件存在內(nèi)腔局部空間，可以設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)頂起來(lái)。打印時(shí)，支撐部分的孔隙適當(dāng)大一點(diǎn)。先打印懸空支撐部分，然后打印支撐上面的實(shí)體部分。最后成型后，將多余的支撐部分去掉，如圖8所示。

圖8 模型去支撐

3D打印出來(lái)的零件最后成型后，有些表面會(huì)比較粗糙，表面存在微小空洞，可以少量修磨、砂紙拋光成型表面，工具修整不完整型面，如圖9所示。

圖9 粗糙表面拋光與修整

5）其它處理。

3D打印粉末材料過(guò)程完成之后，必要時(shí)需要一些后續(xù)其它處理，例如：表面噴砂，提高模型成型強(qiáng)度，延長(zhǎng)模型保存時(shí)間；表面上色處理，有利于制圖時(shí)區(qū)分立體不同表面，更好地繪制零件三視圖。

3 3D打印實(shí)體教具優(yōu)勢(shì)

1）傳統(tǒng)機(jī)械制圖課程教具的制造方法。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，模型教具大部分材質(zhì)為木料，通過(guò)木工加工制作而成，或使用金屬材料通過(guò)機(jī)械加工制造。如圖10所示，傳統(tǒng)教具存在制作周期長(zhǎng)、造型單一、易開(kāi)裂、容易損壞、銹蝕等問(wèn)題。

圖10 傳統(tǒng)教具

傳統(tǒng)做法是學(xué)校統(tǒng)一采購(gòu)常規(guī)的圓柱體、圓錐體、正方體、長(zhǎng)方體、多面體、棱柱體等組合體模型。由于教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)內(nèi)容不同，其他非標(biāo)準(zhǔn)教具模型大部分由教師自己設(shè)計(jì)采用機(jī)械加工制作。由于品種數(shù)量限制，增加了制造難度。

采用機(jī)械加工自制模型教具，由于教具是單件或小批量零件，制造時(shí)也需要大規(guī)模的生產(chǎn)場(chǎng)地，需要各種加工設(shè)備、各種加工刀具、各種加工夾具、熱處理設(shè)備、檢驗(yàn)工具量具。加工工藝復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)，總是品種不全、不配套，零件表面粗糙，材料利用率低，制造費(fèi)用高[5]。

2）3D打印實(shí)體教具優(yōu)勢(shì)。

a.采用新工藝。采用數(shù)字技術(shù)打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速成型。徹底改變了傳統(tǒng)機(jī)械加工的制造流程。尺寸精度高，表面光潔，可快速完成制作。

b.使用新材料?？梢愿鶕?jù)零部件力學(xué)性能選擇制造材料。選擇使用融化的樹(shù)脂、塑料纖維、金屬或者陶瓷等材料，按一定比例組合即可。

c.節(jié)約生產(chǎn)材料，降低制造成本。精密成型，沒(méi)有機(jī)械加工，沒(méi)有材料浪費(fèi)，減少制造成本，是真正的綠色制造。

d.個(gè)性化制造?？梢园凑湛蛻?hù)需求非標(biāo)獨(dú)立制造，沒(méi)有任何限制。

e.老師可以利用學(xué)校實(shí)訓(xùn)基地“3D打印實(shí)訓(xùn)室”引導(dǎo)學(xué)生個(gè)性創(chuàng)作，制造教學(xué)實(shí)體教具[6]。

f.生產(chǎn)效率高。研發(fā)人員可以在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)二維三維軟件設(shè)計(jì)零件圖和建立零件模型，使用3D技術(shù)將零件圖樣打印成零件實(shí)體模型。減少了零件設(shè)計(jì)、機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械制造模具設(shè)計(jì)、工裝夾具設(shè)計(jì)與制造、零件檢測(cè)試制等許多工序要求，使得零件制造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，制造周期大幅縮短，效率更高。

4 結(jié)論

教學(xué)教具是教師改革創(chuàng)新教學(xué)活動(dòng)中很好的輔助工具,可以幫助學(xué)生更有效地掌握教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。對(duì)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)引領(lǐng)、追求精益求精、掌握先進(jìn)制造技術(shù)的作用尤為重要。

3D打印制造機(jī)械制圖教學(xué)實(shí)體模型教具，各類(lèi)教具可以任意定制，客戶(hù)有意愿地創(chuàng)新創(chuàng)意教具，只要有圖樣或模型，通過(guò)建模，就可以快速制造。

3D打印可以制造單一零件、單一構(gòu)件，可以制造組合部件、配件，可以組合制造機(jī)械的任一部分。

采用3D打印技術(shù)可以制造其他課程需要的實(shí)體教具，具有推廣價(jià)值。本研究具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。