快速成型技术在教学中的应用研究
快速成型技术在教学中的应用研究
摘要：本文以虎钳装配体的快速成型为例，通过快速成型加工虎钳，验证了虎钳的三维设计结果，并使学生直观地理解虎钳的机械传动原理。将三维设计与快速成型技术很好地结合在一起，有力地提升了学生的机械设计能力。
关键词：快速成型；FDM；三维设计
引言
快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，是一种集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动、新材料等先进技术于一体的加工方法[1]。
RP技术是借助计算机辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形状，进而以此建立数字化模型，再利用计算机控制的机电集成制造系统，逐点、逐面地进行材料“三维堆积”成型，再经过必要的后处理，使其在外观、強度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件的方法。
随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，RP技术的工艺方法发展很快。按照所用材料的形态与种类不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法。其中发展较为成熟的主要有以下几种类型：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、粉末材料选择性激光烧结(SLS)、丝状材料选择性熔融沉积(FDM)、三维印刷3DP工艺。
本文所选用的快速成型机是由北京殷华公司生产的GI-A快速成型机，它的成型工艺是丝状材料选择性熔融沉积(FDM)。文中利用GI-A快速成型机加工学生三维绘图课程中所设计的三维模型，在研究快速成型加工工艺及参数设置的同时验证学生三维设计的成果，使他们对三维设计有更深的理解。
一 丝状材料选择性熔融沉积(FDM)工艺
FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，如图1所示。
图1 FDM工艺原理图
如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。
二 三维设计模型——虎钳
本文以学生三维绘图课程中所设计的虎钳模型为例，利用快速成型机加工每一个零件并装配成最终的虎钳模型。图2所示为虎钳的三维图，它由底座、螺杆、方块螺母、螺母、螺钉、钳口板、活动钳口、沉头螺钉8种零件组成。其中，钳口板的数量为2个，螺钉的数量为4个。也就是说，快速成型机需加工11个零件才能装配成虎钳装配体。
图2 虎钳三维设计模型
三 虎钳的快速成型加工
（一）GI—A快速成型机
本文所选用的快速成型机为北京殷华公司生产的GI-A快速成型机。该仪器能将CAD模型快速分层处理，采用双喷头的设计技术（一个喷头喷成型材料，一个喷头喷支撑材料），通过材料累加制造和融熔挤压方式，获得三维物理实体，支撑材料容易从成型样件上去除，成型材料采用ABS丝材，成型速度快，成型样件强度好，可打磨、易于装配。
该仪器主要技术参数要求为：成型空间：≥255mm×255mm×310mm；成型工艺：融熔挤压；成型层厚：（Z轴）0.15～0.4mm（分层厚度可调）；成型速度：5～60 cm/h；喷头系统：双喷头技术；成型材料和支撑材料：ABS丝；成型件精度：≤± 0.2mm/100 mm。
（二）虎钳的快速成型加工
1. 准备工作
打开快速成型机电源开关与Aurora软件，进行仪器的初始化，如图3所示。
图3 快速成型机初始化
2. 虎钳各零件的快速成型加工
在三维设计软件中将组成虎钳装配体的8种零件转化成快速成型机可识别的STL格式，分别按所需数量导入快速成型机加工。下面以虎钳底座的加工为例介绍加工流程。
（1）参数设置
将底座的STL格式导入Aurora软件并进行参数设置（图4）。由于虎钳在装配时对底座的精度要求较高，所以加工底座时将层厚设置为0.15mm。
图4 底座加工参数设置
（2）分层加工
参数设置完成后，软件会根据设置的参数将模型分层，底座加工时共分为206层，加工底座预估需用时3小时12分12秒，消耗本体材料21.6克，支撑材料1.5克。如图5所示。
图5 底座分层加工预估结果
经过206层ABS丝材层层累积，最终加工形成了虎钳底座的快速成型模型。如图6所示为刚加工完成的底座。去除支撑材料，可得底座的快速成型模型（图7）。
图6 刚加工完成的底座 图7 去除支撑材料后的底座
（3）其它零件的快速成型
根据与底座加工相同的方法加工其它零件。对于较小并需要加工多个的零件，比如螺钉、螺母等，加工过程中可在快速成型机行程许可范围内同时导入多个STL模型，节省加工时间。图8所示为快速成型加工的各个零件。
图8 快速成型加工的零件
3. 虎钳的装配
加工完成的零件经过去除支撑材料、表面抛光等处理后，就可依据虎钳装配图进行装配。图9所示为虎钳装配体。由于FDM工艺所用ABS丝材具有一定的硬度，所以快速成型加工的虎钳装配体可以作为教学教具演示螺旋传动中“螺杆旋转，螺母移动”的功能。
图9 快速成型加工虎钳装配体
四 结论
本文利用快速成型机加工学生在三维设计课程中绘制的虎钳装配体，加工完成的虎钳作为教具讲解机械传动原理。将三维设计、快速成型、机械原理很好地融合在一起。通过快速成型加工，让学生直观地看到三维设计绘制的结果，加深了对机械传动原理的理解。同时，通过三维模型的快速成型，使学生掌握了快速成型的相关知识。对快速成型这一新兴行业有了很好的感性认识。
在教学中，可以将三维设计、快速成型结合起来，选取机械传动中具有代表性的模型（如减速器等），提升学生机械设计的综合素质。
参考文献
[1]金杰，张安阳.快速成型技术及其应用.中国航空精密机械研究所,浙江工业大学学报,2005年05期.
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