快速成型技术在工程训练教学中的应用研究＊

段康容，张立红

（西南科技大学 工 程技术中心，四川 绵阳 621010）

1 快速成型原理

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术是20世纪90年代发展起来的集CAD、数控技术、新材料技术、激光技术等为一体的零件原型制造技术。它不同于传统切削加工技术中的刀具或磨具，将工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做减法，逐渐达到图样的技术要求，而是将工件的三维模型分层，将材料按照分层结果一层一层逐渐累积做加法，最终形成三维实体，达到图样技术的要求［1］。这种将三维降低到二维加工的思维方式是制造领域中的重大突破，运用RP技术可以加工任何表面复杂的工件，无需考虑从毛坯到零件之间的工艺过程，大大缩短了新产品的开发周期。在大工程、大制造的工程教育背景下非常有必要让学生掌握这类先进制造技术，以适应社会的发展需要，因此西南科大工程技术中心在2010年开始引进和创建快速成型训练项目。

2 快速成型训练项目建设内容

2.1 快速成型设备简介

快速成型自出现以来，经过20多年的发展，形成了多种工艺方法，主要有4种类型：激光光固化成型法（SLA）、叠层实体制造法（LOM）、选择性激光烧结法（SLS）和熔融沉积制造法［2］（Fused Deposition Manufacturing，FDM）。西南科大工程技术中心现有的设备是北京太尔时代科技生产的快速成型机Inspire S250三台、Inspire D290一台、UP！五台，总共9台。均使用ABS B601型材料作为成型材料，采用双喷头系统，其成型精度为±0.2 mm／100 mm，成型厚度可在0.15 mm～0.4 mm范围选择。工艺过程［3］是：在计算机的控制下，支撑材料和成型材料经过喷头加热至融化后，分别送至喷嘴，喷头按照零件的几何轮廓和填充轨迹做xoy平面上的运动，将熔融的材料逐层堆积到工作平台已经成型的部分上，与前一个层面熔接在一起。当一层沉积完成后，工作台下降一层的厚度，再继续下一层的沉积，如此循环直到所有层加工完毕。熔融沉积制造工艺的基本原理如图1所示。

图1 FDM快速成型原理

2.2 实验教学方案设计

由于学校各专业相差比较大，其工程训练的层次不同，因此采用分模块结合项目体验式教学方法比较适合。所以我们针对不同专业、不同层次的要求设计了以下几个模块。

（1）工程感知创新模块：主要针对非机械类专业，计划2个学时。由于工程感知总的学时不多，为了让学生能够快速地了解快速成型，启发学生的创新意识，因此制作了一些展板、展柜放于实验室。展板、展柜的主要内容是介绍快速成型的基本概念和几种典型快速成型的工艺原理，同时演示FDM的典型实例和应用，如图2所示。

（2）基础工程训练中的创新设计制造模块：该模块针对机械和近机类专业，计划4学时。对于机械类学生来说掌握现代先进加工技术比较重要，单独将快速成型作为一个实训项目进行开展。老师先讲解快速成型工艺的基本原理和仪器设备的组成和使用方法，然后给出待设计模型的一些规格限制。学生2人一组任意设计一个自己喜欢的模型，转换成STL文件格式后拿到快速成型机加工模型，然后进行必要的后处理，最终获得模型原件。图3为学生设计加工制作的模型展示，整个实验强调学生的创新能力、协作能力以及动手能力的发挥。

图2 实验室展示柜之一

图3 学生设计制作的模型

（3）自命题设计理论分析模块：该模块主要针对机械类的自命题设计，计划18学时。机械类专业的自命题设计主要是培养学生的机械设计创新能力、对材料和加工工艺的掌握。在自命题设计中安排两个项目，快速成型项目和基于反求工程的快速机械设计项目，学生任选其一。

对快速成型技术，要求学生不仅要掌握其基本概念和典型工艺的原理和操作步骤，而且需要学生掌握常用的分层软件Model Wizard，会设置具体的加工参数，并熟悉Inspire S250或D290的操作。

结合中心现有的手持式激光三维扫描仪设置反求工程项目。该项目采用项目引导式教学，以实际生活中的一个曲线曲面较复杂的零件为产品原型，经扫描仪得到数字化模型再进行RP制造。该项目中需要学生掌握反求工程的概念和基本的操作步骤。其重点在于三维数字化模型的创建。反求工程不是单纯意义上的反求，而是在使用常规手段不好获得物体特征参数或者非常耗时的情况下，采用三维扫描仪获得初步的三维模型，关键点还是需要对初步的模型进行创新和修改。

（4）综合创新训练：学生参加科技制作和竞赛等活动（比如全国大学生工程训练大赛）时，需要用到快速成型机的时候免费为其开放，同时也可为毕业设计的同学提供快速的产品验证手段。另外在师资力量充足的情况下还可以开设一些相应的选修课程。

目前快速成型实验项目已建设完成，并自编了快速成型讲义和实验指导书，制作了多媒体课件，将文字、图像、动画、视频有机地组织在一起，形成了生动形象的教学内容，并在教学中得到了很好的应用。

3 实际教学中的几个问题与解决方法

快速成型技术集计算机技术、数控技术、激光技术、材料技术等为一体，原理比较复杂，在教学实践中，发现还存在以下问题：

（1）时间短，内容多。比如开设基础工程训练中的创新设计制造模块总共4学时，学生要在这4个学时中完成从原理概念的理解到设备操作的掌握，从三维设计到加工制作。仅仅是三维模型设计至少需30 min；由于有预热和冷却的时间，即使加工一个体积为6 c m3左右的模型也需要40 min～50 min左右。

（2）学生欠缺相关知识。基础工程训练的创新设计制造模块需要学生自由地设计模型，安排在第7学期开设，但此时学生只学习了二维平面的设计，还没有使用过三维设计软件，因此在设计模型时花的时间比较多，该问题在其他相关模块训练项目中也存在。

针对以上问题，指导教师在讲解过程中必须避开具体的技术细节，从整体上讲解概念和基本原理。例如，在讲解分层软件自适应分层时，尽量少提及分层的计算方法，以免过于琐碎，干扰授课计划。对于学生对三维设计方面的欠缺，在学时充足的情况下，使用能够快速熟悉的软件（比如使用Solid Wor ks）做个简单实例，每个步骤截图形成文档存于每台电脑上，以此作为学生自学时的参考。

另外在实验室的展柜中展出了学生中比较好的作品，一方面可以为本次课的学生做参考，开阔设计思路；另外一方面可以增加学生的兴趣。

［1］ 胡庆夕，林柳兰，吴镝.快速成型与快速模具实践教程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］ 朱季平.快速成型技术在现代制造业中的应用研究［J］.装备制造技术，2011（8）：10－13.

［3］ 张国玲，吴涛，张功国.快速成型训练项目的建设与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（3）：314－317.