快速成型技术在技工学校的应用

向金林

摘 要：在工业4.0时代，利用快速成型技术才能快速响应市场的需求，技校教育中如何应用快速成型技术是该文所要讨论的问题。该文介绍了快速成型技术的原理和分类，介绍了快速成型技术在技校教育中所起到的作用，以机械设计这一课程为例介绍了如何应用快速成型技术来提高学生的学习兴趣，完成教学目标。

关键词：快速成型技术原理 快速成型技术分类 技校教育

中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0156-02

随着制造业进入工业4.0，产品进入多品种、小批量的生产，如何能快速响应市场，是企业能否生存的关键。在此种形势下快速成型技术得到飞速的发展，现在已经广泛应用于航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型（雕刻）、建筑模型、机械行业等领域。

1 快速成型简介

快速成型技术（也称快速原型）（Rapid Prototyping）将计算机上设计的零件三维模型，表面三角化处理，存储成STL文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的控制下，选择性地固化或烧结或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成原型[1]。

这样的技术不同于传统的零件制造方法需要制作模具，可以把零件原型的制造时间大大减少，甚至缩短为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，降低了开发成本。

现在成熟的快速成型技术主要有5种。

（1）光固化成型（SLA）：采用液态光敏树脂为材料，利用激光扫描固化材料而成型。其生成的产品精度高，但强度低，不能进行装配后期也易变形，设备与材料都贵。

（2）选择性激光烧结（SLS）：采用粉末为材料（理论上一切粉末皆可），利用激光扫描烧结成型，无需支撑，后期需要处理，产品强度好，但表面精度差，烧结过程中有异味。

（3）叠层实体制造（LOM）：采用薄纸或者锡箔纸为材料，利用激光烧结成型，可以制作大尺寸制件，制作成本低，但易吸湿膨胀。

（4）熔融沉积（FDM）：将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有微细喷嘴的喷头挤出来。成本较低，成型样件强度好，易于装配，表面质量一般（可进行打磨）。现常用于样品的制作。

（5）3D打印（3DP）：运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式來构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

2 快速成型在我国的发展

快速成型技术起源于美国，兴盛于20世纪90年代，我国快速成型技术研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，但由于引进价格昂贵，使生产成本过高，国内制造型企业往往无法承受。从1991年开始，国家开始大力发展快速成型技术。先后在清华大学、西安交通大学、华中理工大学、南京航空航天大学、上海交通大学和浙江大学等知名高等院校开展研究应用。清华大学研制出世界上最大的 LOM双扫描成型机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成型RP设备SSM1600成形尺寸已达 1600×800×750，也居世界之首。

目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，自主研发应用于快速成型的材料也逐步趋于完善，材料的价格更加便宜。国内的家电行业在快速成型系统的应用上，走在了国内制造型企业前列：如广东的美的、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成型系统来开发新产品，收到了很好的效果。近些年随着通讯事业在我国的高速发展，一些国内通讯巨头企业例如华为、中兴等公司也逐渐将快速成型技术引入产品设计开发环节，使得公司对市场的响应效率、产品的竞争力提升了一个等级[2]。

3 快速成型技术在技校的应用

随着RP技术在各行各业的广泛应用，企业界对相关技术和工程应用人员的需求量越来越大。为满足社会的需求，各类学校纷纷增设了快速成型技术方面的课程。

就RP技术而言，据对企业的调研结果显示，企业希望毕业生能了解快速成型的基本理论和工作方法，能熟练运用三维软件进行建模和创新设计，且可以熟练应用快速成型设备进行产品或模具的快速制造[3]。技工学校培养的是技能型应用人才，具体到快速成型技术来说，学生就是会用快速成型设备进行产品的制造。

为对接企业的需求，技工学校也开始纷纷引进快速成型设备，大多数是3D打印机并应用于课程教学中。但由于专业性的原因，主要分布于机械制造类、创意设计类和园林工程类等设计类专业，或者作为选修课供其他有兴趣的同学学习。

快速成型设备的引入把教学中抽象的物体通过快速成型技术直接呈现于学生和教师面前，为进一步的学习提供真实可靠的探索依据，激发同学们的学习兴趣。快速成型设备在技工学校教育中提高了很多学科的教学效果。具体表现在以下几个方面。

（1）变抽象为具体。教师可以通过快速成型设备将抽象的物体打印出来直观呈现在学生面前，避免了学生在对行业了解不多的情况下对抽象知识的学习困难。如在机械设计中的机械制图，学生可以通过打印实物将二维与三维很好地结合在一起，更加直观地了解投影的概念；在机械设计课程中，可以将设计的图纸落地变成实物，让学生更好地理解结构与装配的关系。还有其他课程如园林设计、建筑设计和动漫设计等专业都可以采用快速成型设备实现抽象变具体，便于学习。

（2）有利于教师进行教学改革与科研研究。教师可以通过快速成型设备制作研究项目的实物来测试研究项目的可行性，同时还可以大大降低制作成本，节约时间。

（3）提高了学生们在学习中的探究能力。技工学校中建筑设计、机械设计、工业设计、园林设计和珠宝设计专业的学生都能通过专业知识的学习后制作出实体模型，从而验证设计的正确性。能看到成品的出现，大大提高了学生的学习兴趣与探究能力。

（4）快速成型技术为师生的教学环境提供了充满创新和兴趣的课堂。教师通过快速成型技术把书本里的抽象物品制作出实物，同学们在一件件实物模型前都会感觉知识就在自己身边，自己的想法也能通过创新实体化，这对于学生的创造能力提供了很多种的可能。

（5）快速成型技术为创新创业教育提供了巨大发展的空间。通过快速成型技术可以将同学们的创新设计、创意设计展现出来而不仅仅是停留在纸面上的概念设计，这对于同学们在创新创业教育中是一个非常重要的技术。

4 如何培养技校的快速成型技术技能型人才

快速成型技术结合了三维建模技术、切片技术、激光技术和计算机控制技术等于一体，要达到优质的教学效果，应该以项目为载体，采用“做中学，学中做”的一体化教学方式，以最大限度激发学生的学习能力。在项目的设置上应该本着從简单到复杂，知识点逐步深入贯穿到整个教学中。以机械设计中快速成型技术的应用为例，整个课程设计了4个项目“轴零件设计”“齿轮设计”“减速器上盖设计”和“减速器底座设计”。

轴零件设计项目（8学时）：学生首先学习轴技术知识；其次在三维建模软件中完成简单的轴零件设计（如图1所示）；随后将轴的三维模型文件导入到快速成型的切片软件中，学习如何切片，切片完成的模型（如图1所示）；最后学习设备的操作，将模型打印出来，验证轴的结构设计正确与否。整个项目设计集理论与实践于一体，既学习了必须具备的理论知识，还初步掌握了三维设计和快速成型设备的操作，学生能看到实物出现，兴趣高涨，对后续的课程充满了期待。同时操作技术在后续的项目中还可以得到加强，这对以技能型人才为培养目标的技校教育来说是非常重要的锻炼。

5 结语

快速成型技术融入技工学校教育的领域中，对未来的国家制造业发展起到非常关键的作用。现在很多技工学校的学生都是企业未来生产线上的主力。这些在学校里学会专业技能又能通过快速成型技术进行企业工艺创新的人才将会是企业快速发展的一股重要力量。虽然快速成型技术进入技校教育的时间不长，但教育界从上到下都对此充满了期待，相信快速成型技术将在技工学校的教学活动中发挥更为重要的作用。

参考文献

[1] 王广春.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].3版.机械工业出版社，2013.

[2] 罗庚.快速成型技术及在我国的发展[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010（1）：166-167.

[3] 孙春华.逆向工程与快速成型技术应用”课程教学探讨[J].苏州市职业大学学报，2011，22（2）：56-58.