快速成型机在教学实验中的应用

刘传根 周海贝 龚春健

[摘要]介绍了快速成型机的工作原理、应用范围和教学实验的过程，重点指出了快速成型机应用在教学实验中的意义。实践表明，将快速成型机应用于教学实验，能规范学生的实验行为，对学生的综合素质的培养和动手能力的提高起到了重要的推动作用。

[关键词]快速成型机；教学实验；模型

[中图分类号]G40—057

[文献标识码]A

[论文编号]1009—8097(2009)13—0305—02

一引言

教学实验是理论结合实际的桥梁，是培养学生由知识型人才向能力型人才转化的重要途径，由于教学实验具有直观性、综合性和创新性，对于学生能力的培养有着重要的不可替代的作用。教学实验不仅涵盖了理论课的内容，而且比理论课更加复杂。经过多年的教学实验，我们深深体会到：借助于先进实验设备的使用，让学生在各个环节中通过眼、手、脑等并用，可以很好地训练和培养他们实事求是、严肃认真的科学态度，对提高学生动手能力及知识综合运用和创新能力，强化教学质量具有重要作用。

长期以来，在材料成型的教学实验中所使用的仪器设备比较陈旧，实验方法落后，本科生基本无缘接触先进的仪器。然而，现在的学生有强烈的求知欲，他们渴望了解新知识，特别是代表学科发展前沿的专业知识，传统的演示型和验证型教学实验总会招致他们的抱怨。基于这种情况，并结合专业教材的更新，材料学院中心实验室成立了数字制造实验室，配置了数控雕刻机、工业用扫描仪、影像测量仪、快速成型机等先进装备，用于教学实验。下面就快速成型机在教学实验中的应用谈点个人体会。

二快速成型机及其应用范围

1快速成型机简介

快速成型技术是近几年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代技术成果，是先进制造技术的重要组成部分。

快速成型机的工作原理是：将单面涂敷一层热熔胶薄层材料(纸、塑料薄膜或复合材料)，通过热压装置使材料表面达到一定温度，薄层之间粘合在一起。随后位于其上方的激光器按照CAD模型切片分层所获得的数据，将薄层材料切割出零件该层的内外轮廓。激光每加工完一层后，工作台下降相应的高度，然后再将新的一层薄层材料叠加在上面，重复前述过程。如此反复逐层切割——粘合——切割……，逐层堆积生成三维实体，直至整个零件模型制作完成。非原型实体部分被切割成网格，保留在原处，起支撑和固定作用，制件加工完毕后，可用工具将其剥离。

2快速成型机的应用范围

(1)可直接制作纸质功能件，用作结构验证和功能测试。

(2)成形速度快，精度较高，运行费用比较低。

(3)经过技术创新，不仅可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂薄壁件，工业应用面广。

(4)可以直接制作翻砂用模型，替代传统木模。

(5)可以用转移涂料技术制造铸造用金属模。

(6)制作出来的原型件可翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、石膏模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。

三教学实验过程

1设备

所用设备是HRP—ⅡB型快速成型机。

2准备过程

本着实验创新的原则，让学生根据自己的意愿选题，将自己设计的要制作的模型完成数学建模，然后转换成STL格式文件，将其复制到快速成型机的数据库。

3实验过程

(1)启用系统软件：打开HRP2006程序，打开要制造的模型文件，在“制造”中选择“打开强电”；再在“制造”中选择“打开加热器”并根据材料型号设置加热器温度。再将其他的参数设置好。将设备的原理、结构、性能、应用范围，参数设置的原则等向学生讲解。

(2)教师示教：约30分钟后，数控柜操作面板上温度控制器显示温度达到设定值，即可操作。将纸张铺设好，在“制造”中选择“基底”，系统进行一次循环的制造，设备正常即可，将操作中注意的事项向学生交代清楚，然后交给学生操作。

(3)学生操作：打开HRP2006程序，打开要制造的模型文件，根据材料型号和模型的外型尺寸大小将所有的参数设置好。将纸张铺设好，在“制造”中选择“基底”，系统进行一次循环的制造，然后在模型基底的最大轮廓线内粘上双面胶带，再将设备设置成连续制造。模型作完后，用专用工具小心去掉废料，再用木工工具将模型打磨好。

四实验结果

二年多来，设备应用于教学实验、综合实验、毕业设计和演示实验，学生做出了不少成品，图1(世博会标志)就是其中的一件。

五实验特点

1直观性通过实验，学生可以直接接触产品的制作过程，对设备的运行有了充分的感觉，对产品由三维图形转换到实体，由理性认识上升到感性认识。

2系统性通过实验，学生可以对产品的全部制作过程，设备的性能、运行状态和注意事项有了充分的认识。因此，通过实验，使学生对产品的全部制作过程有了较为系统的认识。

3互动性实验使用的快速成型机为师生交流提供了一个互动平台，教师可以在实验室解答学生提出的问题，学生举一反三，触类旁通。

六实验意义

与传统的单项实验相比，快速成型机应用于教学实验中，显示出以下优势：

1对专业课的学习有很大帮助本实验对专业课特别是模具设计有很大帮助，由于在模具设计时，设计的依据是产品图纸，不太直观，对没有工作经验的学生来说，难度比较大，而将该产品制作成模型则将对模具设计有很大帮助，也能激发起学生做实验的兴趣。

2提高了实验的直觉效果由于实验能直接将模型转换成实物，因此，提高了实验的直觉效果，使学生对模型的认识由理性上升到感性认识，增强了学生的感官认识。

3容易获得理想的实验结果由于模型是用数学建模制作转换的，因此需要什么模型，事前可以修改、控制，即使个别学生的实验结果不理想，可以根据实验结果修改原模型，以便做出更好的产品。他们从使用CAD软件设计，到用快速成型机做出工件，将综合实验的作用全部发挥了出来。

4有利于发挥学生的动手能力传统的实验大都是教师做实验，学生观察，记下实验结果，完成实验报告就可以了。这导致实验报告往往只有几个版本，学生的创新意识无法展现，实践能力得不到提高。而本实验不仅需要学生自己动手设置参数，需要处理实验过程中出现的具体问题，而且产品出来后还要用专用工具将其剥离，并用木工工具将模型打磨好，需要严谨的态度和细心地操作。

5对“消极型”学生问题的解决具有促进作用“消极型”学生是指那种对实验题目不明确，实验课注意力分散，在分组实验中只看热闹，抄袭实验报告、对学习抱无所谓的态度，在学习上不努力的学生。而本实验需要大家分工合作，共同努力才能完成实验，而且产品做的好他们也有成就感，因此能吸引学生的实验兴趣，规范学生的实验行为效果非常明显，提高了学生的整体特别是差生的实验能力。

6有利于发挥教师的指导作用传统的实验大都是教师做实验，学生观察，记下结果，完成报告就可以了，而本实验是需要学生自己动手，教师可以随时观察学生的实验过程，及时纠正学生实验中存在的问题，充分发挥教师的指导作用。

7有利于教学资源的开发和利用实验需要使用计算机绘图软件和快速成型机，实验内容可拓展到材料成型专业的综合实验、毕业设计和开放实验，使教学资源得以充分利用。

8有利于提高师生素质使用快速成型机互动实验室可以激发学生的学习兴趣，培养学生自主学习和探索学习的能力，调动学生做实验的积极性，提高参与意识，使理论学习和实验验证相结合，促进学生的综合素质全面提高。同时要求教师必须提高计算机的应用水平，特别是能熟练应用计算机辅助设计软件和快速成型机，熟悉模具制造的工艺方法，并能及时解决实验中出现的技术和理论问题。

经过二年多的教学实践，快速成型机在不同层面对学生的综合素质的培养和动手能力的提高起到了重要的推动作用，得到了广大学生和教师的一致好评。通过这一实验环节，加深了学生的对理论知识的理解，扩大了学生的眼界和思维能力，提高了学生的动手能力和理论联系实际的能力，为以后就业和工作奠定了良好的基础。