齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学模式探索

朱小明, 韩 伟， 牛吉梅， 潘健怡

(华南理工大学广州学院 工程训练中心，广州 510800)

0 引 言

近年来我国3D打印技术进入高速发展期，3D打印机已经被用于教学和科研，逐步改变着传统教育方式和学习方式[1-4]。各高校不断探索3D打印在教育领域的应用，研究可行的基于3D打印技术的实验教学，建立3D打印创新教学实验室，支持和推动创客教育的发展[5-7]。应用3D打印技术，让设计软件和3D打印机作为一种有价值的教育工具，进入机械类课程教学的课堂是一种积极的尝试。齿轮传动机构是机械系统中十分重要和应用广泛的机构。对齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学模式探索具有一定的重要性和代表性。

1 规划和流程

教学中以学生完成齿轮等相关机械原理学习，并具有一定二维图纸设计能力为前提。学生以完成齿轮系列零件建模、3D打印加工任务为核心，运用SolidWorks设计软件中齿轮的建模功能，根据齿轮相关原理参数，完成齿轮零件虚拟建模和装配，学习和掌握热塑挤压打印原理、3D打印机的使用并完成齿轮零件加工，对零件进行尺寸测量、装配、运动模拟、设计验证和优化。表1所示对齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学进行了分解和规划。

表1 齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学规划表

该任务导向教学模式打破传统理论教学、二维图纸设计模式的局限，达到从理论到二维图纸设计、三维软件虚拟建模、3D打印到装配验证的“教、学、做”一体化教学效果。主要目的是使学生能完成齿轮系列零件的设计建模、3D打印加工、验证和优化创新。学生是操作的主体，而教师是组织任务、分配、指导和点评学生工作的角色。具体的教学工作流程如图1所示。

图1 教学工作流程

2 齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学

目前应用最广泛的是渐开线齿轮，所以在任务设计中以渐开线齿轮系列零件参数化建模为主，涉及到齿轮的模数、齿数、压力角、齿顶高系数等重要技术参数[8-9]；3D打印中采用目前使用最广泛的热塑挤压3D打印机，该类型打印机的成本逐步降低，已广泛应用于教学领域。本校使用的是太尔时代公司制造的桌面级UP！系列3D打印机。如图2所示为直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮等典型渐开线标准齿轮的SolidWorks建模，热塑挤压3D打印机加工，齿轮零件测量、装配验证的任务导向图。

2.1 齿轮系列零件的建模

教师提出齿轮零件的设计要求，等学生分组并完成设计参数、设计方案的讨论后，指导学生使用SolidWorks软件完成齿轮零件的建模。在SolidWorks中绘制符合规定的齿廓曲线方程的齿轮齿廓较为困难，齿轮建模难度比较大。但SolidWorks软件中有集成很多常用零件数据的设计库、相关的第三方插件[9-11]，所以学生不必掌握很好的特征建模能力也可轻松得到基本常用齿轮系列零部件的三维模型。

图2 齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向图

如图3所示SolidWorks Toolbox标准件库中包括多种设计标准的齿轮零件，可直接调用建立一个具有标准齿廓的齿轮齿圈，然后建立齿轮的轮毂和腹板[10]。在此设计过程中，涉及到齿轮模数、齿数等参数，提高学生对齿轮理论知识的理解和应用能力。

图3 从Toolbox中建立齿轮零件

GearTrax是SolidWorks第三方插件，是专业的齿轮产生器。GearTrax插件可用于设计直齿轮/斜齿轮、锥齿轮、链轮、齿轮传动带、带轮、涡轮/蜗杆等，软件等于是一个齿轮设计条件的输入界面[9-10]。图4所示是GearTrax2014插件中直齿轮选项卡界面，在此界面只需选择齿轮标准和输入指定的参数值，例如节距的规格、模数、齿数、径向变位系数、齿面厚度和齿背隙等，系统便自动连接到SolidWorks生成相应的精确齿轮实体模型[10]，并可在此基础上进行再设计。软件中的输入条件，要求学生应用齿轮参数进行设计，可以巩固所学的知识，加深对知识的理解。图5所示通过GearTrax输入不同参数条件后生成的齿轮系列零件和齿轮装配体。齿轮模型最后以当前3D打印的标准文件格式—STL格式保存输出。

图4 geartrax2010插件界面

为提高建模效率，教师可将较难的齿轮模型文件、学生的优秀齿轮模型文件保存在设计库中，建立一个齿轮零件设计库，实现资源共享。

2.2 齿轮系列零件的3D打印

在SolidWorks上完成的齿轮虚拟模型要通过3D打印机打印成可触摸的物理模型。学生要了解所用打印机的原理和学会使用打印机完成齿轮模型加工。

图6为热塑挤压3D打印的原理示意图。材料被送到加热后的喷头内加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化后的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结[12]。

图6 热塑挤压3D打印的原理示意图

本校使用的是UP！系列3D打印机，料丝使用的是ABS和PLA等热塑性材料，可以制作体积较大并非常精致的模型。学生打印操作之前要熟悉打印机结构，打印软件参数的设定，打印的操作步骤。在打印软件中设定合理的加工参数对模型的加工非常重要，包括层片厚度、轮廓加工轨迹(截面轮廓的填充方式)、支撑角度、密封表面层数、扫描速度等。层片厚度越小，零件打印精度越高；轮廓内部填充线越密，零件越牢固；在合理的范围内，扫描速度慢一点，打印精度高一点。图7所示为UP！软件的参数设定界面，该软件中需设定的参数相对较少，有利于学生学习和使用。

图7 UP！软件的参数设定界面

UP！系列打印机操作简单，步骤如下：开机、初始化、平台加热—在UP！软件中导入STL格式文件—调整模型大小、放置角度和设定打印参数—打印加工—取下模型并进行后处理。参数设定后，打印机接收数据开始打印工作，完成分层堆积过程。打印完成后，模型一般要进行后处理，例如移除支撑材料、手工打磨、清洗等。图8为UP！打印机进行齿轮零件的加工。

2.3 齿轮零件的验证和优化

通过3D打印得到齿轮模型后，要进行尺寸测量、装配、运动模拟等分析，在验证分析中更好了解和掌握齿轮抽象的概念，有助于加强对齿轮机构原理的理解，提高动手能力。

图8 UP！打印机进行齿轮零件的加工

模型测量以一对渐开线直齿轮为例，齿轮打印完成后，用游标卡尺测量几何尺寸：齿轮齿数、根圆直径、齿轮孔径等，进而计算出齿轮的基本参数：基圆齿距、模数、分度圆压力角和齿顶高系数等[13]，与三维建模中所应用的参数值进行对比，加深了解齿轮各部分尺寸与参数之间的相互关系。

学生对齿轮机构进行装配，运动模拟，判断模型设计是否准确、合理可行。教师进行点评并引导学生在此基础上形成一些新的想法，对齿轮机构进行优化和创新设计。图9所示为应用3D打印技术完成的齿轮系列零件。

图9 应用3D打印技术完成的齿轮系列零件

3 任务导向教学模式的延伸

任务导向教学模式不仅成功地应用于齿轮设计中，还可延伸到相关的机构设计模块中，例如凸轮机构、连杆机构、蜗轮蜗杆机构等[14]，提高学生对机械机构的综合设计能力，更好地形成组合结构设计和创新机构设计，拓展创新性思维。最后可结合课程设计内容，由教师提出任务，学生分组完成一项机构模型的方案设计，完成三维建模，模型打印，并对模型进行验证、交流、评价和总结[15]。图10为我校学生利用3D打印自主完成的创新组合机构模型，该机构融合了机构设计原理、SolidWorks软件建模、3D打印机、电路控制等知识。

学生在此过程中完成的优秀机构模型作品，收集起来建立一个对学生开放的机构模型室，并可作为教学教具使用[16-17]，将有利于教师和学生学习交流，更好开展“触觉教育”和拓展学生的创新思维。

4 结 语

对齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学模式探索是3D打印技术带着3D设计软件和3D打印机应用于机械类课堂教学的一种体现，是一种从理论到设计，设计变为现实，现实加固理论的教学方法的尝试。该任务导向教学模式可由齿轮设计模块延伸到其他机构设计模块，强化学生对机械原理的理解，提高创新设计和自主设计能力，更好地培养学生工程实践能力。