基于3D打印的机械制图实体模型教具研究

孙国勋，孙超

（湖南汽车工程职业学院, 湖南 株洲 412001）

0 引言

在互联网与数字化技术快速发展的时代，3D打印技术取得了飞速的发展。党和国家要求职业教育，培养更多高素质技术技能人才，能工巧匠，大国工匠，深入推进育人方式、教学形式改革[1]。

在《机械制图》课程教学中,授课教师需要自制或定制实体模型教具，帮助学生快速理解课程内容。教师课堂教学时，在几何体表面点线面、空间立体锥体、曲面立体表面点线、较复杂组合体的教学过程中，使用了多种微课动画等信息化教学手段，学生仍难以理解空间较复杂组合体教学内容。很多学生在课程学习时，因立体空间想象能力局限，学生很难将组合体轴测图与二维投影三视图相互转换，以致《机械制图》课程的教学任务难以完成，教学效果不理想[2]。教师通过教学实体模型教具演示，每个学生研究实体模型后，相关知识点，点线面体在空间立体位置直观可见，学习效果明显提高了。

采用智能制造3D打印技术制造《机械制图》教学教具是一个有效的方法，具有很好的实际意义。

图1所示的齿轮传动件、组合件、结构件就是采用3D打印的《机械制图》实体模型教具。

图1 3D打印教具

1 3D打印实体教具工艺流程

采用3D打印快速成型教具，制造工艺流程如图2所示，基本定型规范。主要是通过计算机软件三维建模，再将三维模型分成逐层的截面，切片，计算机指挥打印机逐层打印，冷却成型，最后对打印成型零件少量后期处理。它是一种增材制造技术[3]。材料利用率高，制造成本相对低。

图2 3D打印基本工艺流程

研究采用熔融沉积成型（FDM）法（如图3），采用热熔喷嘴将热塑性聚合物丝材和金属粉末加热成半流动的熔体后，逐层沉积到喷嘴下方的热床，凝固成型。

图3 熔融沉积成型（FDM）

1）工艺特点。

3D打印使用新型材料根据零部件力学性能选择材料类型。如选择使用融化的树脂、塑料纤维、金属或者陶瓷等材料按一定比例组合。

3D打印采用激光同轴送粉工艺（LDM），具备了进行精细化加工的能力，可以稳定地输送渗入15～45 μm的金属粉末，以此粉末作为原材料，增加零件强度、硬度，提高耐磨性，不发生表面锈蚀。

采用环路送粉技术，使得粉末的会聚能力提升，获得较小的粉斑会聚，同时较小的粉斑会聚使得可以使用小激光束斑直径的激光束作为热源，从而实现对加工制件的精度控制，并使得加工成型效率相比于SLM技术有了较大的提升。零件尺寸精度高，一致性好，适宜批量制造。

2）工艺主要技术优势。

a.使用各种粉末材料的成型，产品应用十分广泛；b.原材料利用率高，生产自动化程度高，适合连续大批量生产；c.能直接成型几何形状复杂的小型零件；d.零件尺寸精度高，表面光洁度好；e.产品相对密度高，组织均匀，性能优异。

2 3D打印实体教具技术关键

本研究选择国家规划教材《机械制图》课程系列插图，着力于金属3D打印技术在《机械制图》教学领域的应用，致力于研发桌面级别的可熔融挤压打印的（含金属）3D打印技术。金属3D打印是一种快速打印技术，可以自由成型，个性化制造，适于打印结构复杂难以制造模具的产品，各类制图教具就是其中一种很重要的打印需求。

本研究金属3D打印机采用激光熔覆制造技术，它是通过激光照射金属粉末，将金属粉末熔化，按照预定的路线一层一层地堆积起来，沉积速度为7.8～8.2 cm3/h；尺寸精度为50～400 μm；热源功率为1 kW左右；采用的金属粉末为TI6Al4V钛合金。将教具打印的需求与钛合金金属3D打印结合起来，大幅度减少设备的体积，使得产品有足够的力学强度，更加小巧易用[4]。

3D打印制造实体模型教具关键在于建模成型工艺过程、成型材料选择、成型后处理技术。

1）产品建模。

如图4所示，使用工业三维扫描仪或手持三维扫描仪对已有零部件多方位扫描。将扫描数据通过数字化技术传输到计算机三维设计系统软件并建立零部件三维模型，如图5所示。

图4 三维扫描仪多方位扫描

图5 建立三维模型

或者由二维CAD零件图通过计算机三维设计系统软件建立零件三维模型。

2）成型材料选择。

按需要选择成型材料，主要有塑料粉末材料（尼龙玻钎、尼龙碳纤维、尼龙铝粉、Peek材料）、金属粉末材料（铝合金及钴铬钼合金、铁镍合金）等。

3）3D打印教具成型。

根据实体教具模型使用性能要求，合理选择成型技术。熔融沉积成型（FDM）与光固化快速成型（SLA）如图6所示。通过实验选择合适的各种技术参数。

图6 3D打印模型

使用要求不同的零件,工艺参数各不相同。需要研究选择层厚、壁厚、开启回轴、底层/顶层厚度、填充密度、打印速度、打印温度、热床温度、支撑类型等。工艺参数不合理时，成型零件存在各种缺陷，图7所示的打印零件强度刚度不符合要求。

图7 有明显缺陷的模型

4）3D打印成型件后处理。

3D打印机将主体零件完成后，对打印零件需要做后期处理。在打印的时候，有些结构件存在悬空支撑，有些箱体零件存在内腔局部空间，可以设计支撑结构顶起来。打印时，支撑部分的孔隙适当大一点。先打印悬空支撑部分，然后打印支撑上面的实体部分。最后成型后，将多余的支撑部分去掉，如图8所示。

图8 模型去支撑

3D打印出来的零件最后成型后，有些表面会比较粗糙，表面存在微小空洞，可以少量修磨、砂纸抛光成型表面，工具修整不完整型面，如图9所示。

图9 粗糙表面抛光与修整

5）其它处理。

3D打印粉末材料过程完成之后，必要时需要一些后续其它处理，例如：表面喷砂，提高模型成型强度，延长模型保存时间；表面上色处理，有利于制图时区分立体不同表面，更好地绘制零件三视图。

3 3D打印实体教具优势

1）传统机械制图课程教具的制造方法。

在传统教学中，模型教具大部分材质为木料，通过木工加工制作而成，或使用金属材料通过机械加工制造。如图10所示，传统教具存在制作周期长、造型单一、易开裂、容易损坏、锈蚀等问题。

图10 传统教具

传统做法是学校统一采购常规的圆柱体、圆锥体、正方体、长方体、多面体、棱柱体等组合体模型。由于教学设计和教学内容不同，其他非标准教具模型大部分由教师自己设计采用机械加工制作。由于品种数量限制，增加了制造难度。

采用机械加工自制模型教具，由于教具是单件或小批量零件，制造时也需要大规模的生产场地，需要各种加工设备、各种加工刀具、各种加工夹具、热处理设备、检验工具量具。加工工艺复杂、加工周期长，总是品种不全、不配套，零件表面粗糙，材料利用率低，制造费用高[5]。

2）3D打印实体教具优势。

a.采用新工艺。采用数字技术打印机来实现快速成型。彻底改变了传统机械加工的制造流程。尺寸精度高，表面光洁，可快速完成制作。

b.使用新材料。可以根据零部件力学性能选择制造材料。选择使用融化的树脂、塑料纤维、金属或者陶瓷等材料，按一定比例组合即可。

c.节约生产材料，降低制造成本。精密成型，没有机械加工，没有材料浪费，减少制造成本，是真正的绿色制造。

d.个性化制造。可以按照客户需求非标独立制造，没有任何限制。

e.老师可以利用学校实训基地“3D打印实训室”引导学生个性创作，制造教学实体教具[6]。

f.生产效率高。研发人员可以在较短的时间内通过二维三维软件设计零件图和建立零件模型，使用3D技术将零件图样打印成零件实体模型。减少了零件设计、机械加工工艺设计、机械制造模具设计、工装夹具设计与制造、零件检测试制等许多工序要求，使得零件制造过程相对简单，制造周期大幅缩短，效率更高。

4 结论

教学教具是教师改革创新教学活动中很好的辅助工具,可以帮助学生更有效地掌握教学内容，提高学习效率。对学生创新创造意识引领、追求精益求精、掌握先进制造技术的作用尤为重要。

3D打印制造机械制图教学实体模型教具，各类教具可以任意定制，客户有意愿地创新创意教具，只要有图样或模型，通过建模，就可以快速制造。

3D打印可以制造单一零件、单一构件，可以制造组合部件、配件，可以组合制造机械的任一部分。

采用3D打印技术可以制造其他课程需要的实体教具，具有推广价值。本研究具有很好的社会效益和经济效益。